干湿循环和动载作用下粉砂土累积变形研究.pdf
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1、NO.9(Ser.300)JOURNALOFRAILWAY ENGINEERINGSOCIETY第9 期(总3 0 0)Sep2023学程报道铁2023年9 月文章编号:10 0 6-2 10 6(2 0 2 3)0 9-0 0 0 1-0 7干湿循环和动载作用下粉砂土累积变形研究田小革*李光耀窦文利?2昶慧芹3李慧珍4胡宏立罗楚钰(1.长沙理工大学,长沙410 114;2.河北省高速公路京雄筹建处,保定0 7 17 0 0;3.承德市交通局交通规划设计院,承德0 6 7 0 0 0;4.河北高速公路集团有限公司,石家庄0 5 0 0 3 1)摘要:研究目的:粉砂土分布地区路基在干湿循环及行车
2、荷载往复作用下累积变形特性更加复杂,影响路基在服役期间的耐久性。本文通过室内GDS动三轴试验测试围压、含水率、动应力幅值、压实度以及干湿循环次数对粉砂土在动载作用下的累积变形特性规律,并基于Monismith模型对试验结果进行回归,分析粉砂土在不同因素影响下累积塑性应变模型的参数值变化规律。研究结论:(1)粉砂土累积塑性应变与荷载振动次数呈现非线性关系,均表现出先快速增长后缓慢增长,最终趋于稳定;(2)累积塑性应变的大小与压实度、围压呈负相关性,而与动应力幅值、干湿循环次数呈正相关性,随着含水率的增长,累积塑性应变先减小后增大;(3)试样经过1次干湿循环后,其累积塑性应变增长幅度最为显著;(4
3、)根据Monismith模型得到的预测值与试验值拟合度较高,模型参数a/c值大小在一定程度上可以反映不同因素影响下粉砂土累积塑性应变变化规律;(5)本研究结论可为粉砂土地区路基在动载和干湿循环作用下的动力特性研究提供参考和借鉴,关键词:粉砂土;干湿循环;动载;累积变形;动三轴试验中图分类号:U416.1文献标识码:AStudy on Cumulative Deformation of Silty Soil under Dry-wet Cycle andDynamic LoadTIAN Xiaoge,LI Guangyao,DOU Wenli?,CHANG Huiqin,LI Huizhen,H
4、U Hongli,LUO Chuyu(1.Changsha University of Science&Technology,Changsha,Hunan 410114,China;2.Hebei Provincial ExpresswayJingxiong Preparatory Office,Baoding,Hebei 071700,China;3.Transportation Planning and Design Institute ofChengde Transportation Bureau,Chengde,Hebei 067000,China;4.Hebei Expressway
5、 Group Co.Ltd,Shijiazhuang,Hebei 050031,China)Abstract:Research purposes:The cumulative deformation characteristics of subgrade in silty soil distribution areaunder dry-wet cycle and vehicle-load are more complex,which affects the durability of subgrade during service.Inthis paper,GDS dynamic triaxi
6、al test was conducted to test the cumulative deformation characteristics of silty soil underdynamic load,including confining pressure,moisture content,dynamic stress amplitude,compacting degree andnumber of dry-wet cycles.The regression analysis of test results was conducted based on Monismith model
7、,and thevariation law of the parameter values of the cumulative plastic strain model for silty soils under the influence of different米收稿日期:2 0 2 2-0 5-12基金项目:国家自然科学基金(5 19 7 8 0 8 6,5 2 2 7 8 43 8);湖南省研究生科研创新项目(CX20210750);河北省交通运输厅科技项目(JX-202012)*作者简介:田小革,19 7 0 年出生,男,教授。2023年9 月报程道铁学factors was ana
8、lyzed.Research conclusions:(1)The cumulative plastic strain of silty soil shows a nonlinear relationship with the number ofload vibration,which increases rapidly first,then slowly,and finally tends to be stable.(2)The cumulative plasticstrain is negatively correlated with the compaction degree and c
