不同加载频率和应力状态下细粒土路基动力特性研究.pdf
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1、不同加载频率和应力状态下细粒土路基动力特性研究刘侠,刘依依,瀚建1,冯豪杰,刘国强,蒋红光(1.济宁市鸿翔公路勘察设计研究院有限公司,山东济宁2 7 2 0 0 0;2.山东大学齐鲁交通学院,山东济南2 50 0 0 2)摘要:加载频率是反映交通荷载的重要参数,对路基动力特性的影响不容忽视。重点研究了在车辆荷载作用下,路基细粒土填料在不同加载频率和应力状态作用下的动力特性。研究结果表明:同一应力水平下,加载频率增大,路基动态回弹模量逐渐增大,阻尼比逐渐减小;围压减小将降低增大加载频率对动态回弹模量增大的影响,细粒土路基动态回弹模量在围压为35kPa和50 kPa下分别增大了5.86%和7.31
2、%;围压相同,动偏应力比越小,加载频率提升引起细粒土路基动态回弹模量增大的现象越明显;细粒土路基动态回弹模量随围压的增加而增大,随偏应力的增加而减小;在不同行车速度作用下,典型细粒土路基路床区的动态回弹模量在85.65 89.74 MPa。关键词:细粒土路基;动态回弹模量;动三轴试验;加载频率中图分类号:TU411.8Study on dynamic characteristicsof fine-grained soil subgrade underdifferent loading frequency andLIU Xia,LIU Yiyf,JU Jian,FENG Haojie,LIU G
3、uoqiang,JIANG Hongguang(1.Jining Hongxiang Highway Survey and Design Research Institute基金项目:国家自然科学基金面上项目资助,项目编号:52378353;山东省自然科学基金(面上)项目资助,项目编号:ZR2021ME103;山东省工业和信息化厅企业技术创新项目资助,项目编号:2 0 2 0 6 0 8 0 417 8。收稿日期:2 0 2 3-0 1-2 2作者简介:刘侠(19 7 7 一),男,山东潍坊人,高级工程师。Co.,Ltd.,Shandong Jining 272000 China;2.Shan
4、dong UniversitySchool of Qilu Transportation,Shandong Jinan 250002 China)Abstract:Loading frequency is an important parameterreflecting traffic load,and its influence on the dynamiccharacteristics of subgrade cannot be ignored.This paperfocuses on the dynamic characteristics of fine-grained soilsubg
5、rade under different loading frequencies and stressstates under the action of vehicle load.The results show thatat the same stress level,the dynamic resilient modulus ofsubgrade increases with the increase of loading frequencyand the decrease of damping ratio.Reducing the confiningpressure will redu
6、ce the influence of loading frequency onthe dynamic resilient modulus.The dynamic modulus of fine-grained soil roadbed increases by 5.86%and 7.31%whenthe confining pressure is 35 kPa and 50 kPa,respectively.Under the same confining pressure,the smaller the dynamic文献标识码:Adeviator stress ratio,the mor
7、e obvious the increase of thedynamic resilient modulus of fine-grained soil roadbedcaused by the increase of loading frequency.The dynamicmodulus of fine-grained soil subgrade increases withthe increase of confining pressure,and decreases with theincrease of deviator stress.Under different driving s
