王鵬程 徐安花

(1.青海大學(xué)土木工程學(xué)院 西寧 810016;2.青海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 西寧 810016)

引 言

隨著國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略和西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，內(nèi)陸鹽漬土地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求日益加大，交通荷載作用下鹽漬土地區(qū)的道路病害頻發(fā)已引起學(xué)者們的密切關(guān)注，同時(shí)也成為交通巖土中的熱點(diǎn)與難點(diǎn)問(wèn)題[1-4]。與地震荷載相比，交通荷載有一個(gè)很突出的特征就是循環(huán)次數(shù)多，可以達(dá)到上百萬(wàn)次。土體在遭受循環(huán)往復(fù)的振動(dòng)加載后，其動(dòng)力特性會(huì)發(fā)生改變，隨后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)明顯差異。目前對(duì)交通荷載作用下土體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究，主要針對(duì)持續(xù)性的恒定動(dòng)荷載或多級(jí)動(dòng)荷載作用下土體動(dòng)力特性變化規(guī)律。趙福堂等[5-6]通過(guò)開(kāi)展多級(jí)循環(huán)荷載作用下的動(dòng)三軸試驗(yàn)，探究了季凍區(qū)路基鹽漬土的動(dòng)強(qiáng)度特性，并從微觀角度分析了不同循環(huán)應(yīng)力比和振動(dòng)頻率作用下土體的破壞機(jī)理，發(fā)現(xiàn)圍壓和溫度對(duì)動(dòng)強(qiáng)度的影響較強(qiáng)，頻率的影響較弱。王耐賀等[7]分析了硫酸鹽漬土在雙向循環(huán)荷載作用下的動(dòng)力特性，研究了不同試驗(yàn)條件下鹽漬土的極限破壞振次及變化原因。

事實(shí)上，道路上行駛的車輛并不是持續(xù)不斷的，交通荷載的作用也不是均勻分布的，而是某一段時(shí)間里荷載比較集中，其余時(shí)間可能比較少，也就是說(shuō)土體在經(jīng)歷某一時(shí)段的振動(dòng)荷載后，會(huì)出現(xiàn)停振，然后又會(huì)繼續(xù)振動(dòng)。因此，探究分階段荷載作用下土體的動(dòng)力特性變化與路面實(shí)際的使用情況更接近，也更具參考價(jià)值。董超等[8]采用分階段加載的方式，探究了循環(huán)荷載和排水條件對(duì)溫州黏土動(dòng)力特性的影響，并發(fā)現(xiàn)應(yīng)變和孔隙壓力在第一階段增長(zhǎng)迅速，隨后的階段增長(zhǎng)速度減慢。李亞峰等[9]開(kāi)展多種試驗(yàn)條件下持續(xù)性與間歇性加載的動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究了不同加載方式下細(xì)粒土的孔壓、回彈模量等參數(shù)的變化規(guī)律，表明土體因停振階段的存在，內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以及時(shí)調(diào)整，后續(xù)荷載的承受能力有所提高。丁建宇等[10]在排水條件下開(kāi)展階段性加載試驗(yàn)，表明孔壓會(huì)由大到小變化，停振期的累積應(yīng)變會(huì)隨著階段數(shù)的增加而減小，動(dòng)應(yīng)力也是如此。

本文對(duì)過(guò)氯鹽漬土開(kāi)展持續(xù)性和分階段的循環(huán)加載試驗(yàn)，考慮到加載瞬間土體不能及時(shí)固結(jié)排水，因此采用不固結(jié)不排水(UU)試驗(yàn)，研究過(guò)鹽漬土在不同加載方式下的累積應(yīng)變與動(dòng)剪切模量發(fā)展規(guī)律，對(duì)比研究持續(xù)性加載與分階段加載對(duì)鹽漬土動(dòng)力特性的影響。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 鹽漬土物理性質(zhì)

本次試驗(yàn)所用土樣采自國(guó)道215線澀北至察爾汗段公路路基修筑現(xiàn)場(chǎng)，取樣樁號(hào)K113+832。根據(jù)JTG E40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[11]進(jìn)行界限含水率、顆粒分析等基本物理試驗(yàn)，得到其最大干密度為1.81g/cm3，最優(yōu)含水率為5.20%，液塑限分別為20.47%、7.44%。通過(guò)離子色譜法測(cè)得試驗(yàn)土樣總含鹽量為29.97%，Cl-與SO42-的比值為28.05>8>2，根據(jù)《鹽漬土地區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工指南》[12]，可知試驗(yàn)土樣為氯鹽類過(guò)鹽漬土。

1.2 試樣制備

將現(xiàn)場(chǎng)取回的土樣在105℃溫度下烘干8h，碾碎并過(guò)2mm篩，然后以最大干密度和最優(yōu)含水率分別計(jì)算出所需土樣的質(zhì)量和水的質(zhì)量，配制出所需材料，密封保存在相應(yīng)容器中12h后，采用三瓣模分5次擊實(shí)制得重塑試樣，試樣為直徑39.1mm、高度80mm的圓柱體。

