乌干达某高速路基砾类土填料动力特性试验分析

王 磊

(中国土木工程集团有限公司 北京 100038)

1 引言

随着城市化进程的加速，高速公路大量新建。高速公路运输呈现载重大、流量大等特点，重载车辆高速行驶导致路基承受的循环荷载强度更大、激振频率更高，加剧了路基的累计变形，从而导致道路不均匀沉降、道路开裂等危害愈加严重，严重降低道路的服役周期。因此，动力荷载对路基填料影响问题已成为当前热点之一。

针对动荷载作用下路基填料动力特性问题的研究，卜建清等[1]基于试验手段，探讨了土体参数对粗粒土的影响；研究表明，增加细粒含量导致更多的细粒包裹粗颗粒表面。陈生水等[2]通过三轴试验，研究了堆石料在地震荷载下的应力应变特性；系统分析了荷载频率、土密实度等敏感参数对堆石料力学特性的影响。邓国栋等[3]利用大三轴仪器对路基填料进行试验研究，分析了荷载频率、应力水平等因素对填料特性的影响。商拥辉等[4]以某铁路工程的膨胀土为研究对象，通过持续振动三轴试验，分析了围压、振动频率、固结比对不同水泥掺量膨胀土动力特性的影响。褚福永等[5]基于大三轴试验，分析了动力荷载对粗粒土剪胀性的影响；深入分析了荷载幅值、密实度、围压等因素对粗粒土剪胀性的影响。为真实反映动荷载下路基土的动力特性，郑可扬等[6]对不同变量进行组合，开展三轴试验分析不同围压状态下粗粒土路基填料的动力特性。王永霞[7]以某铁路路基粉土填料为研究对象，通过静动三轴剪切试验，研究了冻融循环作用下路基填料的动力特性。其他一些学者[8-12]也通过试验法、理论法等手段对车辆荷载引起的路基填料动力特性问题进行研究。

为研究乌干达某高速公路细圆砾土路基填料在循环荷载下的动力特性，基于三轴循环试验仪，开展了路基粗粒填料的三轴循环加载试验。深入探讨了荷载频率、围压和循环应力比对路基填料的动力特性的影响。

2 试件制备

本次试验所使用的试验仪器为三轴循环试验仪。细圆砾土具有渗透系数小，物理化学性质相对稳定等优点，因而乌干达某高速公路选用细圆砾土作为路基填料，表1列出了其物理参数。本次试验将细圆砾土制成直径150 mm，高度300 mm的试件。为了制备试验试样，首先将试验用土在其最优含水率下混合，之后静置于塑料箱中密封保存48 h，使混合料水分均匀。之后试样通过湿捣法进行制备。为了保证试样的可比性，选取试样的压实度95%为控制标准，其满足《公路路基设计规范》对路基压实度的控制要求。

表1 填料的物理参数

3 试验方案及试件加载

为研究循环荷载对公路路基填料的影响，在不同的试验条件下对试件开展循环加载试验，荷载循环次数设定为10 000次。本次试验主要研究不同围压、荷载频率以及循环应力比这三个因素的影响。循环应力比ζ定义为qampl/σ3；循环偏应力qampl为(如图1所示)。本次试验依据不同的围压和循环应力比共分为5组试验，每组试验在4种不同荷载频率(f)条件下加载，分别为f＝0.2 Hz、f＝0.5 Hz、f＝1 Hz和f＝3 Hz。表2列出了5组试验方案的具体指标。

表2 试验详细指标

使用循环三轴仪将试件加载至初始围压，围压稳定后开展饱和排水循环试验。第一圈以0.01 Hz的频率对试件进行缓慢加载。此后，按照设定加载频率对土体进行加载。图1为加载曲线。

图1 加载波形图

4 试验结果及分析

4.1 回弹特性分析

图2给出了2号试件在荷载频率下的应力应变滞回曲线，荷载循环次数分别为10、100、1 000、5 000和10 000。如图2所示，增加循环次数会导致滞回曲线每一循环次数下滞回圈的斜率增大，粗粒填料的回弹模量也变大。相反，增加循环次数会使每一循环次数下滞回圈所覆盖的面积变小。换句话说，增加循环次数会使填料的阻尼比减小。从图中还可以看出，荷载循环次数从10增大到1 000的过程中，滞回圈的斜率显著变大，填料的回弹模量显著提升，相应的滞回圈所覆盖的面积明显减小。但荷载循环次数从1 000增大到10 000的过程中，滞回圈的斜率、填料的回弹模量和滞回圈所覆盖面积无明显变化。该阶段滞回曲线近似线性，说明此时路基填料的响应近似弹性。这是因为试件在加载初始阶段粗颗粒发生旋转并重排列，从而出现明显塑性变形，随着循环次数增大，颗粒流动减缓，变形明显减小，即路基填料的响应近似弹性。进一步说明，该公路路基填料在循环次数为1 000条件下处于密实状态。

