分阶段交通荷载作用下盐渍土动力特性研究

王鹏程 徐安花

(1.青海大学土木工程学院 西宁 810016;2.青海交通职业技术学院 西宁 810016)

引 言

随着国家“一带一路”战略和西部地区经济的不断发展，内陆盐渍土地区基础设施建设的需求日益加大，交通荷载作用下盐渍土地区的道路病害频发已引起学者们的密切关注，同时也成为交通岩土中的热点与难点问题[1-4]。与地震荷载相比，交通荷载有一个很突出的特征就是循环次数多，可以达到上百万次。土体在遭受循环往复的振动加载后，其动力特性会发生改变，随后的动态响应会出现明显差异。目前对交通荷载作用下土体动力学问题的研究，主要针对持续性的恒定动荷载或多级动荷载作用下土体动力特性变化规律。赵福堂等[5-6]通过开展多级循环荷载作用下的动三轴试验，探究了季冻区路基盐渍土的动强度特性，并从微观角度分析了不同循环应力比和振动频率作用下土体的破坏机理，发现围压和温度对动强度的影响较强，频率的影响较弱。王耐贺等[7]分析了硫酸盐渍土在双向循环荷载作用下的动力特性，研究了不同试验条件下盐渍土的极限破坏振次及变化原因。

事实上，道路上行驶的车辆并不是持续不断的，交通荷载的作用也不是均匀分布的，而是某一段时间里荷载比较集中，其余时间可能比较少，也就是说土体在经历某一时段的振动荷载后，会出现停振，然后又会继续振动。因此，探究分阶段荷载作用下土体的动力特性变化与路面实际的使用情况更接近，也更具参考价值。董超等[8]采用分阶段加载的方式，探究了循环荷载和排水条件对温州黏土动力特性的影响，并发现应变和孔隙压力在第一阶段增长迅速，随后的阶段增长速度减慢。李亚峰等[9]开展多种试验条件下持续性与间歇性加载的动三轴试验，研究了不同加载方式下细粒土的孔压、回弹模量等参数的变化规律，表明土体因停振阶段的存在，内部结构可以及时调整，后续荷载的承受能力有所提高。丁建宇等[10]在排水条件下开展阶段性加载试验，表明孔压会由大到小变化，停振期的累积应变会随着阶段数的增加而减小，动应力也是如此。

本文对过氯盐渍土开展持续性和分阶段的循环加载试验，考虑到加载瞬间土体不能及时固结排水，因此采用不固结不排水(UU)试验，研究过盐渍土在不同加载方式下的累积应变与动剪切模量发展规律，对比研究持续性加载与分阶段加载对盐渍土动力特性的影响。

1 试验简介

1.1 盐渍土物理性质

本次试验所用土样采自国道215线涩北至察尔汗段公路路基修筑现场，取样桩号K113+832。根据JTG E40-2007《公路土工试验规程》[11]进行界限含水率、颗粒分析等基本物理试验，得到其最大干密度为1.81g/cm3，最优含水率为5.20%，液塑限分别为20.47%、7.44%。通过离子色谱法测得试验土样总含盐量为29.97%，Cl-与SO42-的比值为28.05>8>2，根据《盐渍土地区公路设计与施工指南》[12]，可知试验土样为氯盐类过盐渍土。

1.2 试样制备

将现场取回的土样在105℃温度下烘干8h，碾碎并过2mm筛，然后以最大干密度和最优含水率分别计算出所需土样的质量和水的质量，配制出所需材料，密封保存在相应容器中12h后，采用三瓣模分5次击实制得重塑试样，试样为直径39.1mm、高度80mm的圆柱体。

1.3 试验仪器

采用英国GDS双向动态三轴试验系统，通过GDSLAB软件进行试验操控，数据采集均由仪器配备的数据采集和数字控制系统自动完成，系统稳定、测试精度高。试验仪器如图1所示。

图1 GDS双向动态三轴试验系统

1.4 试验方案

本次试验围压设定为100kPa、200kPa、300kPa、400kPa、500kPa，振动频率设定为1.0Hz，试验方案见表1。选用正弦波模拟现场交通实际循环荷载，并作为动三轴试验的动力荷载，振动幅值σd设定为20kPa。试验分两种方式：(1)持续性加载，每个试样连续加载5000次，加载示意图如图2(a)所示；(2)分阶段加载，振动8min，停振8min，然后继续振动，每个试样共进行5个阶段的加载-停振试验，加载示意图如图2(b)所示。当试样振动次数达到5000次后试验终止[13]。

表1 试验方案设计

图2 动力加载示意图

2 试验结果与分析

2.1 持续性加载结果分析

交通荷载作用下过盐渍土累积应变在持续性加载下随围压的发展形态如图3所示。由图可见，随着振动次数的不断增加，过盐渍土的累积应变均呈现持续增长并逐步收敛的趋势，加载初期增长速率较大，后期增长速度逐渐缓慢。同时也可以看出，围压越大，应变增长越快，最终的累积应变会越大。这是因为在较小围压下，土样产生的初始剪切位移较大，变形比较困难，交通荷载作用下的累积应变也就较小。

