譚澤文 朱文偉 黃顯智 覃江濤

摘要：動(dòng)力特性是路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)營(yíng)維護(hù)的重要依據(jù)。文章結(jié)合廣西交通建設(shè)需求，開展以廣西典型黏土路基填土為研究對(duì)象的動(dòng)力特性測(cè)定和動(dòng)剪切強(qiáng)度分析，并基于試樣土在低應(yīng)力條件下的動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)模量，分析了土體的動(dòng)力特性變化規(guī)律，推導(dǎo)了動(dòng)剪切強(qiáng)度及相關(guān)參數(shù)，為廣西交通建設(shè)中路基的性能評(píng)價(jià)提供了借鑒和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：路基;動(dòng)力特性;動(dòng)強(qiáng)度;動(dòng)模量;動(dòng)剪切強(qiáng)度

0 引言

“一帶一路”政策和國(guó)家交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的施行推進(jìn)了廣西壯族自治區(qū)交通建設(shè)的加速發(fā)展。對(duì)于廣西而言，嶺谷相間、山地環(huán)繞，復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)[1]。路基是道路結(jié)構(gòu)層之一，作為道路的持力層和基礎(chǔ)支撐層，其性能好壞往往決定了道路的基本使用表現(xiàn)和服務(wù)功能[2]。

對(duì)于路基而言，強(qiáng)度和變形特征等力學(xué)特性是公路、鐵路設(shè)計(jì)中的重要依據(jù)，也是預(yù)估道路使用壽命和服役特性的重要依據(jù)[3-4]。相比于靜力特征，動(dòng)態(tài)荷載下的動(dòng)力特征更能反映路基結(jié)構(gòu)在真實(shí)車輛荷載下的性能反應(yīng)。目前，作為土體動(dòng)荷載下的強(qiáng)度破壞特征和變形特性的最直接體現(xiàn)，動(dòng)強(qiáng)度及動(dòng)模量是道路設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)營(yíng)階段的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。Murthy[5]等人對(duì)美國(guó)西部大孔隙素土進(jìn)行動(dòng)力試驗(yàn)，以動(dòng)模量和阻尼比為重要指標(biāo)評(píng)價(jià)其改良治理效果。V.C.Xenaki和G.A.Athanasopoulos[6]評(píng)估了飽和細(xì)砂土的液化強(qiáng)度，并詳細(xì)研究了塑形纖維法降低其孔隙率提高其抗液化強(qiáng)度的適用性。J.Li和D.W.Ding[7]研究了小應(yīng)變下土樣動(dòng)力特性的非線性特征，詳細(xì)討論了試驗(yàn)圍壓、循環(huán)加載次數(shù)作用下動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)模量的變化規(guī)律，為更準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)動(dòng)力特性提供了重要幫助。我國(guó)幅員遼闊，各類土質(zhì)分布廣泛，各地區(qū)的研究人員對(duì)所屬地區(qū)的路基土質(zhì)進(jìn)行了動(dòng)力性能的測(cè)定，用于指導(dǎo)工程建設(shè)。如中南大學(xué)賀建清、陳樂求[8-9]等人對(duì)湖南地區(qū)的泥質(zhì)板巖土的動(dòng)力特性、動(dòng)力響應(yīng)表現(xiàn)進(jìn)行全面研究。吉林大學(xué)魏海斌、王靜[10-11]以動(dòng)強(qiáng)度和彈性模量為指標(biāo)，評(píng)價(jià)了東北地區(qū)常見粉質(zhì)黏土和黏土路基在凍融循環(huán)作用下的性能表現(xiàn)。

廣西壯族自治區(qū)地處我國(guó)華南地區(qū)，其典型的黏土路基具有液塑限高、保水性強(qiáng)等特點(diǎn)，在外界動(dòng)載作用下力學(xué)表現(xiàn)復(fù)雜。此外，剪切強(qiáng)度是路基填土性能評(píng)價(jià)的最常用指標(biāo)。然而，目前通用的剪切強(qiáng)度和相關(guān)特征參數(shù)多基于靜力分析，缺少動(dòng)態(tài)理論下的分析方法創(chuàng)新，造成了土體剪切強(qiáng)度動(dòng)力分析的空缺。

