拉林高等級公路路基土靜力特性大型三軸試驗研究

廖桄辰 魏建飛 向睿 王培清

摘 要：本文選取拉林高等級公路工布江達縣江達鄉(xiāng)東南方向的砂卵石路堤土，簡要介紹了該土樣的基本物理參數指標，詳細介紹了粗顆粒土動靜三軸試驗儀的各項參數指標以及試驗步驟。最后，該土樣分別在100、200、300kPa以及500kPa的圍壓下進行各組試驗，并對其進行應力應變關系特征分析與強度特性分析。

關鍵詞：拉林高等級公路;應力應變關系;強度特性

中圖分類號：U416.1 文獻標識碼：A 文章編號：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

西藏位于我國西南地區(qū)。近年來，國家愈發(fā)重視藏區(qū)內的基礎設施建設，拉林高等級公路和川藏鐵路拉林線也在如火如荼地建設之中。這些基礎設施的建成，將極大改善藏區(qū)內人民的生活水平[1]。起于拉薩，止于林芝的高等級公路，也被稱為拉林高等級公路，其是一條連接拉薩與林芝的高等級公路。拉林高等級公路建設線路區(qū)內地貌特征主要是高原山地地貌和沖洪積地貌[2-4]。

1 試驗介紹

1.1 試驗準備

本文選取的樣本是拉林高等級公路工布江達縣江達鄉(xiāng)東南方向約1.93km處的砂卵石路堤位，此處地貌類型是河流階地。河流階地是由河流下的河漫灘侵蝕形成的。隨著河流減少和地殼上升，河漫灘相對河床的位置增加[5，6]。在洪水期，河水不能將河漫灘淹沒。此時，河漫灘便成為河流階地。該砂卵石路堤的基本成分是砂卵石土[7，8]。

本文采用了《土的分類標準》（GBJ 145—90）。根據室內大型篩分試驗與室內大型擊實試驗，大致得到此土樣的顆粒級配、粗顆粒含量、不均勻系數以及曲率系數。土樣中的部分顆粒光滑無棱角，其粒徑大致分布在35～55mm;土樣中的部分顆粒光滑無棱角且有條狀，其粒徑大致分布在25～35mm;土樣中的部分顆粒光滑無棱角，但部分顆粒破碎，其粒徑大致分布在15～25mm;土樣中的部分顆粒破碎且?guī)в屑鉅睿淞酱笾路植荚?～15mm;粒徑小于2mm的顆粒為砂顆粒，形狀極不規(guī)則，多呈枝狀和片狀結構。土樣中粗粒含量[P6]（粒徑大于6mm的顆粒含量）為65.20%，不均勻系數[Cu]為116.32，曲率系數[Cc]為23.24。

1.2 試驗儀器

本試驗采用西藏農牧學院、高原水力發(fā)電大廳-電液伺服粗顆粒土動靜三軸試驗儀，主要用于各類試驗土樣的軸向壓力和側向壓力的強度試驗、土動力學試驗。該壓力室系統(tǒng)基本由九大部分組成：圍壓施加作動器系統(tǒng)、軸向加載系統(tǒng)、三軸壓力室系統(tǒng)、對開模具附件、體變測量系統(tǒng)、擊實器、機架部分、小車系統(tǒng)及電氣控制部分。三軸試驗儀器外觀和構造圖如圖1所示，其主要技術參數如表1所示。

1.3 試驗步驟

根據《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40—2007），大型三軸試驗具體試驗[9]步驟如下。

1.3.1 土樣制備。需要制備的試驗土樣高度為650mm，直徑為350mm。試樣上、下段均有防止泥沙進入管道的過濾紙和通氣、水的透水板，放好透水板和過濾紙之后，把對開模套在壓力室的底座上面，使三軸試驗乳膠膜與對開模緊密貼合。將試樣分5次，分別放入對開模中，每放一層，擊實一層，再放入另外一層時，需要將上次擊實的土樣刮毛。