9、onfining pressure,but positively correlated with thedynamic stress amplitude and the number of wet-dry cycles.With the increase of moisture content,the cumulativeplastic strain decreases first and then increases.(3)The cumulative plastic strain increases most significantly afterI wet-drycycle.(4)The
10、 predicted values obtained by Monismith model fit well with the experimental values,and the a/c valuesof the model parameters can reflect the variation of the cumulative plastic strain of silty soil under the influence ofdifferent factors to a certain extent.(5)The research conclusion can provide re
11、ference for the dynamic characteristics ofsubgrade in silty soil region under dynamic load and dry-wet cycle.Key words:silty soil;dry-wet cycle;dynamic load;accumulative deformation;dynamic triaxial test路基土在行车荷载的反复作用下随着时间的推移会产生不可恢复的累积变形,特别是在降雨和蒸发这种干湿循环作用下,路基土的动力响应更加复杂 1.2 。在我国粉砂土广泛分布地区,不可避免地会将粉砂土或其改
12、良土作为路基填料修筑高速公路或高速铁路,在干湿循环和车辆动载作用下产生的累积变形会加速路基的不均匀沉降,继而产生附加应力,对路面结构造成影响 3.4。因此,研究干湿循环和动载作用下粉砂土的累积变形规律对于提高粉砂土地区路基路面的耐久性具有重要意义。国内外已有一些学者对粉砂土进行了研究,Mag-istris等5 对粉砂土进行三轴压缩试验,结果表明初始含水率和初始干密度对试样的应力应变曲线影响显著。程培峰等 6 通过对成型后的不同压实度、含水率下的粉砂土试样进行室内冻胀试验,研究发现其冻胀率与压实度和含水率有较大关联,基于试验数据得到了冻胀预估模型。宋宽 7 将车辆荷载简化为均布恒载,用FLAC3
13、D软件研究了不同工况下路基粉砂土的变形规律。孙静等 8 1利用GDS动三轴试验研究了粉砂土在多次冻融循环后动模量变化规律,发现随着冻融循环次数的增加,动模量逐渐减小。王欢等 9 分析了干湿循环条件下粉砂土改良膨胀土的力学特性,研究发现随着干湿循环次数的增加,土体的抗剪强度逐渐降低。可见,不同学者对粉砂土的研究大多只关注其在静载作用下的力学特性,或者动载作用下季节性冻土地区的冻融变形,缺乏干湿循环和交通动载作用下的累积变形规律探讨。为此,本文通过增湿和脱湿方法来实现不同次数的干湿循环方案设计,采用GDS动三轴仪进行动载条件下的粉砂土累积变形试验,分析干湿循环次数、围压、含水率、压实度、动应力幅值
14、对粉砂土累积变形特性的作用规律,并基于Monismith模型对试验结果进行回归分析,以期为粉砂土地区路基服役性能提供理论支撑。1土样及试验方案1.1试验土样本文试验用土取自雄安新区某高速公路沿线粉砂土,基本物理性能如表1所示。表1路基粉砂土基本物理参数天然天然最大干最佳含液限 塑限塑性含水率密度/密度/水率/%/%/%指数/%(gcm3)(gcm-)7.41.7212.21.8626.513.4 13.11.2干湿循环方案采用水雾湿化和烘箱脱湿的方法来模拟干湿循环过程,按照土样所需初始含水率OMC制备直径10 0 mm、高2 0 0 mm的圆柱体试件,然后将试件脱湿至含水率OMC-3%,再增湿
15、至含水率OMC+3%,至此完成一次干湿循环过程。增湿过程采用水雾湿化,利用加湿器对样品进行均匀喷洒,每隔1h称量试样的质量并计算试样的含水率,反复多次进行该操作,直至试样含水率达到预定值,之后用保鲜膜将试样包裹置于阴?通风处48 h以上,保证喷洒的水分能够在试样中分布均匀。脱湿过程是将静置48 h以上的试样放入烘箱中干燥,每间隔3 0 min将试样拿出称量试样质量并计算含水率,当达到下限含水率要求的质量时将试样取出。本文干湿循环次数选取n=0,1,4,7。1.3动三轴加载方案试验加载采用型号为Dynatriax100/14的CDS动三轴试验系统,如图1所示。考虑围压、含水率、动应力幅值、压实度
