中砂类B组路基土静力特性试验分析*

(1. 沈阳建筑大学 土木工程学院， 沈阳 110168； 2. 辽宁有色勘察研究院 试验检测中心， 沈阳 110013)

中砂类B组路基土静力特性试验分析*

赵俭斌1， 张玉杰1， 刘 潇1， 李 伟2， 张 学1

(1. 沈阳建筑大学 土木工程学院， 沈阳 110168； 2. 辽宁有色勘察研究院 试验检测中心， 沈阳 110013)

为了研究中砂类B组路基土的静力特性，在了解其物理特性的基础上，采用中砂及粉质黏土配置了4种不同细粒含量的中砂类B组土，根据常规三轴压缩试验研究了围压和细粒含量对试验土体应力-应变关系及静强度的影响.结果表明，在相同细粒含量条件下，随着围压的增大，试样的应力-应变曲线上升显著，在同一应变值时，应力相差较大，且150 kPa的曲线应力差值最为明显；在相同围压条件下，细粒含量对应力-应变曲线的影响不明显，细粒含量低于30%时，应力-应变曲线走势几乎一致，应变增大的同时应力提高.

中砂类B组土； 静力特性； 三轴压缩试验； 围压； 细粒含量； 应力-应变曲线； 静强度； 路基土

近年来，随着我国经济建设的不断发展，铁路的建设规模不断壮大，高铁项目成为铁路交通的主要发展路线，然而，鉴于高铁运输速度及载重的因素，对路基的整体性以及路基填料的力学性能提出了更高的要求.由于路基作为铁路构造的重要组成部分，既承受着自身的岩土自重和路面重力，又受路面传来行车荷载的影响.根据现有经验，车辆跑动时土中应力约为车辆静止时的三倍，因此，在注重地基静强度的同时，应更加注重高速铁路产生的行车荷载的影响.

目前，国内外许多学者对土体的动力特性进行了大量的理论分析、现场测试和室内试验等，Stavnitser等[1]利用共振吸收系数的测定方法描述土的阻尼特性，并开展了一系列试验来分析土的共振特性影响因素；屈畅姿[2]采用等效非线性本构关系建立了武广高速铁路路基典型剖面的有限元分析模型，计算了不同动力计算参数取值组合工况下的路基动响应，同时对影响路基动响应的动力计算参数进行了分析；刘潇等[3]通过一系列动三轴试验，对比分析了饱和尾矿砂在单双向振动不同作用下的滞回曲线和骨架曲线的差异，并提出用单向振动来替换双向振动的适用条件.综上所述，国内外许多学者[4-12]对土体在循环荷载作用下的动力特性已经进行了大量的理论分析及试验，积累了大量的经验，取得了许多重要的结论和成果，但对中砂类B组土体的静力学特性试验研究还相对较少.

因此，本文以京沈高速铁路沿线广泛存在的中砂类B组土为研究对象，应用DSC2000多功能三轴试验系统对中砂类B组土的静力学特性进行了试验研究.同时，根据围压及细粒含量等参数对土样进行了常规三轴压缩试验，研究了围压和细粒含量对试验土体应力-应变关系以及土体静强度的影响，深入分析了细粒含量对静强度影响规律及细粒含量和围压大小对土体静强度产生影响的原因.同时应用Konder提出的双曲线模型建立了土体应力-应变关系模型，该研究成果为中砂类B组土的工程应用提供了理论依据和数据支持.

1 试验概况

1.1 试验设计

本文采用应变控制模式进行固结排水剪切试验，考虑到试样属于中砂土，故采用的剪切速率为0.03 mm/min，并在试验过程中对孔压进行监控，数据表明，在此过程中产生了极小的孔压，其值均在5 kPa以下，因此认为此剪切速率合理，试验数据由仪器自动采集，具体试验安排如表1所示.

表1 常规三轴试验方案Tab.1 Conventional triaxial test scheme

1.2 试验土样及制备方法

本文采用的土样基本性质及物理指标如表2所示.细粒按15%、25%、30%、40%的含量配置土样，对于四种细粒含量的土样分别按95%的压实度控制干密度，并按6.1%、7.5%、8%、9.5%最优含水率加蒸馏水拌匀浸润一昼夜，之后利用三瓣饱和器分四层击实而成，试样高度H=80 mm，直径D=39.1 mm.具体的颗粒级配曲线和土样击实曲线如图1、2所示.

