基于动力学试验的路基动力参数特征研究

许华斌

文章通过循环荷载试验，研究粉质黏土路基在不同含水率、围压、频率条件下的动力响应。结果表明：粉质黏土路基动弹性模量、动剪切模量与围压、循环荷载频率为正相关关系，与含水率是负相关关系;阻尼比与含水率为负相关关系，与频率和围压为正相关关系。各因素对动力参数的影响程度重要性为：围压>含水率>频率。

路基;循环荷载;动力参数

U416.1A150483

0 引言

准确获取路基强度参数是进行路基处理的关键。路基承担车辆荷载不是一个稳定值，而是一个动态变化的过程，因此，研究动力作用下路基动力参数十分必要。循环荷载试验在动力学研究中使用较多：吴钟腾等[1]考虑循环荷载条件下软土累计沉积结果，认为应变与循环次数为对数相关关系;韩培锋等[2]研究循环荷载冲击作用下机场跑道沉降规律，认为随次数增加变形速率降低;张建新等[3]采用循环荷载试验研究硫酸盐渍土动力特性，认为应根据重载列车型号合理控制列车速度以控制路基变形量;王岭军[4]采用循环荷载试验分析粗颗粒路基土动力响应，认为粗颗粒路基土在循环荷载下极短时间内可达到峰值。根据前人研究可知循环荷载作用下岩土体响应剧烈，强度劣化幅度大、速度快。实现循环荷载的方法较多，包括原位试验[5]、物理模拟[6]、数值模拟[7]、岩土体力学试验[8]等。

本文结合前人研究成果，现场获取某处路基原状岩土试样，采用室内动三轴试验研究路基粉质黏土动力学参数，为路基处理及后期维护提供参考。

1 试验方法

1.1 试样获取及试验仪器

试样取自天然路基，巖土体类型为粉质黏土，使用薄壁取样器获取原状土样，试验时使用重塑样，试样采用圆柱体，高12.5～12.7 cm，直径为6.18 cm。原状试样的物理参数见表1。试验仪器采用动三轴试验仪。

1.2 试验方案设计

根据前人所做研究[9-10]，确定采用正弦波、等幅分级、单幅循环荷载，轴向动应变达到20%即可认为试样破坏。试验方案见表2。

2 试验结果分析

根据试验结果绘制动应力-动应变曲线，见图1。采用粘弹性模型耦合试验数据，根据动弹性模量和阻尼比反映循环荷载作用下，路基岩土体力学响应的非线性和滞后性效应。使用最小二乘法确定动应变幅值函数。

图1 加载过程中动应力σ-动应变ε关系曲线图

2.1 动弹性模量分析

动弹性模量是粉质黏土路基动应力-动应变的直接反映，是反映粉质黏土动应力响应特征的一个重要参数。动弹性模量计算模型见图2，采用式（1）计算：

E=σmax-σminεmax-εmid（1）

式中：Ed表示动弹性模量;σmax、σmin分别表示一次循环荷载最大、最小动应力;εmax、εmid分别表示一次循环荷载最大、中间动应变。

使用式（1）计算动弹性模量时可以剔除动荷载作用下粉质黏土路基产生塑性变形的影响，即A～E部分。同时，也可以反映出粉质黏土动力学响应滞后性特征，即C～E部分。计算试样动弹性模量，绘制其与动应变的关系曲线。

通过绘制曲线，粉质黏土路基动应力-动应变曲线为双曲线型，可采用Hardin-Drnevich模型研究动弹性模量与动应变的关系函数。数学计算过程如下：

σd=εda+bεd（2）

式中：σd、εd分别表示动应力、动应变幅值;a、b表示试验常数。

粉质黏土动弹性模量Ed也可采用如下计算方法：

Ed=σdεd（3）

联合式（1）、式（2）得：

Ed=1a+bεd（4）

初始弹性模量Emax，即当εd→0时曲线斜率，计算方法如下：

Emax=1a（5）

绘制不同条件下Ed与εd关系曲线，见下页图3。

图3（a）为围压为1 MPa，频率为1 Hz条件下，不同含水率粉质黏土路基动弹性模量与动应变关系曲线。随着含水率的增加，最大动弹性模量逐渐降低，含水率从12%上升至15%的过程中，动弹性模量下降幅度最大，这是因为含水率达到15%时，超过了塑限13.7%，粉质黏土强度衰减较大。

