廖桄辰 魏建飞 向睿 王培清

摘 要：本文选取拉林高等级公路工布江达县江达乡东南方向的砂卵石路堤土，简要介绍了该土样的基本物理参数指标，详细介绍了粗颗粒土动静三轴试验仪的各项参数指标以及试验步骤。最后，该土样分别在100、200、300kPa以及500kPa的围压下进行各组试验，并对其进行应力应变关系特征分析与强度特性分析。

关键词：拉林高等级公路;应力应变关系;强度特性

中图分类号：U416.1 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）17-0106-04

Abstract： In this paper， the sand-gravel embankment soil in the southeast direction of Jiangda Township， Gongbujiangda County， Lasa-Nyingchi Highway was selected. The basic physical parameters of the soil sample were briefly introduced. The parameters and test steps of the dynamic and static triaxial tester for coarse-grained soil were introduced in detail. Finally， the soil samples were tested under confining pressures of 100， 200， 300kPa and 500kPa， and the stress-strain relationship and strength characteristics were analyzed.

Keywords： Lasa-Nyingchi highway;stress-strain relationship;strength characteristics

西藏位于我国西南地区。近年来，国家愈发重视藏区内的基础设施建设，拉林高等级公路和川藏铁路拉林线也在如火如荼地建设之中。这些基础设施的建成，将极大改善藏区内人民的生活水平[1]。起于拉萨，止于林芝的高等级公路，也被称为拉林高等级公路，其是一条连接拉萨与林芝的高等级公路。拉林高等级公路建设线路区内地貌特征主要是高原山地地貌和冲洪积地貌[2-4]。

1 试验介绍

1.1 试验准备

本文选取的样本是拉林高等级公路工布江达县江达乡东南方向约1.93km处的砂卵石路堤位，此处地貌类型是河流阶地。河流阶地是由河流下的河漫滩侵蚀形成的。随着河流减少和地壳上升，河漫滩相对河床的位置增加[5，6]。在洪水期，河水不能将河漫滩淹没。此时，河漫滩便成为河流阶地。该砂卵石路堤的基本成分是砂卵石土[7，8]。

本文采用了《土的分类标准》（GBJ 145—90）。根据室内大型筛分试验与室内大型击实试验，大致得到此土样的颗粒级配、粗颗粒含量、不均匀系数以及曲率系数。土样中的部分颗粒光滑无棱角，其粒径大致分布在35～55mm;土样中的部分颗粒光滑无棱角且有条状，其粒径大致分布在25～35mm;土样中的部分颗粒光滑无棱角，但部分颗粒破碎，其粒径大致分布在15～25mm;土样中的部分颗粒破碎且带有尖状，其粒径大致分布在2～15mm;粒径小于2mm的颗粒为砂颗粒，形状极不规则，多呈枝状和片状结构。土样中粗粒含量[P6]（粒径大于6mm的颗粒含量）为65.20%，不均匀系数[Cu]为116.32，曲率系数[Cc]为23.24。

1.2 试验仪器

本试验采用西藏农牧学院、高原水力發电大厅-电液伺服粗颗粒土动静三轴试验仪，主要用于各类试验土样的轴向压力和侧向压力的强度试验、土动力学试验。该压力室系统基本由九大部分组成：围压施加作动器系统、轴向加载系统、三轴压力室系统、对开模具附件、体变测量系统、击实器、机架部分、小车系统及电气控制部分。三轴试验仪器外观和构造图如图1所示，其主要技术参数如表1所示。

1.3 试验步骤

根据《公路土工试验规程》（JTG E40—2007），大型三轴试验具体试验[9]步骤如下。

1.3.1 土样制备。需要制备的试验土样高度为650mm，直径为350mm。试样上、下段均有防止泥沙进入管道的过滤纸和通气、水的透水板，放好透水板和过滤纸之后，把对开模套在压力室的底座上面，使三轴试验乳胶膜与对开模紧密贴合。将试样分5次，分别放入对开模中，每放一层，击实一层，再放入另外一层时，需要将上次击实的土样刮毛。

制样步骤如下。

①根据之前得到的含水率，求出需要试样的总质量m：

（1）

式中：[ρd]表示最大干密度（g/cm3）;[V]表示试样的体积（cm3）;[ω]表示土样含水率（%）。

②清理干净压力室底座，土样下部垫滤纸，乳胶膜用四根乳胶圈扎牢在底座上，防止压力室水进入试样内。在底座上套上对开模承膜桶。

③土料分六次均匀加入承膜桶内，每层土样厚度为10cm。保证每个土样达到规定的压实度。土样装好后在上部垫上滤纸，将压力室上盖吊装在试样上部，用乳胶圈将乳胶膜扎牢固定在三轴试验机轴向压力压头。

④土样装好后，安装压力室，旋紧连接螺栓，连接好围压传感器、上孔压传感器和下孔压传感器。将压力室推在轴向作动器下方，降下小车轮子，压力室固定在实验台上。

1.3.2 压力室安装。将整个压力室系统清扫干净，并清点各个压力室的管路。对各个管路进行通水测试，确保每条管路畅通无阻。保证压力室的管路畅通以后，用机动起降机安装压力室罩，安装前确保压力室底座与上端的密封圈安装良好。安装好压力室罩以后，按照对角线的顺序，依次上紧螺钉，用力拧紧，确保密封效果。

1.3.3 试运行阶段。打开总电源开关，打开计算机，并打开空载运行程序。一切准备就绪，启动液压源，待整个试验系统稳定以后，将系统内部压力上调至8MPa。调整好推动器初始位置，推动压力室系统就位，连接好所有压杆以及管线。

