畅振超　王家全　周圆兀　黄世斌

摘    要：为了探讨交通动载下砾性土的动力特性，采用GDS高级动态三轴测试系统，对级配良好的砾性土进行了大尺寸动态三轴试验，分析砾性土的应力应变及动模量等参数的变化规律.试验结果表明：循环荷载作用下，砾性土的应力应变关系整体上呈递增的趋势，动应变εd≤2.36%时，砾性土动应变随动应力呈线弹性增长;εd>2.36%后，土体出现塑性变形，砾性土动应变呈非线性加速发展趋势.砾性土轴向动应变随振动次数逐渐增大，动应变增长率随振次增加而增大.砾性土动弹性模量随着动应变增加整体呈现骤减→略增→减小的趋势，其中在1%<εd<3%范围时动弹模出现小幅增长.密实的饱和砾性土在多级短时荷载作用下，产生剪胀变形，对应动孔压随动应变呈局部振荡整体递减的趋势.

关键词：砾性土;动三轴试验;交通动载;累积应变;动模量

中图分类号：TU441            DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.02.002

0    引言

砾性土是指包含砾石土、砂砾土、砾砂等在内的含有多粒组成分的宽级配土，是一种典型的天然土壤，广泛存在于交通与水利工程中[1].目前，关于砾性土在静力学方面的研究已经较为常见，但是在动力学方面的研究还相对较少.实际工程中，由于砾性土的物理力学性能和水稳定性比较好，因此，被广泛应用于路基工程中.路基所受荷载一般以交通动载为主，这就要求设计施工时要考虑交通动载的影响.因此，砾性土动力特性的研究对路基工程设计施工有一定的参考价值.动态三轴试验是研究土体动力特性的一个常规试验类型，也是目前土体动力特性研究最常采用的试验途径.

国内外学者在砂土动力特性方面进行了相关试验和数值及理论研究.在试验研究方面，许华青[2]研究了围压、颗粒级配对砾性土动应力、动剪切模量、阻尼比、最大动剪切模量、最大阻尼比的影响，同时还进行了不同尺寸试样（试样直径ϕ=50和100 mm）的动三轴试验，揭示了尺寸效应对砾性土动力特性的影响.刘大鹏等[3]和闫春岭等[4]分别对砾性土和饱和软粘土在循环荷载作用下的累积应变进行了研究，分析了荷载频率和动应力幅值对累积应变的影响.值得一提的是，闫春岭等[4]还通过正交试验和方差分析研究了振動次数、荷载频率、动应力幅值3种因素两两共同作用时对累积应变的影响规律.王勇等[5]进行了细粒含量对饱和砂土动弹性模量与阻尼比影响的试验研究（试样直径ϕ=39.1 mm），发现细粒含量以30%为临界值，小于30%时，砂土的动力特性主要由粗粒起决定作用，大于30%后主要由细粒决定.王权民[6]和王艳丽[7]利用动三轴仪进行了试样直径为ϕ=39.1 mm的动三轴试验，研究了砂土的动模量和阻尼比，揭示了围压对动模量和阻尼比的影响规律.王权民等[6]还提出了描述孔压变化规律的动孔压模型，该模型能够较好地描述砂土的动孔压变化.除此之外，黄博等[8]采用动三轴仪施加不同的加荷波形模拟了高速列车荷载，得出室内试验时可采用半正弦波在排水条件下进行动力试验来模拟高速列车荷载.刘大鹏等[9]（试样直径  ϕ=100 mm）研究了含水率和围压、压实度、动荷载作用频率和初始静偏应力对临界动应力的影响，揭示了不同条件下临界动应力的变化规律.在数值模拟方面，POWRIE等[10]通过数值软件模拟了列车运行过程中，路基内部土体应力的变化，研究了铁路路基的地应力在列车运行过程中的变化规律.Kaynia等[11]建立了用于列车运行中路基地面响应预测的数值模型，对实际工程中的路基条件进行了模拟，并与实测数据进行了比较，得到了与实测值较吻合的结果.王家全等[12]还对砂土的静三轴试验做了数值模拟研究，通过PFC3D离散元软件建立加筋砂土三轴试验模型，与室内试验结果进行了对比验证，探讨了摩擦系数、刚度比和孔隙率等细观参数对加筋砂土宏观力学特性影响的敏感程度.动本构关系研究方面，王婧等[13]根据动三轴试验的结果（试样直径ϕ=100 mm），研究了不同条件下砾性土的动本构关系，发现砾性土的动本构关系可以采用Kondner 双曲线模型对其进行描述，并得出了不同条件下的模型参数.雷华阳等[14]基于动三轴试验结果（试样直径ϕ=39.1 mm），研究了结构性软土的动本构关系，得出振动波形对结构性软土的动应力-应变类型影响不大，但对最大动弹模量和动剪切模量影响较为显著.