8、peeds,thestressstatedynamic resilient modulus of roadbed area under typical fine-grained soil subgrade is 85.65 89.74 MPa.Key words:fine-grained soil subgrade;dynamic resilientmodulus;dynamic triaxial test;loading frequency0引言近年来我国交通基础设施发展迅速,“十四五”期间我国高速公路建成里程将达到19 万km。路基作为路面结构重要的支撑结构,对保障和延长路面服役寿命至关重
9、要。路基在交通荷载下的力学性质常用动态回弹模量来描述。影响路基回弹模量的因素众多,刘维正等1通过动三轴试验研究发现路基土动态回弹模量随压实-1-刘侠,刘依依,鞠建,冯豪杰,刘国强,蒋红光:不同加载频率和应力状态下细粒土路基动力特性研究度和围压的增大而增大,随着动应力增大而减小,而随含水率减小急剧增大,从最佳含水率增加4.5%时,不同压实度下的模量均降低50%。凌建明等2 1研究了在有限湿度波动下回弹模量的变化规律,发现动态回弹模量会随着湿度波动次数的增加先减小,再逐渐趋于稳定,并且在波动初始的模量衰减最明显。蒋红光等【3 开展了不同应力水平下的动三轴试验,结果表明动态回弹模量随着偏应力比的提高
10、而呈指数式衰减,可划分为快速衰减、过渡及缓慢衰减三个区间,对应的偏应力比范围分别是0.2 1.0、1.0 2.0 和2.03.0。有关物理状态和应力水平对土体动态回弹模量影响的研究已较为成熟,但加载频率对于路基土动态回弹模量的影响尚无统一定论,蔡袁强等【4 利用GDS大型循环三轴试验系统研究了循环荷载频率对路基填料长期动力特性的影响,结果表明路基填料的动回弹模量随荷载频率增加而增加,且在较大循环应力比下,荷载频率对动模量的影响更为显著。ZHAO等【5也得到了加载频率越高,动态回弹模量越大的结论。刘飞禹等6 认为改变频率对于动弹性模量的衰减规律影响很小。李金秋等【7 研究了振动频率对土体变形的影
11、响,发现振动频率对土体变形的影响存在一个频率临界值,在这个临界值前后土体变形均会增加。加载频率是反映交通荷载的重要参数,频率随行车速度的增加而增加,对于路基动力特性的影响不容忽视。因此,重点研究了在车辆荷载作用下,细粒土路基在不同加载频率和应力状态作用下的动力特性。1试验土样与方案1.1试验土样本研究所使用的土样取自济青高速公路的路基填料,取土深度为3m,按照公路土工试验规程(J T G 3430 2 0 2 0)【8 开展一系列室内试验,获得试验土样的基本物性指标见表1。试验所用的粉质黏土中粉粒与黏粒含量占比最大,为9 7%,其中粉粒占比85.92%,黏粒占比11.0 8%。使用该土样制备直
12、径为50mm、高度为10 0 mm的圆柱体试件,高径比为2。表1土样基本物性指标粒径分布/%最大干最佳液限塑限塑性密度/含水率1%(gcm)1%1.9112.0031.1919.9811.2116.9080.101.2加载方案基于CGDS动三轴系统开展动态加载试验,各组工况见表2。-2-表2 试验工况加载频率围压/含水率W/%压实度K/%动偏应力比8f/HzkPa.50505013521296由表2 可知,试件的初始压实度为9 6%,对应规范公路路基设计规范(JTGD302015)【9 中路床区的压实度要求,初始含水率为土样的最佳含水率12%。加载频率是反映交通荷载的重要参数,根据现有研究,公
13、路路基频率分布在0.1 10 Hz,因此本试验分别选取加载频率为1Hz、2 Hz、3Hz、5Hz 进行研究。根据路基内的应力水平统计结果【10 1,试验所选取的围压为2 0 kPa、35k P a、50 k P a。试件先在设置的目标围压下进行各向同性固结,然后施加循环偏应力进行动态加载试验。定义的动偏应力比8:S=0a/03式中:为循环偏应力,kPa;O,为围压,kPa。试验的加载波形为正弦波,见图1。加载基准值1.2031%指数557575250mm3.000.701.001.501.00351.4335加载时间/s图1加载波形示意图um2试验结果与分析2.1加载频率对细粒土回弹特性的影响
14、细粒土试件在围压50 kPa,动偏应力比为1时,4种不同加载频率(1Hz、2 H z、3H z、5H z)作用下,经过动态加载得到的应力-应变滞回特性曲线见图2。352020202.141.752.504.50(1)Od山东交通科技9080F-;=50 kPa f=1 Hz70F60F5.403020F100.360.38900800;=50 kPa f=2 Hz7060504030201000.360.389080F03=50kPa f=3 Hz7060d504020100.369080F0 3=50 kPa f=5 Hz70603020100.360.38图2 不同加载频率下的应力应变滞回
15、特性曲线2023年第5期从图2 可以看出,随着加载频率增大,应力-应变曲线滞回圈的面积逐渐减小,至5Hz时曲线已接近线型,土体特性由弹黏性逐渐表现为近似线弹性。引人阻尼比来表征土体的能量耗散,计算公式 元=1x44元As式中:A为滞回圈的面积;A为滞回圈中最大偏应力与最大轴向应变以及原点构成的三角形的面积。0.400.42轴向应变/%(a)f=1 Hz0.400.42轴向应变/%(b)f=2 Hz0.380.40轴向应变/%(c)f=3Hz0.400.42轴向应变/%(d)f=5 Hz.(2)0.440.460.440.460.420.44.0.44计算得围压50 kPa,动偏应力比为1时,4
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