车辆荷载作用下路基填料动力特性研究

张 婷

（兰州信息科技学院， 兰州 730030）

随着道路服役期限的增加， 长期作用于其上的交通荷载尤其是重载车辆， 会导致道路路基由于受到较大的外力作用局部发生破碎， 破碎的填料会填入粗粒填料之中， 导致路基填料的工作性能发生较大改变，影响道路的长期服役性能。故需要对粗粒路基填料中侵入细粒的现象进行研究， 了解其动力响应特性，为道路设计提供建议，更好地保障公路路基填料的长期服役性能。

国内外学者对于公路路基填料的动力特性进行了大量研究，并且随着仪器设备的改进，动力特性的研究从地震的高围压、大应变［1-2］转入交通荷载的低围压、低应变，研究角度也更加多样。 Inam等［3］研究了粗粒土试样在循环剪应力作用下的影响， 其研究结果表明常规三轴实验忽略剪应力会导致材料的强度特性被高估， 材料的累积变形在循环剪应力的作用下会增大。Xiao等［4］对粗粒土填料进行了常围压和变围压两种情况下的大型三轴试验， 发现粗粒土试样的累积变形与应力路径有很大关系。 孙田等［5］对砂砾土的颗粒形状在动力作用下的特性进行了研究，研究表明，圆砾土比角砾土在动力荷载作用下动剪切模量更大。 Saberian等［6］针对不同橡胶屑含量和尺寸引起的路基填料长期变形特性进行了研究，研究结果表明路基填料的累积变形会随着橡胶屑含量及尺寸的增大而增大。

本文主要从影响公路路基填料的细粒含量、动偏应力及荷载频率3个因素出发，对其在动力作用下的体应变、回弹特性及轴向累计变形3个动力特性进行分析， 研究成果可为相关路基工程设计和施工提供借鉴。

1 实验方案

本次公路路基粗粒填料动力实验采用的是英国GDS公司生产的循环三轴仪，如图1。 该仪器系统主要由激振器、 位移传感器、试样围压控制系统、实验数据采集及信号调节装置组成，能够满足公路路基填料动力特性实验所需。

图1 循环三轴仪

仪器操作步骤主要为：①粗粒填料配置制样；②模具安装及试样调整；③实验仪器调整；④施加所需围压；⑤分阶段启动动力加载程序；⑥实验记录与分析。其中第5步骤在分级加载实验中十分重要，必须要保证试样内的孔压在每一级加载结束后能够充分消散， 才能够得到正确的动力特性规律。

1.1 实验材料

本系列实验用料主要采用的是某公路沿线开采的天然岩料。岩料开采后，进行清洗、烘干、筛分等过程， 分别根据实验需求加入适量的高岭土作为细粒材料。为了消除实验中材料的尺寸效应，本实验中的试件高度为30cm，直径取15cm。 表1给出了不同细粒含量下试验用料的物理力学参数。

表1 不同细粒含量下试验用料的物理力学参数

1.2 实验方案

为了更好地研究不同细粒含量下的该公路填料的动力特性，对该公路路基填料实施分级加载，每级加载的循环次数为10000次。 在每级加载中，保持围压σ3不变， 只增大路基填料所受到的动偏应力qampl。又由于道路路基填料在服役期间所受到的交通荷载频率在0.1～10Hz之间， 本文研究的加载荷载选择了其中的两个频率（1，3Hz）进行研究，具体实验工况如表2。表中的细粒含量为细颗粒干质量占粗颗粒干质量的百分比。

表2 试验方案

2 试验结果分析

2.1 体应变发展规律

图2给出了1，3Hz荷载频率下的不同细粒含量试样的体应变发展曲线。 从图2可看出，不同荷载频率下，试样的体应变发展规律类似：即保持试样围压不变，试样的体应变随着动偏应力的增大而增大。在动偏应力施加初期，体应变累积速率较大，体应变增长迅速，随着动偏应力循环次数的增大，试样的体应变累积速率不断减小，体应变曲线最后趋于稳定。但随着动偏应力的增加， 试样趋于稳定所需的循环次数也增加，在动偏应力为100kPa时，两种荷载频率下的试样在30000次循环作用后， 都未达到稳定状态，其体应变仍在继续增大。