制樣步驟如下。

①根據之前得到的含水率，求出需要試樣的總質量m：

（1）

式中：[ρd]表示最大干密度（g/cm3）;[V]表示試樣的體積（cm3）;[ω]表示土樣含水率（%）。

②清理干凈壓力室底座，土樣下部墊濾紙，乳膠膜用四根乳膠圈扎牢在底座上，防止壓力室水進入試樣內。在底座上套上對開模承膜桶。

③土料分六次均勻加入承膜桶內，每層土樣厚度為10cm。保證每個土樣達到規(guī)定的壓實度。土樣裝好后在上部墊上濾紙，將壓力室上蓋吊裝在試樣上部，用乳膠圈將乳膠膜扎牢固定在三軸試驗機軸向壓力壓頭。

④土樣裝好后，安裝壓力室，旋緊連接螺栓，連接好圍壓傳感器、上孔壓傳感器和下孔壓傳感器。將壓力室推在軸向作動器下方，降下小車輪子，壓力室固定在實驗臺上。

1.3.2 壓力室安裝。將整個壓力室系統(tǒng)清掃干凈，并清點各個壓力室的管路。對各個管路進行通水測試，確保每條管路暢通無阻。保證壓力室的管路暢通以后，用機動起降機安裝壓力室罩，安裝前確保壓力室底座與上端的密封圈安裝良好。安裝好壓力室罩以后，按照對角線的順序，依次上緊螺釘，用力擰緊，確保密封效果。

1.3.3 試運行階段。打開總電源開關，打開計算機，并打開空載運行程序。一切準備就緒，啟動液壓源，待整個試驗系統(tǒng)穩(wěn)定以后，將系統(tǒng)內部壓力上調至8MPa。調整好推動器初始位置，推動壓力室系統(tǒng)就位，連接好所有壓桿以及管線。

1.3.4 加圍壓水。保持排氣球閥常開，關閉所有的排水閥，打開進水閥，連接好進水管與進水閥。打開進水管，讓水緩緩流進壓力室，保持壓力室內的壓力維持在0.5MPa左右。當看到排氣閥有水流出，證明壓力室內的水已經注滿，立即關閉排氣閥門與進水閥門。

1.3.5 剪切。本次試驗不需要飽和與固結，采取不固結不排水試驗，固結完成后，不關閉排水閥門，每分鐘軸向應變?yōu)?.1%～0.5%，軸向剪切速率范圍是0.6～3mm。試驗選擇軸向剪切速率為3mm/min。當軸向力有峰值時，取峰值為破壞點，試驗應進行到軸向力峰值后3%～5%;當軸向力無峰值時，試樣一直處于強化狀態(tài)，則軸向應變達到15%，取軸向應變?yōu)?5%為破壞點，軸向變形應達到90mm。

1.3.6 試驗結束。試驗結束停機后，應先卸載軸向荷載，然后再卸載圍壓，當圍壓降至1MPa以下，打開排氣閥。打開排水閥排水，降壓，關閉電源。觀察土樣的形態(tài)，拍照，并準備下一組試驗。該土樣分別在100、200、300kPa以及500kPa的圍壓下進行各組試驗。

2 試驗結果分析

試驗結束后，土樣中間發(fā)生鼓脹，兩端小中間大，形狀呈梭形。試驗前后試樣外形變化如圖2所示。

2.1 應力應變關系特征

試樣應力應變曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，在100kPa和200kPa的低圍壓狀態(tài)下，土樣應力應變曲線呈應變軟化下降的態(tài)勢，主應力差[δ1-δ3]先出現(xiàn)明顯峰值，而后又逐漸減小。在試驗正式加載前，我們通過擊實以及固結，土樣比較密實。在剪切過程中，由于試樣比較密實，土樣顆粒之間的翻滾更加容易發(fā)生。這主要是因為，當土體在低圍壓的控制下，剪切一旦發(fā)生，低圍壓限制土樣顆粒之間措動的能力有限，土樣更加容易發(fā)生剪脹破壞，外力需要對土樣做功，因而土樣的抗剪強度逐漸提高。土樣在較低圍壓下出現(xiàn)應變軟化的原因是：當主應力差[δ1-δ3]出現(xiàn)峰值的時候，土樣顆粒之間發(fā)生了翻滾，土樣變得較為稀松，土顆粒之間接觸點減小引起咬合力的減小逐漸降低，形成應力減小。