16、和干湿循环次数对动力特性的影响,具体方案如表2 所示。李光耀田小革窦文利等:干湿循环和动载作用下粉砂土累积变形研究第9 期作动器控制系统气压调节系统压力室底座图1GDS动三轴试验系统表2动三轴试验方案干湿循环围压含水率动应力压实度次数/kPa/%幅值/kPa/%30,60.901250963010、12.14509601、4.7301225,50759630125090.93,96动三轴试验加载频率设置为1Hz,其中加载时间与间歇时间分别为0.1s、0.9 s。为模拟实际路基受到停靠的车辆、行人和建筑物的静荷载作用,在施加围压后再施加0.5 3的静偏应力,整个试验过程为不排水条件,循环荷载次数
17、设置为10 0 0 0 次2试验结果与讨论2.1围压的影响图2 为试样在最佳含水率12%、动应力幅值5 0 kPa、压实度9 6%情况下加载不同围压(3 0 kPa、6 0 k P a、90kPa)时,不同干湿循环次数下试样累积塑性应变随动载循环振次的变化曲线。由图2 可以发现,不同围压下粉砂土的累积塑性应变随振次的增加均表现出先快速增长后缓慢增长,最终趋于稳定的趋势。围压越大,相同振次下累积变形越小,例如当n=0,振次为10 0 0 0 次时,围压为30kPa的粉砂土累积塑性应变是6 0 kPa时的1.9 7 倍,是90kPa时的2.6 0 倍,这说明离路基顶面距离较远的土0.350.9注:
18、口30 kPa;注:30kPa;60kPa;0.860kPa;0.3090kPa90kPa0.70.250.60.200.50.40.150.30.100.20.050.10002000400060008000100000200040006.000800010000振次/次振次N/次(a)n=0(b)n=11.01.2注:30kPa;注:30kPa;60kPa;60kPa;90kPa1.090kPa0.80.80.60.60.40.40.20.20002.00040006000800010.00002 000400060008 00010.000振次/次振次N/次(c)n=4(d)n=7图2不
19、同围压下累积塑性应变与振次关系42023年9 月报程铁学道体在动荷载作用下产生的累积塑性变形较小,究其原因,是由于围压越大,土体受到的周围约束程度越高。干湿循环次数对土体的累积塑性应变有明显影响,土体试样经过1次干湿循环作用会对土颗粒间的联结造成损伤,破坏了土体结构,但其破坏程度有限,而经过多次干湿循环作用后,土体颗粒之间的联结逐渐趋于稳态,结构趋于稳定,故宏观上表现为试样干湿循环次数从0 次到1次,即初次干湿时,累积变形增幅较大,从1次进行到7 次时,累积变形增幅放缓。2.2含水率的影响图3 为试样在围压3 0 kPa、动应力幅值5 0 kPa、压实度9 6%、不同含水率(10%、12%、1
20、4%)时,不同干湿循环次数下试样累积变形随循环振次的变化曲线。0.451.0注:10%;注:10%;12%;12%;0.4014%14%0.80.35%0.300.60.250.200.40.150.100.20.050002000400060008000100000200040006000800010000振次N/次振次N/次(a)n=0(b)n=11.21.2注:10%;注:10%;12%;12%;14%1.014%1.0%0.80.80.60.60.40.40.20.20002.00040006 0008000100000200040006000800010000振次N/次振次/次(c)
21、n=4(d)n=7图3不同含水率下累积塑性应变与振次关系由图3 可知,在相同的干湿循环次数下,粉砂土累积塑性应变随动荷载循环振次的增加呈现非线性增加,并逐渐趋于稳定。试样含水率为12%时,最终趋于稳定时的试样累积塑性应变最小。分析其原因,是由于随着含水率的增加,土体当中的自由水含量增多,导致了粉砂土颗粒中的结合水膜厚度增加,致使土颗粒在循环荷载的作用下更容易发生相对位移,抵抗变形的能力降低。因此,在相同的动应力幅值和压实度下,当土体含水率超过最佳含水率后,含水率的增加会增大土样塑性应变的累积。这表明:如果路基含水率较大,在运营期车辆荷载的循环作用与干湿交替的情况下,会加剧路基的永久变形累积。2
22、.3动应力幅值的影响图4为试样在围压3 0 kPa、含水率12%、压实度96%、不同动应力幅值(2 5 kPa、5 0 k P a、7 5 k P a)时,不同干湿循环次数下试样累积变形随振次的变化规律。由图4可知,在同一干湿循环次数下,试样累积塑性应变均随着动应力幅值的增大而增大,这是因为在相同的试验条件下,动应力幅值越大,循环荷载对土体所产生的能量越大,单位时间内土体所吸收的能量也就越多。此外,当动应力幅值较低时,累积塑性应变在较少的动荷载振次下更快趋于稳定,相反,当动应力幅值越大,累积变形趋于收敛稳定所需的振次越多。干湿循环次数与土样的累积塑性应变呈现正相关关系,李光耀田小革窦文利等:干
23、湿循环和动载作用下粉砂土累积变形研究第9 期可见,实际运营期的道路如果超载现象比较严重,在超载和路基干湿交替的作用下,会加剧路基土的动力响应,造成路基土产生较大的塑性变形累积。0.551.0注:7 5 kPa;注:7 5 kPa;50kPa;0.5050kPa;25kPa25kPa0.450.8%0.40%0.350.60.300.250.40.200.150.20.100.05000200040006000800010 0000200040006000800010000振次/次振次/次(a)n=0(b)n=11.6注:75kPa;注:7 5 kPa;50kPa;:50kPa;1.21.425
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