1.3 試驗(yàn)儀器

采用英國(guó)GDS雙向動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)GDSLAB軟件進(jìn)行試驗(yàn)操控，數(shù)據(jù)采集均由儀器配備的數(shù)據(jù)采集和數(shù)字控制系統(tǒng)自動(dòng)完成，系統(tǒng)穩(wěn)定、測(cè)試精度高。試驗(yàn)儀器如圖1所示。

圖1 GDS雙向動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)

1.4 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)圍壓設(shè)定為100kPa、200kPa、300kPa、400kPa、500kPa，振動(dòng)頻率設(shè)定為1.0Hz，試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。選用正弦波模擬現(xiàn)場(chǎng)交通實(shí)際循環(huán)荷載，并作為動(dòng)三軸試驗(yàn)的動(dòng)力荷載，振動(dòng)幅值σd設(shè)定為20kPa。試驗(yàn)分兩種方式：(1)持續(xù)性加載，每個(gè)試樣連續(xù)加載5000次，加載示意圖如圖2(a)所示；(2)分階段加載，振動(dòng)8min，停振8min，然后繼續(xù)振動(dòng)，每個(gè)試樣共進(jìn)行5個(gè)階段的加載-停振試驗(yàn)，加載示意圖如圖2(b)所示。當(dāng)試樣振動(dòng)次數(shù)達(dá)到5000次后試驗(yàn)終止[13]。

表1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

圖2 動(dòng)力加載示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 持續(xù)性加載結(jié)果分析

交通荷載作用下過(guò)鹽漬土累積應(yīng)變?cè)诔掷m(xù)性加載下隨圍壓的發(fā)展形態(tài)如圖3所示。由圖可見(jiàn)，隨著振動(dòng)次數(shù)的不斷增加，過(guò)鹽漬土的累積應(yīng)變均呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)并逐步收斂的趨勢(shì)，加載初期增長(zhǎng)速率較大，后期增長(zhǎng)速度逐漸緩慢。同時(shí)也可以看出，圍壓越大，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)越快，最終的累積應(yīng)變會(huì)越大。這是因?yàn)樵谳^小圍壓下，土樣產(chǎn)生的初始剪切位移較大，變形比較困難，交通荷載作用下的累積應(yīng)變也就較小。

圖3 持續(xù)性加載累積應(yīng)變發(fā)展曲線

由動(dòng)三軸試驗(yàn)可以繪制動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變的關(guān)系曲線，在假定泊松比的前提下，可得到動(dòng)彈性模量[14]。其中，動(dòng)彈性模量Ed的計(jì)算如式(1)：

(1)

進(jìn)一步，動(dòng)剪切模量可表示為式(2)：

(2)

式中：σd、εd分別為同一循環(huán)荷載下的軸向動(dòng)應(yīng)力和軸向動(dòng)應(yīng)變；μ為動(dòng)泊松比，根據(jù)徐學(xué)燕等[15]的研究，取為0.30。

持續(xù)性加載下動(dòng)剪切模量隨動(dòng)應(yīng)變的變化關(guān)系曲線如圖4所示，分析可知，在交通荷載作用下，過(guò)鹽漬土動(dòng)剪切模量隨動(dòng)應(yīng)變的增加而減小，加載初期減小速率較快，后期減小速率逐漸減低。由于土樣在重塑過(guò)程中形成的結(jié)構(gòu)骨架具有較強(qiáng)的抵抗剪切變形能力，因此表現(xiàn)為交通荷載加載初期在較小的動(dòng)應(yīng)變下有較大的動(dòng)剪切模量，而隨著動(dòng)應(yīng)變的增加，骨架逐漸被破壞，動(dòng)剪切模量迅速減?。浑S著荷載的持續(xù)加載，動(dòng)應(yīng)變不斷增加，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，土顆粒排列重組形成的再生結(jié)構(gòu)使得動(dòng)剪切模量在后期變化逐漸減小。

從圖中也可以看出，動(dòng)剪切模量隨著圍壓的增加而不斷增大。試樣在較大圍壓下，孔隙比會(huì)逐漸減小，土顆粒之間的接觸更為緊密，土顆粒之間的咬合力和黏結(jié)力增大，抵抗剪切變形能力不斷增強(qiáng)，動(dòng)剪切模量逐漸增大。