由圖3可以看出，在300kPa和500kPa的較大圍壓狀態(tài)下，隨著圍壓的不斷升高，應力應變曲線的斜率越來越明顯，土樣的應力應變曲線呈應變硬化的態(tài)勢，應變硬化的特性也越來越明顯。這主要是因為，當土體在此圍壓的控制下，剪切一旦發(fā)生，高圍壓完全可以限制土樣顆粒之間的滑動以及翻滾。這也導致了在大圍壓狀態(tài)下，容易出現(xiàn)應變硬化的現(xiàn)象。試樣的應力應變曲線在試驗初期相對比較平滑，之后出現(xiàn)了波動的情形。這主要是因為試樣在剪切初始階段，曲線非常平滑，其變形是連續(xù)的、均勻的。隨著試驗的進一步進行，剪切進一步加深，土樣會發(fā)生剪脹的現(xiàn)象，剪脹會使顆粒間的接觸點減小。當壓強增加到一定數值，超過了某一部分土顆粒承受極限，這時這一部分土顆粒會發(fā)生破碎，抗剪強度瞬間降低，顆粒之間重新排列組合，抗剪強度又瞬間提高。這也導致土樣的應力應變曲線會出現(xiàn)一定波動。

2.2 基于莫爾-庫侖破壞準則的強度特性分析

土樣莫爾圓及抗剪強度包絡線如圖4所示。

莫爾-庫侖破壞準則能客觀反映土樣的受力狀態(tài)，在實際工程設計中使用較多。土樣的強度包絡線呈線性變化規(guī)律，滿足庫侖公式：

（2）

式中：[τf]表示抗剪強度（kPa）;[c]表示粘聚力（kPa）;[σ]表示法向應力（kPa）;[φ]表示內摩擦角。

在本次試驗設置的圍壓下，土樣抗剪強度包絡線為直線，符合莫爾庫侖強度準則，因此，可以得到土樣的抗剪強度參數內摩擦角[φ]為43.32°、粘聚力c為52.4kPa。

通過不固結不排水三軸試驗也可以證明，土樣的顆粒之間也會存在粘聚力。在通常情況下，土樣的粘聚力由很多因素組成，如靜電引力、范德華力、顆粒間的膠結作用以及咬合力。在本次試驗中，土樣的粘聚力是由土顆粒之間的咬合力造成的，土顆粒之間沒有膠結作用，顆粒間的接觸方式是由點對點接觸。顆粒間的組成成分、顆粒級配是復雜的，顆粒在圍壓作用下咬合到一起，所以會導致粘聚力的出現(xiàn)。

3 結論

①通過對拉林高等級公路路基土進行不固結不排水試驗，獲得了4個不同圍壓下的變形試驗數據，為拉林高等級公路路基土的后期建設以及維護提供了參考數據

②土樣在較低圍壓下出現(xiàn)應變軟化，當主應力差[δ1-δ3]出現(xiàn)峰值時，土樣顆粒之間發(fā)生翻滾，土樣變得較為稀松，土顆粒之間接觸點減小引起咬合力的減小逐漸降低，形成應力減小。

③土樣在較大圍壓下，容易出現(xiàn)應變硬化，且應變硬化的特性越來越明顯，當土體在此圍壓控制下，剪切一旦發(fā)生，高圍壓完全可以限制土樣顆粒之間的滑動以及翻滾試樣的應力應變曲線在試驗的初始階段比較平滑，之后顆粒的破碎會使應力應變曲線進入波動階段。

④在剪切的初始階段，試樣的曲線非常平滑，其變形是連續(xù)的、均勻的。隨著試驗的進一步進行，剪切進一步加深，土樣會發(fā)生剪脹現(xiàn)象，從而使得顆粒間的接觸點減小。當壓強增加到一定數值，超過了某一部分土顆粒承受極限時，這一部分土顆粒會發(fā)生破碎，抗剪強度瞬間降低，顆粒之間重新排列組合，抗剪強度又瞬間提高。這也導致土樣的應力應變曲線會出現(xiàn)一定波動。

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