1.3.4 加围压水。保持排气球阀常开，关闭所有的排水阀，打开进水阀，连接好进水管与进水阀。打开进水管，让水缓缓流进压力室，保持压力室内的压力维持在0.5MPa左右。当看到排气阀有水流出，证明压力室内的水已经注满，立即关闭排气阀门与进水阀门。

1.3.5 剪切。本次试验不需要饱和与固结，采取不固结不排水试验，固结完成后，不关闭排水阀门，每分钟轴向应变为0.1%～0.5%，轴向剪切速率范围是0.6～3mm。试验选择轴向剪切速率为3mm/min。当轴向力有峰值时，取峰值为破坏点，试验应进行到轴向力峰值后3%～5%;当轴向力无峰值时，试样一直处于强化状态，则轴向应变达到15%，取轴向应变为15%为破坏点，轴向变形应达到90mm。

1.3.6 试验结束。试验结束停机后，应先卸载轴向荷载，然后再卸载围压，当围压降至1MPa以下，打开排气阀。打开排水阀排水，降压，关闭电源。观察土样的形态，拍照，并准备下一组试验。该土样分别在100、200、300kPa以及500kPa的围压下进行各组试验。

2 试验结果分析

试验结束后，土样中间发生鼓胀，两端小中间大，形状呈梭形。试验前后试样外形变化如图2所示。

2.1 应力应变关系特征

试样应力应变曲线如图3所示。

由图3可以看出，在100kPa和200kPa的低围压状态下，土样应力应变曲线呈应变软化下降的态势，主应力差[δ1-δ3]先出现明显峰值，而后又逐渐减小。在试验正式加载前，我们通过击实以及固结，土样比较密实。在剪切过程中，由于试样比较密实，土样颗粒之间的翻滾更加容易发生。这主要是因为，当土体在低围压的控制下，剪切一旦发生，低围压限制土样颗粒之间措动的能力有限，土样更加容易发生剪胀破坏，外力需要对土样做功，因而土样的抗剪强度逐渐提高。土样在较低围压下出现应变软化的原因是：当主应力差[δ1-δ3]出现峰值的时候，土样颗粒之间发生了翻滚，土样变得较为稀松，土颗粒之间接触点减小引起咬合力的减小逐渐降低，形成应力减小。

由图3可以看出，在300kPa和500kPa的较大围压状态下，随着围压的不断升高，应力应变曲线的斜率越来越明显，土样的应力应变曲线呈应变硬化的态势，应变硬化的特性也越来越明显。这主要是因为，当土体在此围压的控制下，剪切一旦发生，高围压完全可以限制土样颗粒之间的滑动以及翻滚。这也导致了在大围压状态下，容易出现应变硬化的现象。试样的应力应变曲线在试验初期相对比较平滑，之后出现了波动的情形。这主要是因为试样在剪切初始阶段，曲线非常平滑，其变形是连续的、均匀的。随着试验的进一步进行，剪切进一步加深，土样会发生剪胀的现象，剪胀会使颗粒间的接触点减小。当压强增加到一定数值，超过了某一部分土颗粒承受极限，这时这一部分土颗粒会发生破碎，抗剪强度瞬间降低，颗粒之间重新排列组合，抗剪强度又瞬间提高。这也导致土样的应力应变曲线会出现一定波动。

2.2 基于莫尔-库仑破坏准则的强度特性分析

土样莫尔圆及抗剪强度包络线如图4所示。

莫尔-库仑破坏准则能客观反映土样的受力状态，在实际工程设计中使用较多。土样的强度包络线呈线性变化规律，满足库仑公式：

（2）

式中：[τf]表示抗剪强度（kPa）;[c]表示粘聚力（kPa）;[σ]表示法向应力（kPa）;[φ]表示内摩擦角。

在本次试验设置的围压下，土样抗剪强度包络线为直线，符合莫尔库仑强度准则，因此，可以得到土样的抗剪强度参数内摩擦角[φ]为43.32°、粘聚力c为52.4kPa。

通过不固结不排水三轴试验也可以证明，土样的颗粒之间也会存在粘聚力。在通常情况下，土样的粘聚力由很多因素组成，如静电引力、范德华力、颗粒间的胶结作用以及咬合力。在本次试验中，土样的粘聚力是由土颗粒之间的咬合力造成的，土颗粒之间没有胶结作用，颗粒间的接触方式是由点对点接触。颗粒间的组成成分、颗粒级配是复杂的，颗粒在围压作用下咬合到一起，所以会导致粘聚力的出现。

3 结论

①通过对拉林高等级公路路基土进行不固结不排水试验，获得了4个不同围压下的变形试验数据，为拉林高等级公路路基土的后期建设以及维护提供了参考数据

②土样在较低围压下出现应变软化，当主应力差[δ1-δ3]出现峰值时，土样颗粒之间发生翻滚，土样变得较为稀松，土颗粒之间接触点减小引起咬合力的减小逐渐降低，形成应力减小。

③土样在较大围压下，容易出现应变硬化，且应变硬化的特性越来越明显，当土体在此围压控制下，剪切一旦发生，高围压完全可以限制土样颗粒之间的滑动以及翻滚试样的应力应变曲线在试验的初始阶段比较平滑，之后颗粒的破碎会使应力应变曲线进入波动阶段。

④在剪切的初始阶段，试样的曲线非常平滑，其变形是连续的、均匀的。随着试验的进一步进行，剪切进一步加深，土样会发生剪胀现象，从而使得颗粒间的接触点减小。当压强增加到一定数值，超过了某一部分土颗粒承受极限时，这一部分土颗粒会发生破碎，抗剪强度瞬间降低，颗粒之间重新排列组合，抗剪强度又瞬间提高。这也导致土样的应力应变曲线会出现一定波动。

参考文献：

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