综上所述，目前对交通动载作用下饱和砾性土的动三轴试验研究较少，且多数采用的试样为直径      ϕ≤100 mm的小尺寸试样.为减少尺寸效应对试验结果的影响以及更好地模拟实际工程，本文以交通动载下的砾性土路基为工程背景，开展了循环荷载下饱和砾性土的大尺寸（直径ϕ=150 mm）动三轴试验，研究了交通动载作用下饱和砾性土的动力特性，可为砾性土路基工程的设计施工提供借鉴与参考.

1    试验装置及试验内容

1.1   试验设备

试验设备采用英国GDS仪器设备有限公司生产的DYNTTS电机控制高级动态三轴测试系统，如图1所示.该系统包括仪器主机、压力室、围压控制器、反压控制器、荷重传感器、孔压传感器、DCS 8通道数据采集控制盒 、GDSLAB数据采集及控制软件等.可以施加的动载频率为0～5 Hz，轴向荷载最大为10  kN.

1.2   试验材料

本试验采用的砂样为广西柳州本地的河砂，根据筛分试验分析其颗粒级配如表1所示，砂样的不均系数Cu=5，曲率系数Cc=1.25，为级配良好的砾砂.具体粒组分布情况见图2砂土颗粒级配曲线.

1.3   试验方案

通过对饱和砂土试样施加不同动应力幅值下的循环荷载进行动三轴试验.交通荷载在路基内引起的是一种单脉冲形式的动应力，是以一定的初始应力值和一定的振幅循环变化的动应力，如半正弦波的循环荷载形式[15].室内试验中，可用半正弦波循环荷载模拟车辆通过时引起的复杂动应力，从而研究路基的动力响应.为了更加贴切的模拟车辆荷载，试验选用循环荷载的波形为图3所示的半正弦波.交通荷载的频率受车辆行驶速度影响，并非是一个定值，一般在0.1～10.0 Hz之间[16]，本试验循环荷载加载频率设置为   1 Hz.不同交通荷载作用下，循环应力比R（R =σd/2σc，σd为竖向的动应力，σc 为围压）大小一般不同，但循环应力比一般在0.1～6.0范围内[17-18].本试验考虑GDS动三轴仪是按轴向压力施加动应力，因此，取每级轴向压力增量为0.2 kN，循环应力比取0.1～2.5.在围压100 kPa，固结应力比Kc=1.0的条件下进行动三轴试验，具体动力参数如表2所示.考虑试验材料选用砾性土，其颗粒直径较大，为减小尺寸效应的影响，采用直径150 mm、高度300 mm的大尺寸试样.

1.4   试验过程

试验在DYNTTS电机控制高级动态三轴仪上进行，采用应力控制模式进行加载，排水条件为固结不排水.试验过程大致分5个部分进行：①采用分层击实的方法分6层进行装样，装样过程中，为了保证试样密实度相同，振捣次数控制在每层30次;②装样后，先对试样进行二氧化碳饱和，置换试样孔隙中存在的空气;③对试样充水进行反压饱和，使试样孔隙中未排干净的少量空气溶于水中，达到充分饱和的条件，检测孔隙水压力系数B值≥0.95时认为试样已经饱和;④对饱和试样进行等向固结，待反压体积保持不变时认为试样固结完成;⑤固结完成后即可对试样施加循环动载.

