广西典型黏土动力特性及动剪切强度分析

谭泽文 朱文伟 黄显智 覃江涛

摘要：动力特性是路基结构设计、建设及运营维护的重要依据。文章结合广西交通建设需求，开展以广西典型黏土路基填土为研究对象的动力特性测定和动剪切强度分析，并基于试样土在低应力条件下的动强度和动模量，分析了土体的动力特性变化规律，推导了动剪切强度及相关参数，为广西交通建设中路基的性能评价提供了借鉴和指导。

关键词：路基;动力特性;动强度;动模量;动剪切强度

0 引言

“一带一路”政策和国家交通强国战略的施行推进了广西壮族自治区交通建设的加速发展。对于广西而言，岭谷相间、山地环绕，复杂的地质环境对交通基础设施建设提出了更高的要求和挑战[1]。路基是道路结构层之一，作为道路的持力层和基础支撑层，其性能好坏往往决定了道路的基本使用表现和服务功能[2]。

对于路基而言，强度和变形特征等力学特性是公路、铁路设计中的重要依据，也是预估道路使用寿命和服役特性的重要依据[3-4]。相比于静力特征，动态荷载下的动力特征更能反映路基结构在真实车辆荷载下的性能反应。目前，作为土体动荷载下的强度破坏特征和变形特性的最直接体现，动强度及动模量是道路设计、建设及运营阶段的重要评价指标。Murthy[5]等人对美国西部大孔隙素土进行动力试验，以动模量和阻尼比为重要指标评价其改良治理效果。V.C.Xenaki和G.A.Athanasopoulos[6]评估了饱和细砂土的液化强度，并详细研究了塑形纤维法降低其孔隙率提高其抗液化强度的适用性。J.Li和D.W.Ding[7]研究了小应变下土样动力特性的非线性特征，详细讨论了试验围压、循环加载次数作用下动强度和动模量的变化规律，为更准确地认识和评价动力特性提供了重要帮助。我国幅员辽阔，各类土质分布广泛，各地区的研究人员对所属地区的路基土质进行了动力性能的测定，用于指导工程建设。如中南大学贺建清、陈乐求[8-9]等人对湖南地区的泥质板岩土的动力特性、动力响应表现进行全面研究。吉林大学魏海斌、王静[10-11]以动强度和弹性模量为指标，评价了东北地区常见粉质黏土和黏土路基在冻融循环作用下的性能表现。

广西壮族自治区地处我国华南地区，其典型的黏土路基具有液塑限高、保水性强等特点，在外界动载作用下力学表现复杂。此外，剪切强度是路基填土性能评价的最常用指标。然而，目前通用的剪切强度和相关特征参数多基于静力分析，缺少动态理论下的分析方法创新，造成了土体剪切强度动力分析的空缺。

综上，为突破传统理论分析局限，丰富动力分析方法，本文开展广西典型黏土的动力特性及动剪切强度研究，为广西交通建设中的路基设计、性能评估提供借鉴和指导。

1 试验材料及方法

1.1 试验土特性

试验土为广西典型黏土，取自南宁市西乡塘区高新大道某施工现场。其颗粒密度为2.49 g/cm3，塑性指数为17.5%（塑限22.8%、液限40.3%），最大干密度和最佳含水量分别为1.98 g/cm3和15%。试验前，依照《公路土工试验规程》（JTG E40-2017）要求将土样过2 mm筛，并击实成型制成圆柱试样（直径为39.2 mm，高度为80 mm），如图1所示。

1.2 试验仪器及方案

试验采用英国GDS公司产DYNTTS型号动三轴试验系统，动强度及动模量试验标准均依据《土工试验方法标准》（GBT/50123-2019）规定步骤及要求进行。

试验前，进行试样的仪器外浸泡饱和。结合原位试验，选定固结系数为1.9，以荷载应力幅值作为控制变量，通过单侧加载方式模拟土样的真实受力状况。本文的试验荷载频率为1 Hz，试验围压分别选取50 kPa、100 kPa和200 kPa，每级围压下从小到大依次增加动应力，当土样破坏（包括液化）或纵向累积塑性应变达到5%时，结束试验。在动模量试验中，采取每级10次循环，逐级增大荷载的加载方式。