图3 持续性加载累积应变发展曲线

由动三轴试验可以绘制动应力-动应变的关系曲线，在假定泊松比的前提下，可得到动弹性模量[14]。其中，动弹性模量Ed的计算如式(1)：

(1)

进一步，动剪切模量可表示为式(2)：

(2)

式中：σd、εd分别为同一循环荷载下的轴向动应力和轴向动应变；μ为动泊松比，根据徐学燕等[15]的研究，取为0.30。

持续性加载下动剪切模量随动应变的变化关系曲线如图4所示，分析可知，在交通荷载作用下，过盐渍土动剪切模量随动应变的增加而减小，加载初期减小速率较快，后期减小速率逐渐减低。由于土样在重塑过程中形成的结构骨架具有较强的抵抗剪切变形能力，因此表现为交通荷载加载初期在较小的动应变下有较大的动剪切模量，而随着动应变的增加，骨架逐渐被破坏，动剪切模量迅速减小；随着荷载的持续加载，动应变不断增加，土体结构发生改变，土颗粒排列重组形成的再生结构使得动剪切模量在后期变化逐渐减小。

从图中也可以看出，动剪切模量随着围压的增加而不断增大。试样在较大围压下，孔隙比会逐渐减小，土颗粒之间的接触更为紧密，土颗粒之间的咬合力和黏结力增大，抵抗剪切变形能力不断增强，动剪切模量逐渐增大。

2.2 分阶段加载结果分析

分阶段加载下累积应变的发展形态如图5所示。可以发现，分阶段加载下累积应变的发展规律与持续性加载相似，累积应变随围压的增加而增大，但是由于停振阶段的存在，后续加载阶段的累积应变有所降低。在分阶段加载条件下，第1阶段的累积应变迅速增大，停振阶段应变不发生变化，后续振动过程中应变继续增大，但是增大幅度越来越小。这是因为，由于分阶段加载给予试样的卸载作用，孔隙水虽不能及时排出，但是停振期内，荷载作用下产生的残余应变逐渐恢复，振动阶段数越多，可恢复的残余应变越来越多，土体颗粒结构及时重新调整，承受荷载的能力有所提高。同时，停振也可以减缓后期加载过程中累积应变的发展，试样的累积总应变就会减小。

图4 持续性加载下的动剪切模量 图5 分阶段加载下累积应变发展曲线

分阶段加载下动剪切模量随动应变的变化关系曲线如图6所示，由图可知，分阶段加载条件下，动剪切模量仍然随动应变的增大而减小，但却未呈现随围压的增加逐渐增大的趋势，这与持续性加载是有明显区别的。第1阶段的动剪切模量数值较大，停振阶段持续减小，在经历一次停振后，动剪切模量迅速减小，阶段数越大，动剪切模量的减小速率越小。因为振动期间，土体产生的变形没有充足的时间去恢复，但停振以后，由于土体本身的塑性，部分变形会恢复，随着阶段数的增多，土体能够抵抗变形的能力逐渐增强，动剪切模量衰减速度降低。

图7给出了持续性加载与分阶段加载条件下累积应变的变化曲线，可知在两种加载方式下，试样未出现破坏，最终均达到稳定状态。在围压为100kPa、200kPa和300kPa下，分阶段加载的累积应变小于持续性加载，而在400kPa、500kPa下却截然相反。究其原因，主要是因为在较小围压下，停振阶段可以起到缓冲作用，部分变形可以得到恢复，而在较大围压下，围压对土体的挤密作用较强，停振后，土体的变形仍然被束缚，不能够及时恢复，因此表现为较小围压下，持续性加载的累积应变大；而在较大围压下，分阶段加载的累积变形大。

图6 分阶段加载下的动剪切模量 图7 不同加载方式下的累积应变

3 结 论

通过对国道215线涩北至察尔汗段公路所用盐渍土开展两种不同加载方式下的动三轴试验，分析了不同加载方式下累积应变与动剪切模量的变化规律，对比分析了两种加载方式下土样累积应变出现差异的原因，得到主要结论如下：

(1)持续性加载条件下，土样的累积变形增长迅速，最终趋于稳定。动剪切模量随动应变的增大逐渐减小，随围压的增大而增大。

(2)分阶段加载条件下，土样的累积变形在第1阶段增长迅速，停振期不发生变化，后续阶段变形继续增大，但是增大幅度随阶段数的增大而减小。动剪切模量随动应变的增大而减小，随围压的变化规律不明显；停振期内，动剪切模量会急剧降低，但在下一阶段振动时又有所恢复。

(3)持续性加载和分阶段加载下试样未出现明显的破坏，逐渐达到压密稳定状态。较小围压下，持续性加载的累积应变大，而较大围压下，分阶段加载的累积应变大。因此，可以看出分阶段加载对盐渍土动力特性的影响比较明显，在开展研究时考虑停振阶段可以更准确地揭示交通荷载对盐渍土路基的动态效应，得到更贴近实际的试验结果。