2.2 分階段加載結(jié)果分析

分階段加載下累積應(yīng)變的發(fā)展形態(tài)如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn)，分階段加載下累積應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律與持續(xù)性加載相似，累積應(yīng)變隨圍壓的增加而增大，但是由于停振階段的存在，后續(xù)加載階段的累積應(yīng)變有所降低。在分階段加載條件下，第1階段的累積應(yīng)變迅速增大，停振階段應(yīng)變不發(fā)生變化，后續(xù)振動(dòng)過(guò)程中應(yīng)變繼續(xù)增大，但是增大幅度越來(lái)越小。這是因?yàn)?，由于分階段加載給予試樣的卸載作用，孔隙水雖不能及時(shí)排出，但是停振期內(nèi)，荷載作用下產(chǎn)生的殘余應(yīng)變逐漸恢復(fù)，振動(dòng)階段數(shù)越多，可恢復(fù)的殘余應(yīng)變?cè)絹?lái)越多，土體顆粒結(jié)構(gòu)及時(shí)重新調(diào)整，承受荷載的能力有所提高。同時(shí)，停振也可以減緩后期加載過(guò)程中累積應(yīng)變的發(fā)展，試樣的累積總應(yīng)變就會(huì)減小。

圖4 持續(xù)性加載下的動(dòng)剪切模量 圖5 分階段加載下累積應(yīng)變發(fā)展曲線

分階段加載下動(dòng)剪切模量隨動(dòng)應(yīng)變的變化關(guān)系曲線如圖6所示，由圖可知，分階段加載條件下，動(dòng)剪切模量仍然隨動(dòng)應(yīng)變的增大而減小，但卻未呈現(xiàn)隨圍壓的增加逐漸增大的趨勢(shì)，這與持續(xù)性加載是有明顯區(qū)別的。第1階段的動(dòng)剪切模量數(shù)值較大，停振階段持續(xù)減小，在經(jīng)歷一次停振后，動(dòng)剪切模量迅速減小，階段數(shù)越大，動(dòng)剪切模量的減小速率越小。因?yàn)檎駝?dòng)期間，土體產(chǎn)生的變形沒(méi)有充足的時(shí)間去恢復(fù)，但停振以后，由于土體本身的塑性，部分變形會(huì)恢復(fù)，隨著階段數(shù)的增多，土體能夠抵抗變形的能力逐漸增強(qiáng)，動(dòng)剪切模量衰減速度降低。

圖7給出了持續(xù)性加載與分階段加載條件下累積應(yīng)變的變化曲線，可知在兩種加載方式下，試樣未出現(xiàn)破壞，最終均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在圍壓為100kPa、200kPa和300kPa下，分階段加載的累積應(yīng)變小于持續(xù)性加載，而在400kPa、500kPa下卻截然相反。究其原因，主要是因?yàn)樵谳^小圍壓下，停振階段可以起到緩沖作用，部分變形可以得到恢復(fù)，而在較大圍壓下，圍壓對(duì)土體的擠密作用較強(qiáng)，停振后，土體的變形仍然被束縛，不能夠及時(shí)恢復(fù)，因此表現(xiàn)為較小圍壓下，持續(xù)性加載的累積應(yīng)變大；而在較大圍壓下，分階段加載的累積變形大。

圖6 分階段加載下的動(dòng)剪切模量 圖7 不同加載方式下的累積應(yīng)變

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)國(guó)道215線澀北至察爾汗段公路所用鹽漬土開(kāi)展兩種不同加載方式下的動(dòng)三軸試驗(yàn)，分析了不同加載方式下累積應(yīng)變與動(dòng)剪切模量的變化規(guī)律，對(duì)比分析了兩種加載方式下土樣累積應(yīng)變出現(xiàn)差異的原因，得到主要結(jié)論如下：

(1)持續(xù)性加載條件下，土樣的累積變形增長(zhǎng)迅速，最終趨于穩(wěn)定。動(dòng)剪切模量隨動(dòng)應(yīng)變的增大逐漸減小，隨圍壓的增大而增大。

(2)分階段加載條件下，土樣的累積變形在第1階段增長(zhǎng)迅速，停振期不發(fā)生變化，后續(xù)階段變形繼續(xù)增大，但是增大幅度隨階段數(shù)的增大而減小。動(dòng)剪切模量隨動(dòng)應(yīng)變的增大而減小，隨圍壓的變化規(guī)律不明顯；停振期內(nèi)，動(dòng)剪切模量會(huì)急劇降低，但在下一階段振動(dòng)時(shí)又有所恢復(fù)。

(3)持續(xù)性加載和分階段加載下試樣未出現(xiàn)明顯的破壞，逐漸達(dá)到壓密穩(wěn)定狀態(tài)。較小圍壓下，持續(xù)性加載的累積應(yīng)變大，而較大圍壓下，分階段加載的累積應(yīng)變大。因此，可以看出分階段加載對(duì)鹽漬土動(dòng)力特性的影響比較明顯，在開(kāi)展研究時(shí)考慮停振階段可以更準(zhǔn)確地揭示交通荷載對(duì)鹽漬土路基的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，得到更貼近實(shí)際的試驗(yàn)結(jié)果。