2 试验结果

2.1 动强度分析

如表1所示，试样的动强度随着围压和破坏次数的增加，分别呈现提高和降低的趋势，这一规律符合我们的预期，即高应力条件下土样的破坏动强度越高。值得注意的是，破坏动应力比与围压的变化规律与动强度相反，如围压200 kPa下破坏周数为11次的动应力比为1.88，远低于50 kPa围压下10次破坏周数的动应力比2.28。究其原因，主要是高围压导致的土体结构更为致密，对于纵向破坏应力的敏感性更低。因此，虽然动强度增大，但其真实的破坏动应力比下降。对于实际工程应用，动应力比可更加真实地体现土样的动力强度和破坏特征。

2.2 动模量

基于试验中每级动荷载下滞回圈所对应的动应力σd与动应变εd的比值，可获得轴向应变-动模量曲线，见图2。

由上述可知，三个圍压下的拟合直线的相关系数均>0.98，代表了结果的可信性。表2中，试样土的最大动模量Emax与轴向最大应力σmax随着围压的变大呈现上升趋势。究其原因，高围压下的土样结构更密实，相同压力下的变形量更小，动模量更大。

2.3 动剪切强度分析

本文根据动强度破坏原理，选定固定破坏次数下的动强度作为临界破坏状态，以围压和动强度作为大、小主应力，套用摩尔库伦定律，则可求解相应强度特征值。参照静剪切强度及特征参数定义，可将所得结果定义为动态剪切强度及强度参数。

在图4中，σ1a、σ2a、σ3a为σ1c、σ2c、σ3c动强度试验围压下的轴向破坏应力，数值上为动强度与轴向固结应力之和。本文固结系数为1.9，选定破坏次数为10次、50次和100次下的破坏强度，求解摩尔库伦圆参数如表3所示。

在表3中，摩尔库伦圆的半径随着围压的增大而增大，随着破坏周数的增大而减少，圆心位置也显现规律性变化。依据s-t法，绘制（s，t）空间数据，进行线性拟合，获得试验土的动强度特征参数（如图5所示）。

如表4所示，随着破坏次数的增多，内摩擦角和粘聚力都逐渐下降，即体现了抗剪强度的下降，这种现象可能与多次数荷载作用下疲劳破坏导致的强度衰减有关。土体在动力下更易破坏，而试验土的动摩擦角仍高于国内其他地区粉质黏土及粉土静摩擦角[10-12]，这意味着广西典型黏土试样在高压下仍具有良好的动力表现。

3 结语

基于广西交通建设对常用路基填土性能的储备需求，本文对广西常用黏土进行了动力特性的测定，并基于摩尔库伦强度理论，提出了动剪切强度及特征参数概念，获得结论如下：

（1）广西典型黏土路基材料的动强度随着破坏周数的提高而下降，随着围压的增加而提高，变化规律符合已有研究。相比传统动强度参数，采用动应力比可更加真实地评估土样的动力强度和破坏特征。

（2）在低应力条件下（200 kPa），广西典型黏土的动模量为20～160 MPa，最大动模量可达166.67 MPa。

（3）参照静剪切强度的动态剪切强度和相关参数推导和分析是合理的。广西典型黏土在破坏次数为10～100次时，其动摩擦角和粘聚力分别为39.05°～43.63°，9.64～12.92 kPa。

（4）广西典型黏土的动摩擦角甚至高于国内常用的粉质黏土及粉土的静摩擦角，这意味着其在高围压下仍将具有良好的动力表现。

参考文献：

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[2]黄晓明.路基工程[M].北京：人民交通出版社，2017.

[3]Pantazopoulos I.A.，Atmatzidis D.K.Dynamic properties of microfine cement grouted sands[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2012（42）：17-31.

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