表2 土样基本性质及物理指标Tab.2 Basic nature and physical indices of soil

1.3 试验过程

本试验分为5步进行，即试样安装、饱和阶段、固结阶段、加载阶段和结束试验.试验安装时，首先把橡皮膜套在承模筒内，两端翻贴出筒外，对着吸气孔吸气，使膜紧贴承模筒内壁上，然后套在试样外，翻起橡皮膜的两端，分别在试样两端依次放上过滤纸和透水石，之后取出承模筒，并用橡皮圈将包裹着土样的橡皮膜两端分别扎紧在压力室底座和试样帽上.对于饱和阶段，采用了水头饱和法以及反压饱和法的方式进行饱和，在压力室注满无气水后打开进水阀门以及排水阀门进行水头饱和，一般情况下水头饱和时间为6 h.水头饱和完成后进行加反压饱和，通过逐步增大反压，试样逐渐接近饱和状态，通常，当反压达到190 kPa时，试样的孔压系数可达到0.95以上.饱和阶段完成之后，打开排水阀，使试样排水固结，研究中采用等压固结，根据京沈铁路沿线基床填筑范围为3～7 m，以3 m为例，填筑重度以20 kN/m3计，可计算出地基表层竖向土压力为60 kPa，依此类推，选取60、100、150 kPa为试验典型围压值.砂土固结时间比较快，固结10 min后，其排水量变化小于0.1 cm3，因此，控制固结时间为0.5 h.当固结完成后，施加所需的围压，开始加载，试验采用应变控制，并观察加载过程中的应力-应变曲线.试验结束后，卸去围压以及轴向荷载，取下试样，冲洗仪器.

图1 土样颗粒级配曲线Fig.1 Particle size distribution curves of soil

2 路基土应力-应变关系

为了探讨应力-应变曲线的关系，本文根据围压及细粒含量两种参数的变化进行研究.

图2 不同细粒含量土样击实曲线Fig.2 Compaction curves of soil withdifferent fine particle contents

2.1 围压的影响

图3为某一细粒含量的土样在不同围压条件下的应力-应变关系曲线，横轴为应变，纵轴为应力的差值.由图3可知，在相同细粒含量条件下，围压对试样应力-应变曲线的影响非常明显.随着围压的增大，试样的应力-应变曲线上升显著，在同一应变值时，应力相差较大，尤其150 kPa的曲线应力差值更加明显.同时，初始模量随着围压的增大而增大，说明试样抵御变形的能力增强，应力-应变曲线呈现应变硬化型.随着应变的增大，应力逐渐增大，没有明显的峰值点，说明试样呈现塑性破坏，同时，应力-应变关系近似符合双曲线形状.

图3 不同围压下土样应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves at different confining pressure

2.2 细粒含量的影响

图4为不同细粒含量的土样在不同细粒含量条件下的应力-应变关系曲线.由图4可知，在相同围压条件下，细粒含量对应力-应变曲线的影响不明显.细粒含量低于30%时，应力-应变曲线的走势几乎一致，应变增大的同时应力提高.当细粒含量达到40%时，试样应力-应变曲线下移较大，同时，初期模量在相同应变值时，应力相差较大，说明试样抵御变形的能力大幅减弱，但试样的破坏依然呈现出塑性破坏的形态，即应变硬化型曲线.

图4 不同细粒含量试样应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of samples withdifferent fine particle contents

3 路基土静强度分析

3.1 静强度与围压的关系

图5为抗剪强度与围压关系曲线.试验土样的静强度与围压值呈现出良好的线性关系.细粒含量为15%的试样与30%的试样直线斜率相近，随着围压值的增大，抗剪强度也随之增大，呈平行状态，如图5a所示，说明增大的围压压密试样使试样孔隙变小，因此试样的抗剪强度提高.由图5b可知，细粒含量为25%的试样斜率要大于细粒含量为40%的试样，随着围压值的增大，40%细粒含量的抗剪强度上升趋势缓慢，曲线不再成线性关系.说明土样的细粒含量超过一定范围时，围压的大小对土样孔隙的有利影响较小，对细粒含量的影响较大，然而试验所采取的围压不足以使土样中由于细粒存在而产生的孔隙体积得到有效减小，相反随着围压的增大，土样的骨架更易产生大变形，同时使不同细粒含量的土样随着围压的增大，抗剪强度差值也越来越大.

图5 抗剪强度与围压关系曲线Fig.5Relationship between shear strengthand confining pressure

3.2 静强度与细粒含量的关系

图6给出了相同围压条件下抗剪强度与细粒含量之间的关系.由图6可知，当细粒含量在15%～30%之间时，试样的抗剪强度逐渐上升，并且抗剪强度的上升速率随围压值的增大逐渐减小；当细粒含量超过30%时，三种围压下的试样抗剪强度均出现快速下降的现象.当细粒含量小于30%时，围压对土样抗剪强度的影响大于细粒含量对土样性质的影响，并且这种影响随土样细粒含量的增大而减小；当细粒含量继续增大时，围压的增大对土样的影响不足以抵消细粒含量增大对土样抗剪强度的削弱效果，此时细粒含量对土的静强度影响成为主导性因素.