綜上，為突破傳統(tǒng)理論分析局限，豐富動(dòng)力分析方法，本文開展廣西典型黏土的動(dòng)力特性及動(dòng)剪切強(qiáng)度研究，為廣西交通建設(shè)中的路基設(shè)計(jì)、性能評(píng)估提供借鑒和指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)土特性

試驗(yàn)土為廣西典型黏土，取自南寧市西鄉(xiāng)塘區(qū)高新大道某施工現(xiàn)場(chǎng)。其顆粒密度為2.49 g/cm3，塑性指數(shù)為17.5%（塑限22.8%、液限40.3%），最大干密度和最佳含水量分別為1.98 g/cm3和15%。試驗(yàn)前，依照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2017）要求將土樣過2 mm篩，并擊實(shí)成型制成圓柱試樣（直徑為39.2 mm，高度為80 mm），如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)儀器及方案

試驗(yàn)采用英國(guó)GDS公司產(chǎn)DYNTTS型號(hào)動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，動(dòng)強(qiáng)度及動(dòng)模量試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)均依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT/50123-2019）規(guī)定步驟及要求進(jìn)行。

試驗(yàn)前，進(jìn)行試樣的儀器外浸泡飽和。結(jié)合原位試驗(yàn)，選定固結(jié)系數(shù)為1.9，以荷載應(yīng)力幅值作為控制變量，通過單側(cè)加載方式模擬土樣的真實(shí)受力狀況。本文的試驗(yàn)荷載頻率為1 Hz，試驗(yàn)圍壓分別選取50 kPa、100 kPa和200 kPa，每級(jí)圍壓下從小到大依次增加動(dòng)應(yīng)力，當(dāng)土樣破壞（包括液化）或縱向累積塑性應(yīng)變達(dá)到5%時(shí)，結(jié)束試驗(yàn)。在動(dòng)模量試驗(yàn)中，采取每級(jí)10次循環(huán)，逐級(jí)增大荷載的加載方式。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 動(dòng)強(qiáng)度分析

如表1所示，試樣的動(dòng)強(qiáng)度隨著圍壓和破壞次數(shù)的增加，分別呈現(xiàn)提高和降低的趨勢(shì)，這一規(guī)律符合我們的預(yù)期，即高應(yīng)力條件下土樣的破壞動(dòng)強(qiáng)度越高。值得注意的是，破壞動(dòng)應(yīng)力比與圍壓的變化規(guī)律與動(dòng)強(qiáng)度相反，如圍壓200 kPa下破壞周數(shù)為11次的動(dòng)應(yīng)力比為1.88，遠(yuǎn)低于50 kPa圍壓下10次破壞周數(shù)的動(dòng)應(yīng)力比2.28。究其原因，主要是高圍壓導(dǎo)致的土體結(jié)構(gòu)更為致密，對(duì)于縱向破壞應(yīng)力的敏感性更低。因此，雖然動(dòng)強(qiáng)度增大，但其真實(shí)的破壞動(dòng)應(yīng)力比下降。對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用，動(dòng)應(yīng)力比可更加真實(shí)地體現(xiàn)土樣的動(dòng)力強(qiáng)度和破壞特征。

2.2 動(dòng)模量

基于試驗(yàn)中每級(jí)動(dòng)荷載下滯回圈所對(duì)應(yīng)的動(dòng)應(yīng)力σd與動(dòng)應(yīng)變?chǔ)興的比值，可獲得軸向應(yīng)變-動(dòng)模量曲線，見圖2。