图2 2号试件的应力应变滞回曲线

图3给出了2号试件在不同循环次数条件下的滞回曲线(ζ＝3，σ3＝20 kPa)，循环次数分别为10和10 000，且每组试件开展了4种不同荷载频率试验。如图所示，不同循环次数条件下，循环荷载频率对试件的滞回曲线有显著影响。进一步观察，随着荷载频率的增大，滞回曲线的斜率越大，填料的回弹模量也增大。此外，增大荷载频率会减小阻尼比(滞回圈面积减小)。

图3 不同循环次数下试件滞回曲线

4.2 体应变分析

图4给出了不同荷载频率下1～3号组试件体应变变化曲线。图中可以看出，3组试件在不同条件下的体应变变化规律基本一致(除高频循环荷载下的3号试件)，试件都出现体缩现象。试件体应变随着循环次数的增加飞速增大直至循环荷载为1 000，随后体应变增长幅度迅速下降，体应变逐渐趋于稳定，此时试件均处于密实状态。可见，试件的体应变主要发生在荷载前1 000次循环过程。对于荷载频率为3时的3号试件，该试件体应变在循环次数超过1 000后仍逐渐变大，随着循环次数的进一步增大，试件终将发生破坏，达到其破坏阶段。

图4 3组试件体应变变化曲线

图5a为围压20 kPa条件下不同循环应力比时路基填料体应变变化曲线，对比了荷载频率为0.2 Hz工况和荷载频率为3 Hz工况。从图5a中可以看出，增大循环应力比会导致填料的体应变明显变大。且不同循环应力比条件下，荷载频率对填料体应变的影响有差异。当循环应力比ζ＝1时，荷载频率对填料体应变影响可忽略。但当增大循环应力比后，循环应力比对填料体应变的影响愈加显著，高频率的循环荷载会导致填料体应变明显变大，即填料的密实度更高。

图5b绘制了循环应力比为3条件下不同围压时路基填料体应变变化曲线，同样对比了荷载频率为0.2 Hz工况和荷载频率为3 Hz工况。如图所示，围压和荷载频率对填料体应变有显著影响。填料体应变随围压显著变大，且随着荷载频率的增大，这种影响愈加显著。

图5 不同条件下体应变变化曲线

当施加的荷载的频率较小时(f＝0.2 Hz)，围压为20 kPa以及40 kPa下产生的体应变近似相等。当围压增加至60 kPa下，体应变增大。相对应，当施加荷载的频率为3 Hz下，土体的轴向累积变形随着围压的增大而增大。这是因为，频率的增大加剧了试样内部颗粒的重新排布，而颗粒的重新排布受到围压的影响，围压越大，土体颗粒越容易发生重新排布。

4.3 轴向累积应变分析

图6给出了不同荷载频率下3～5号试件轴向累积应变变化曲线。从图中可以看出，3组试件轴向累积应变变化规律基本一致:试件轴向累积应变迅速变大，随后轴向累积应变增长幅度减缓并逐渐趋于稳定。在加载的初始阶段，路基填料累积应变增大显著，表明试样塑性应变累积显著。当循环次数超过1 000时，累积应变增长速率平缓，试件的响应呈现出弹性状态。另一方面，在不同循环应力比条件下，荷载频率导致的影响不同。随着循环应力比的增大，这种影响愈加明显。

图6 3组试件轴向累积应变变化曲线

图7a为围压20 kPa条件下不同循环应力比时路基填料轴向累积应变变化曲线，对比了荷载频率为0.2 Hz工况和荷载频率为3 Hz工况。如图所示，在相同的围压条件下，增大循环应力比明显增大了试件轴向累积应变。当循环应力比为1时，2种荷载频率下的试件轴向累积应变基本相同。增大循环应力比，荷载频率所导致的影响愈加显著，荷载频率的增大导致轴向累积应变显著增大。

图7b绘制了不同围压时路基填料轴向累积应变曲线(ζ＝3)，同样对比了荷载频率为0.2 Hz工况和荷载频率为3 Hz工况。如图所示，荷载频率变化显著改变了试件轴向累积应变，但围压变化所带来的影响可忽略。

图7 轴向累积应变曲线

上述一系列试验结果表明细圆砾土路基填料的轴向累积变形以及体应变随着围压的增大而增大。因此，该高速公路施工过程中可采取铺设格栅、微生物加固等相应的沉降控制方法，以保证高速公路路基全局的稳定。

5 结论

为研究乌干达某高速公路细圆砾土路基填料在循环荷载下的动力特性，基于三轴循环试验仪，开展了路基粗粒填料的三轴循环加载试验。深入研究了荷载频率对路基填料的影响，获得以下主要结论:

(1)随着荷载频率的增大，填料滞回曲线的斜率越大，填料的回弹模量也增大，且滞回曲线越近似线性，试件的阻尼比变小。

(2)荷载频率对填料体应变的影响随着循环应力比增大而愈加显著。循环应力比越大，高频循环荷载会导致更为显著的体应变。填料体应变随围压显著变大，且随着荷载频率的增大，这种影响愈加显著。

(3)在高循环应力比工况下，荷载频率的增大导致轴向累积应变显著增大。但围压对填料轴向累积应变的影响可忽略。

(4)针对该地区细圆砾土的动力特性，该高速公路施工过程中可采取铺设格栅、微生物加固等相应的沉降控制方法。