动载的加载方式采用多级循环荷载短时振动方式，即在多级动应力幅值下进行短时循环荷载加载.试验选择动应力幅值从0.1 kN，基准荷载0.1 kN开始，然后动应力幅值与基准荷载每级各增加0.1 kN.在每级动应力幅值下振动循环次数设置为5次，取第3个循环的数据为有效数据.每个循环的数据采集点设置为20个，由于频率为1 Hz，则数据采集系统是按每0.05 s采集1个数据点进行数据采集.

2    试验结果与分析

为分析砾性土在动载作用下的动力特性，分别分析动三轴试样的应力应变特性、应变与振动次数、动模量及动孔压的变化关系.

2.1   砾性土应力应变关系分析

如图4所示，为饱和砾性土在围压100 kPa下，进行多级循环荷载短时振动三轴试验所得到的应力应变关系曲线.从图4中发现，应力应变曲线整体上呈递增趋势.在动应力σd≤200 kPa，即动应变εd≤2.36%时，曲线基本接近直线，试样处于弹性阶段.随着动应力的增加，动应变也随之增大.在动应变εd≥2.36%后，随着动应力的增大，曲线的斜率开始减小，动应变增长速度加快，有屈服的趋势.这是由于在动应变εd≥2.36%后，试样出现塑性变形，土体开始发生部分塑性剪切破坏.

因此，在工程中，要尽量将循环荷载的动应力控制在一定范围内，控制动应变处于缓慢的线性增长阶段，此时砾性土结构尚处于稳定状态，有利于减小和控制土体在循环荷载作用下的变形.

2.2  累积应变与振次关系分析

施加动载时，试样的轴向应变是随着循环荷载次数的增加逐渐累积的过程.研究累积应变有助于分析长期交通动载作用下，饱和砾性土轴向应变的发展趋势.如图5所示，随着循环荷载加载次数的增加，试样的轴向累积应变是前缓后快的增长趋势.轴向累积应变ε≤2.6%时，曲线基本为直线，即轴向累积应变的增长速率是恒定的.随着振动次数的增加，轴向累积应变ε>2.6%后，曲线的斜率逐渐增大，轴向累积应变的增长速率逐渐增大.

对照图5、图6可以看出，试样的体变量从振动开始就一直是增大的，也就是说从振动开始土体就开始产生剪胀变形.累积应变ε≤2.6%时，试样中由粗粒土构建的土骨架结构还未发生破坏，试样的轴向累积应变增长速率较缓.当轴向累积应变ε>2.6%，即振次N>50次后，试样体变量与振次关系曲线的斜率开始增大，体变量的增长速率开始提高，试样的剪胀变形更加剧烈，试样中的土体开始发生剪胀破坏.由粗粒土形成的土骨架结构被破坏，试样内部砂粒发生颗粒重组，从而導致轴向累积应变的增长速率开始提高.

如图7所示，为不同振次下动应变随时间变化的动应变时程曲线.从图中可以看出，随着振次的增加，动应变增长的幅度越大.从单条曲线看，振次越大单根曲线斜率的变化更加显著.对比振次N=3和N=120这两条曲线会发现，N=3时一个循环内动应变的变化很小，曲线基本水平.N=120时一个循环内动应变会出现一个峰值，这是由于振动过程中动应力幅值是逐级增加的，动应力幅值越大，单个循环内的动应变幅值相应也会增大.从每条曲线之间的动应变差值来看，分析动应变的增长率如表3所示，表3中动应变的增长率是相邻曲线间动应变的差值与总应变的比值.由表3可发现，随着振次的增加，动应变的增长率随之增大，尤其是N=3和N=120这两个循环的动应变增长率相差20%.这与上面分析的累积应变随振次的增加曲线斜率增大的规律相符合.

2.3   动模量与动应变关系分析

动弹性模量是研究砂土动力特性的一个重要参数指标.研究动弹性模量有助于分析砾性土路基在短时动载下动应变的发展规律.如图8所示，在围压100 kPa下，试样的动弹性模量随着动应变的增加呈现出骤减→略增→减小的趋势.当动应变εd≤0.8%时，动模量随着动应变的发展呈现出迅速减小的趋势.