4 路基土应力-应变关系曲线理论分析

基于不同围压和细粒含量试样的应力-应变关系曲线，B类路基土基本呈现出了应变硬化形态，本文根据Konder对应变硬化型应力-应变曲线进行研究，采用双曲线模型拟合轴向应力差(σ1-σ3)与轴向应变ε之间的关系，如图7所示.

图6 抗剪强度与细粒含量关系曲线Fig.6 Relationship between shear strengthand fine particle content

图7 双曲线模型Fig.7 Hyperbola model

对于某一围压σ3，则有

(1)

式中，a、b为试验常数.

根据切线模量的定义，则有

(2)

由式(1)可得

(3)

将式(3)代入式(2)可得

(4)

当(σ1-σ3)→∞时，可得初始弹性模量Ei为

(5)

当(σ1-σ3)→0时，抗剪强度的极限值为

(6)

在多数情况下，ε不能趋于无穷大，因此，通常规定一个ε值，并认为当ε达到此值时，土体被破坏，即定义一个应变破坏标准.设破坏时的偏应力为(σ1-σ3)f，并规定

(7)

将式(5)～(7)代入式(4)可得

(8)

令应力水平s的表达式为

(9)

则有

Et=(1-Rfs)2Ei

(10)

图8给出了各个试样常规三轴试验测得的试验点与模型曲线对比结果.由图8可知，双曲线模型较好地描述出土样三轴试验的应力-应变关系，并且两种曲线几乎完全吻合.同时试验点与模型曲线的贴合随细粒含量的增加变得更加紧密，验证了双曲线模型拟合出的应力-应变关系曲线理论分析具有一定的有效性，其中，不同细粒含量、围压下的模型参数如表3所示.

5 结 论

本文通过分析得出以下结论.

1) 在相同细粒含量条件下，围压对试样应力-应变曲线的影响非常明显.随着围压的增大，试样的应力-应变曲线上升显著，在同一应变值时，应力相差较大.

图8 双曲线模型拟合结果Fig.8 Fitting results with hyperbola model

2) 在相同围压条件下，细粒含量对应力-应变曲线的影响不明显.细粒含量低于30%时，应力-应变曲线的走势几乎一致，应变增大的同时应力提高.当细粒含量达到40%时，试样应力-应变曲线下移较大.

3) 试验土样的静强度与围压值呈现出良好的线性关系.当细粒含量低于30%时，试样直线斜率相近，随着围压值的增大，抗剪强度也随之增大，呈平行状态.

表3 模型参数Tab.3 Parameters for model

4) 在相同围压条件下，细粒含量30%为抗剪强度强弱的分界线，低于30%时，试样的抗剪强度逐渐上升，并且抗剪强度的上升速率随围压值的增大逐渐减小；当细粒含量超过30%时，三种围压下的试样抗剪强度均出现快速下降的现象，说明细粒含量对土的静强度影响成为主导性因素.

5) 双曲线模型较好地描述出土样三轴试验的应力-应变关系，并且两种曲线几乎完全吻合.同时试验点与模型曲线的贴合随细粒含量的增加变得更加紧密，验证了双曲线模型拟合出的应力-应变关系曲线理论分析具有一定的有效性.

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(责任编辑：钟 媛 英文审校：尹淑英)

ExperimentalanalysisonstaticcharacteristicsofmediumsandclassBgroupsubgradesoil

ZHAO Jian-bin1, ZHANG Yu-jie1, LIU Xiao1, LI Wei2, ZHANG Xue1

(1. School of Civil Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China; 2. Center of Test and Detection, Liaoning Nonferrous Geological Exploration and Research Institute, Shenyang 110013, China)

In order to explore the static characteristics of medium sand class B group subgrade soil, four kinds of medium sand class B group soil with different fine particle contents were prepared with the medium sand and silty clay based on understanding the physical properties of subgrade soil. The influence of confining pressure and fine particle content on the stress-strain relationship and static strength of the testing soil was studied with the conventional triaxial compression test. The results show that at the same fine particle content, the stress-strain curve of the sample significantly increases with increasing the confining pressure. At the same strain value, the stress difference is large, and the stress difference on the 150 kPa curve is the most obvious. At the same confining pressure, the fine particle content has no obvious influence on the stress-strain curve. When the fine particle content is less than 30%, the trend of stress-strain curve is almost unanimously, and the stress increases with increasing the strain.

medium sand class B group soil; static characteristic; triaxial compression test; confining pressure; fine particle content; stress-strain curve; static strength; subgrade soil

TU 213

： A

： 1000-1646(2017)05-0584-07

2016-07-14.

辽宁省自然科学基金资助项目(Z2415078).

赵俭斌(1960-)，男，黑龙江呼兰人，教授，博士，主要从事岩土工程等方面的研究.

* 本文已于2017-01-19 18∶00在中国知网优先数字出版. 网络出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170119.1800.030.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.05.20