图3（b）为15%含水率，围压为1 MPa条件下，不同频率Ed与εd的关系。循环荷载频率越大，Ed最大值越大，但频率对粉质黏土路基动力学参数的影响较小。

图3（c）为15%含水率，频率为1 Hz，不同围压Ed与εd的关系。围压越大，Ed越大，且围压对Ed变化影响较大。

出现这种现象的主要原因是：含水率低的粉质黏土颗粒粘结好、摩擦力大，抗变形能力较强。随着含水率提高，在“水滑”作用的影响下，颗粒间的粘结作用变差，在力的作用下更易发生变形，弹性模量降低。同时，围压变化造成弹性模量变化的主要原因是在外力作用下，改变粉质黏土颗粒间的结合程度。

2.2 动剪切模量

动剪切模量Gd是粉质黏土路基抵抗动剪切变形能力的反映，一般采用式（6）计算：

Gd=σd2εd（1+μ）（6）

因此，Gd与Ed关系为：

Gd=Ed2（1+μ）（7）

式中：μ为泊松比。

由式（7）可知，Gd与Ed变化规律一致，此处不再重复描述。

2.3 动阻尼比

动阻尼比是岩土体吸收能量能力的反映。所有试验条件下，最大动阻尼比计算结果见表3。从表3可知，最大动阻尼比随着粉质黏土路基含水率、围压的增大而增大，随着循环荷载频率的提高而减小。这主要是因为：围压越大，粉质黏土颗粒之间接触更好，循环荷载作用下形成的振动波在粉质黏土颗粒之间的传播速度越快，其能量损失越小，因此动阻尼比越小。含水率越高，粉质黏土颗粒之间的接触越差，粉质黏土颗粒在循环荷载作用下更易产生颗粒间的错动，颗粒之间的摩擦作用将会消耗更大的能量，从而导致含水率越高，动阻尼比越大的现象。

3 结语

（1）根据三轴试验结果，粉质黏土路基动模量随着围压、频率增大而增大，随着含水率增大而减小;阻尼比随着含水率的提升而提升，随频率、围压的降低而降低。其中围压对动力学参数影响最大，频率对其影响最小。

（2）通过室内力学试验，可为路基土处理提供参考，在道路使用过程中为保证安全性和耐久性应该注意控制路基含水率，保持在较低水平。同时，过往车辆载重和车速应该严格控制在规定范围内。

[1]吴钟腾，万 华.考虑交通循环荷载的沿海地区道路软土路基沉降研究[J].公路，2019（6）：43-46.

[2]韩培锋，姜兆华，樊晓一，等.荷载循环冲击下跑道软土沉降及孔压变化[J].浙江工业大学学报，2019，47（3）：299-304.

[3]张建新，蔺广涵，王一雄，等.循环荷载作用下硫酸盐渍土路基动力特性试验研究[J].地震工程与工程振动，2019，39（2）：27-34.

[4]王岭军.不同荷载形式下的路基粗粒土填料稳定性分析[J].公路工程，2019，44（1）：251-255.

[5]潘 浩.软土地基低路堤交通荷载作用影响研究[D].南京：东南大学，2016.

[6]孙永鑫，刘海涛，何春晖，等.循环荷载作用下粉土地基中刚性桩桩土相互作用研究[J].工业建筑，2018，48（11）：111-115，181.

[7]汪 优，秦志浩，汤明明.循环荷载作用下超长桩动力特性研究[J].铁道科学与工程学报，2017，14（8）：1 632-1 638.

[8]武文举，马艳霞，张吾渝，等.循环荷载下原状黄土的动应力——动应变关系试验研究[J].防灾减灾工程学报，2018，38（4）：731-737.

[9]李国维，蒋俊豪，侯宇宙，等.循环荷载下平面变形超固结软土蠕变特征实验研究[J].岩土工程学报，2019，41（9）：1 745-1 751.

[10]崔广芹，杨晋华.循环荷载和冻融循环作用下土体的弹性模量分析[J].建筑科学，2019，35（3）：77-81.