由于试验采用的土样为级配良好砾砂，其容易被压实，在装样时采取分层击实方式，使试样的压实度达到密实状态.结合图6和图8可以发现，在开始施加循环荷载时，试样的体变量逐渐增大，土体发生剪胀变形，从而动模量迅速减小.当动应变0.8%≤εd≤2.6%时，随着循环荷载的持续加载，动应变继续发展，动模量呈现出小幅度增加的趋势，这是因为土体在剪胀过程中发生了颗粒重组，应力应变曲线在局部呈现出递增的趋势.当动应变εd≥2.6%时，随着动应变的增加，动模量逐渐减小，且减小的速率渐渐变大.

图9所示的已破坏试样亦可看出，试样经过循环荷载作用后中部出现明显鼓胀，颗粒间孔隙变大.随着动应力幅值的逐级增大，砾性土土体发生剪胀变形也愈加剧烈，孔隙比不断变大，导致土体越来越疏松，从而使动模量不断减小且减小的速率越来越大.

2.4   动孔压与动应变关系分析

如图10所示，动孔压与动应变曲线呈局部振荡，整体递减趋势;随着动应变的增加，曲线局部振荡的振幅逐渐增大.本试验循环荷载的加载方式为多级短时循环荷载加载方式，因而动应力幅值是逐级递增的.此外，由于试样处于密实状态，在开始施加动载时，试样同步发生剪胀变形.由于动应力幅值的不断增大，动应变幅值也相应的增加，累积应变随之增大.动应力幅值增大的过程中，剪胀变形的程度也会越发剧烈，最后导致试样剪切破坏.试样在剪胀变形过程中，试样孔隙体积不断扩大，由于振动过程是保持反压体积不变，也就是振动在不排水条件下进行.饱和试样振动开始前，孔隙是完全被水充满的，随着土体的剪胀变形，试样中的孔隙体积变大，而孔隙水的体积保持不变，导致孔隙水压力逐渐减小，并且动应力幅值越大动孔压在一个循环内的变化幅度也就越大，体现在图10中就是动孔压与动应变关系曲线局部振荡的幅度随动应变的增加逐渐变大.

3    结论

1）交通动载作用下，砾性土的应力应变关系整体上呈递增的趋势.在动应变εd≤2.36%时，砾性土动应变随动应力呈线弹性增长;动应变εd>2.36%后，土体出现塑性变形，砾性土动应变随动应力增长加快，呈非线性加速发展趋势.

2）砾性土轴向动应变随振动次数逐渐增大，砾性土骨架发生颗粒重组，随着动应力幅值的逐级增加，动应变的增长率随振次的增加而增大，振次N=3和N=120对应动应变增长率相差达20%.

3）砾性土动弹性模量随着动应变增加整体呈现骤减→略增→减小的趋势，其中在1%<εd<3%范围时，动弹模出现小幅增长.

4）密实的饱和砾性土在多级短时荷载作用下，产生剪胀变形，而且随着动应力幅值的增大，剪胀变形继续增大，而对应动孔压随动应变呈局部振荡整体递减的趋势.

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Dynamic triaxial test analysis of gravel soil under traffic dynamic load

CHANG Zhenchao， WANG Jiaquan*， ZHOU Yuanwu， HUANG Shibin

（School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： In order to investigate the dynamic characteristics of gravel soil under traffic load， GDS     advanced dynamic triaxial test system was used to carry out large-scale dynamic triaxial test on       well-graded gravel soil. The test results show that under cyclic loading， the stress and strain relation of gravel soil is increasing on the whole. When the dynamic strain is less than or equal to 2.36%， the      dynamic strain of gravel soil increases linearly with the dynamic stress. After the dynamic strain           was greater than 2.36%， the soil body appeared plastic deformation， and the dynamic strain of gravel soil presented a trend of non-linear acceleration. The axial dynamic strain of gravel soil  increases with the number of vibration and the growth rate of dynamic strain increases with the number of vibration. As the dynamic strain increases， the dynamic elastic modulus of the gravel soil shows a tendency of sharp decrease， slight increase and decrease. Under the action of multi-stage and short-term loads， the compacted gravel soil produces shear expansion deformation， and the dynamic strain of the dynamic pore pressure shows an overall decreasing trend of local oscillation.

Key words： gravel soil; dynamic triaxial test; traffic dynamic load; cumulative strain; dynamic modulus