由上述可知，三個(gè)圍壓下的擬合直線的相關(guān)系數(shù)均>0.98，代表了結(jié)果的可信性。表2中，試樣土的最大動(dòng)模量Emax與軸向最大應(yīng)力σmax隨著圍壓的變大呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。究其原因，高圍壓下的土樣結(jié)構(gòu)更密實(shí)，相同壓力下的變形量更小，動(dòng)模量更大。

2.3 動(dòng)剪切強(qiáng)度分析

本文根據(jù)動(dòng)強(qiáng)度破壞原理，選定固定破壞次數(shù)下的動(dòng)強(qiáng)度作為臨界破壞狀態(tài)，以圍壓和動(dòng)強(qiáng)度作為大、小主應(yīng)力，套用摩爾庫(kù)倫定律，則可求解相應(yīng)強(qiáng)度特征值。參照靜剪切強(qiáng)度及特征參數(shù)定義，可將所得結(jié)果定義為動(dòng)態(tài)剪切強(qiáng)度及強(qiáng)度參數(shù)。

在圖4中，σ1a、σ2a、σ3a為σ1c、σ2c、σ3c動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)圍壓下的軸向破壞應(yīng)力，數(shù)值上為動(dòng)強(qiáng)度與軸向固結(jié)應(yīng)力之和。本文固結(jié)系數(shù)為1.9，選定破壞次數(shù)為10次、50次和100次下的破壞強(qiáng)度，求解摩爾庫(kù)倫圓參數(shù)如表3所示。

在表3中，摩爾庫(kù)倫圓的半徑隨著圍壓的增大而增大，隨著破壞周數(shù)的增大而減少，圓心位置也顯現(xiàn)規(guī)律性變化。依據(jù)s-t法，繪制（s，t）空間數(shù)據(jù)，進(jìn)行線性擬合，獲得試驗(yàn)土的動(dòng)強(qiáng)度特征參數(shù)（如圖5所示）。

如表4所示，隨著破壞次數(shù)的增多，內(nèi)摩擦角和粘聚力都逐漸下降，即體現(xiàn)了抗剪強(qiáng)度的下降，這種現(xiàn)象可能與多次數(shù)荷載作用下疲勞破壞導(dǎo)致的強(qiáng)度衰減有關(guān)。土體在動(dòng)力下更易破壞，而試驗(yàn)土的動(dòng)摩擦角仍高于國(guó)內(nèi)其他地區(qū)粉質(zhì)黏土及粉土靜摩擦角[10-12]，這意味著廣西典型黏土試樣在高壓下仍具有良好的動(dòng)力表現(xiàn)。

3 結(jié)語

基于廣西交通建設(shè)對(duì)常用路基填土性能的儲(chǔ)備需求，本文對(duì)廣西常用黏土進(jìn)行了動(dòng)力特性的測(cè)定，并基于摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度理論，提出了動(dòng)剪切強(qiáng)度及特征參數(shù)概念，獲得結(jié)論如下：

（1）廣西典型黏土路基材料的動(dòng)強(qiáng)度隨著破壞周數(shù)的提高而下降，隨著圍壓的增加而提高，變化規(guī)律符合已有研究。相比傳統(tǒng)動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)，采用動(dòng)應(yīng)力比可更加真實(shí)地評(píng)估土樣的動(dòng)力強(qiáng)度和破壞特征。

（2）在低應(yīng)力條件下（200 kPa），廣西典型黏土的動(dòng)模量為20～160 MPa，最大動(dòng)模量可達(dá)166.67 MPa。

（3）參照靜剪切強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)剪切強(qiáng)度和相關(guān)參數(shù)推導(dǎo)和分析是合理的。廣西典型黏土在破壞次數(shù)為10～100次時(shí)，其動(dòng)摩擦角和粘聚力分別為39.05°～43.63°，9.64～12.92 kPa。

（4）廣西典型黏土的動(dòng)摩擦角甚至高于國(guó)內(nèi)常用的粉質(zhì)黏土及粉土的靜摩擦角，這意味著其在高圍壓下仍將具有良好的動(dòng)力表現(xiàn)。

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