应力加载路径对风积沙的临界动应力影响研究

王婧+刘大鹏+张红伟

摘要： 利用动三轴试验研究了新疆风积沙在不同试样分别加载和同一试样分级加载两种应力路径下的临界动应力。通过对试验结果分析得出两种应力路径作用下的曲线均可分为三种类型：衰减型、临界型和破坏型。动应力不同时，分级加载与分别加载的累积塑性应变一般也不相同，分级加载时风积沙的临界动应力比分别加载时的临界动应力高10kPa左右，因此进行动力特性测试时，为了保证研究成果的准确性，应选择合适的应力加载路径。

Abstract： The critical dynamic stress of aeolian sand in Xinjiang was studied by using two different loading paths，one is respectively loading on different samples，the other is multi-stage loading on one sample. The curves of the two kinds of stress paths can be divided into three types： attenuation type，critical type and failure type. The cumulative plastic strain is not the same when dynamic stress is different in the case of two stress paths. The critical dynamic stress of multi-stage loading is 10kPa more than respectively loading. In order to ensure the accuracy of the research results， appropriate stress loading paths should be chosen.

关键词： 风积沙；应力路径；临界动应力；试验研究

Key words： aeolian sand；loading path；critical dynamic stress；experimental study

中图分类号：TU43 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）31-0118-03

0 引言

风积沙是新疆荒沙漠地区公路常用的路基填料，以往的设计都是基于静态参数，易导致路基早期病害的出现，特别是采用低路堤方案时，因此有必要对风积沙的动力特性进行研究，对于新疆风积沙的动力特性研究方面，刘大鹏等[1]研究了风积沙在循环荷载作用下的变形特性。土的临界动应力是土的动力特性的一个重要指标，对于土的临界动应力，很多学者进行了相关的研究工作，并取得了丰硕的研究成果。关彦斌等[2]研究了压实粉土的临界动应力，肖军华等[3]研究了路基压实粉土的临界动应力，刘晓红等[4]采用动三轴试验研究了原状结构红粘土的临界动应力。上述研究在进行动三轴试验确定土体的临界动应力和变形特性时，没有考虑应力加载路径的影响，从而会导致试验结果的准确性较差，而在进行数值模拟和其他计算中需要准确的参数，因此需要考虑应力加载路径的影响。

为了探明应力加载路径对土体动力特性的影响，特别是对临界动应力的影响，本文采用新疆某高速公路路基填料取土场的风积沙进行了动三轴试验，研究了不同试样分别加载和同一试样分级加载两种应力路径下的临界动应力，得出了应力路径对风积沙临界动应力的影响规律。

1 试验材料及试验仪器

1.1 试验材料

试验材料选用风积沙，取自新疆某高速公路某路基填料取土场，风积沙的基本物理力学性质已通过相应的试验确定，如表1所示。

1.2 试验仪器

试验仪器采用空心圆柱扭剪试验仪。主要包括三大系统：压力控制系统、数据采集系统和主机设备。压力控制系统主要进行围压、轴压和反压的设置；数据采集系统主要包括采集设备和GDSLAB软件，在试验过程中自动记录相关试验数据；主机设备可进行轴向和径向双向加载，轴向加载范围为0～10kN，频率变化范围为0～2Hz，加载波形可根据试验要求选取或采用用户自定义波形。该仪器可以进行动态真三轴试验，空心圆柱扭剪试验仪如图1所示。

1.3 试样

采用专门的制样设备制作重塑试样，试样含水率为12%（最佳含水率），压实度为96%，试样尺寸为100×200（mm）。制作试样时，分三层进行，称取一层土的质量，然后放入制样设备，通过专用设备压实。为了保证层与层之间连接，在放入上层土前，将下层土表面拉毛。

2 试验方案

交通荷载传递到路基的应力变化规律为：当交通荷载接近特定点时，该点受到的应力从无到有，从零变化到最大值，而后交通荷载远离该点，荷载从最大值逐渐减小，当达到一定距离时，该点受到的应力重新变为零，符合半正弦波的特征，因此本试验中加载波形选用半正弦波。通过编制波形程序加载到相应模块，即可实现半正弦波的加载。同时考虑交通荷载和路基的实际情况，确定围压和荷载作用频率。共采用7组试样，对前6组试样，每组只施加一种类型的动应力，对第7组试样施加6种不同的动应力，具体试验方案如表2所示。

3 试验结果

对于风积沙路基来说先承受较小的动应力然后再承受较大的动应力，可以提高其动应力，对保持路基的长期动力稳定性具有积极的意义。

4 结论

①不同应力加载路径时，风积沙的？着p-N关系曲线类型均有三种：衰减型、临界型和稳定型。

②当动应力小于临界动应力，循环次数一定时，分级加载的累积塑形应变小于分别加载时的累积塑形应变。

③对同一试样分级加载时得到的临界动应力比对不同试样分别加载得到的临界动应力要大，因此在进行动三轴试验时，要根据试验要求选择合适的应力加载路径。

④为了保持路基的长期动力稳定性，道路修建完成后可以先采用较小的动应力进行预压。

参考文献：

[1]刘大鹏，杨晓华，王永威.风积沙在循环荷载作用下的变形特性试验研究[J].武汉理工大学学报，2014，3（6）：103-108.

[2]关彦斌，肖军华，陈建国.动荷载下压实粉土的动力特性[J]. 交通运输工程学报，2009，9（2）：28-31.

[3]肖军华.动荷载下路基压实粉土的临界应力与应变水平[J]. 水文地质工程地质，2010，37（5）：61-66.

[4]刘晓红， 杨果林，方薇.红黏土临界动应力与高铁无碴轨道路堑基床换填厚度[J].岩土工程学报，2011，33（3）：348-3533.

[5]刘增荣，王鑫，张柯，等.黄土在地铁列车荷载作用下的临界动应力比及动应变发展模型的试验研究[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），2010，42（6）：761-767.

[6]董城，冷伍明，李志勇，等.重复荷载作用下粉性路基土累积塑性变形研究[J].岩土力学，2014，35（12）：3437-3442.

[7]陈能，肖宏彬，李珍玉，等.应力路径对根-土复合体抗剪强度的影响[J].公路工程，2015，40（3）：19-24.