图2 不同细粒含量试样的体应变发展曲线

细粒含量对于体应变的影响较大， 当细粒含量从0%增大到3%时，可以明显看出试样的体应变也相应增大，但当细粒含量从3%增大到6%时，体应变随着细粒含量的增加，其值明显变小，尤其是当荷载加载频率未3Hz时， 其6%细粒含量下的试样的体应变大小甚至小于无细粒含量的试样。 这主要是由于细粒含量在试样骨架中的作用导致， 细粒含量较小的时候，其主要起到润滑作用，减少了粗颗粒之间的摩擦阻力，使得试样更容易被压缩，导致体应变较大，而细粒含量较大时，其填充于粗粒孔隙之中，加强了粗颗粒的骨架支撑，导致不易被压缩，体应变也随之变小。

图3为所有荷载循环加载结束后的，细粒含量与试样体应变终值的关系图。 由图3可知，试样的体应变随着细粒含量的增加呈现出先增大后减小的现象。 在这3种细粒含量下，试样的体应变都在3%时达到最大，当细粒含量为6%时，其体应变显著减小。 并且不同荷载频率下， 细粒含量对于体应变的影响也不一样。当荷载频率较大时，其体应变受细粒含量影响的程度不同，3Hz时的体应变变化速率明显大于1Hz时的试样体应变变化速率。

图3 各荷载频率下细粒含量和体应变关系

2.2 回弹特性

图4为3种细粒含量下的各试样回弹模量变化曲线图。由图4可知，保持围压不变时，回弹模量的大小受循环动偏应力的影响显著。随着动偏应力的增大，各细粒含量下的试样的回弹模量大小都显著增大。当荷载作用频率为1Hz时，不同细粒含量的粗粒土试样的回弹模量都随着动偏应力的增大而增大； 当荷载加载频率为3Hz时，无细粒含量的粗粒试样组的回弹模量变化规律与1Hz类似， 但当其细粒含量增加，比如3%和6%， 此时回弹模量随着动偏应力的增大，在加载初期出现骤减，随着荷载加载次数的增大，其回弹模量逐渐减小并趋于稳定。 出现该现象的原因主要是由于含细粒土的粗粒土试样在高频率及循环应力下，出现孔压累积现象，使得试样土体的有效应力下降，导致最后出现试样回弹模量显著减小的现象。

图4 不同细粒含量试样在各个荷载频率下的回弹模量随循环次数发展曲线

2.3 轴向累积应变

图5分别为1，3Hz下的粗粒土试样在各个加载阶段的轴向累积应变发展曲线。 由图5可知，当动偏应力较小时（20kPa和60kPa），轴向累积应变随加载循环次数的发展曲线都是初期迅速增大， 随着荷载循环次数的增加， 其累积应变增速减小， 直至趋于稳定。而当动偏应力为100kPa时，不同细粒含量及不同加载频率下的试样的轴向累积应变规律不同。 当细粒含量为0%时，100kPa循环荷载下的土样在两种加载频率下的轴向累积变化规律都是先增大， 后趋于稳定。 但当细粒含量为3%和6%时，其轴向累积变形都不能趋于稳定，随着荷载循环次数的增大，试样将会发生破坏。

图5 试样轴向累积应变发展曲线

为了更直观地体现各循环应力作用下细粒含量对于试样轴向累积应变的影响，图6给出了所有加载阶段完成后的轴向累积应变值随细粒含量的变化规律图。 由图6可知，当循环动偏应力为20kPa时，细粒含量的增加会使得试样的累积应变增大， 粗粒土的累积应变在3%情况下达到最大，当细粒土含量为6%时，其轴向累积应变变小。 当动偏应力为100kPa时，3Hz情况下的6%细粒含量的试样轴向累积应变较小速率明显小于1Hz情况下的减小速率。

图6 加载阶段完成后的轴向累积应变值随细粒含量的变化规律图

3 结语

通过对公路路基粗粒填料进行的循环动力实验研究，可以得到以下结论：

（1）公路上的荷载频率、循环动载值及路基粗粒填料中的细粒含量对于路基填料的长期服役性能都有较大影响， 尤其是当粗粒填料处于高循环动应力及高频率作用下时， 其路基粗粒填料更容易出现孔压累积现象， 导致粗粒路基在长期交通荷载作用下不能达到稳定状态，出现破坏。

（2）细粒含量的增加对于粗粒土体应变的影响存在一个最优值。 在实验中，3%的细粒含量时，粗粒试样的体应变达到最大；超过3%后，其体应变开始减小。

（3）循环作用的动偏应力较小时，粗粒填料的回弹模量会随着加载频率的增大而增大。 当加载动偏应力较大时， 细粒含量低的粗粒填料其回弹模量仍会随加载频率的增大而增大， 但当细粒含量为6 %时， 在3Hz作用下的试样就会因为土体的孔压累积，导致回弹模量出现减小。