0.   引言

中国目前正在向交通强国加快迈进，城乡区域交通协调发展将达到新高度，中国的铁路交通正朝着互联互通、更快更广的技术层面进一步发展，在中国西部山区修建铁路便是突破关键的一步^[1]。然而，中国西部山区山峦叠嶂，横断山、秦岭、乌蒙山等大地势阶梯急变带地形复杂，在工程建设中经常会遇到填方工程，这些工程具有工期长、填方量大、填方高度高等特点^[2]，在施工过程中经常会发生路基土强度改变及路基变形等问题。因而，针对路基常用的粗粒土填料，研究其施工过程中的沉降问题，探究其强度特性与时间的关系，以便控制施工速度以及考虑保证高铁路基正常运行的安全措施, 有着非常重要的理论价值与现实意义。

在实际工程中，由于受到高山融雪及降雨、降雪等气候因素的影响，填料土体通常处于非饱和状态。因此，探究非饱和状态下，基质吸力对粗颗粒填料时效变形特性的影响具有重要理论价值与工程实践意义^[3-6]。但是对于填料土体的选取，目前主要倾向于黏土、粉土等细粒土。胡田飞等^[7]通过粉质黏土在不同应变速率和围压下的三轴试验，分析应变速率对应力-应变关系的影响机理。Wu等^[8]通过对重塑非饱和土进行各种速率控制的不排水三轴试验，研究了非饱和土在不同吸力和应变率下的水力力学行为。Fumio等^[9]总结了非黏结土和黏结土的黏性特性和加载速率对应力-应变特性的影响。

另外，对土体非饱和状态的研究方法主要包括控制含水量和基质吸力。Kamoun等^[10]通过控制饱和度，完成了不同应力水平下的非饱和土蠕变试验。Yao等^[11]通过控制含水量完成了软土的非饱和蠕变试验。这些研究取得了良好的结果。为了更有利于非饱和土蠕变模型的建立，很多学者也开展了直接控制基质吸力的试验研究。Lai等^[12]对控制吸力条件下滑坡的长期变形进行了试验研究。同样，Zhang等^[13]开展了长吸力下非饱和土的蠕变试验。王智超等^[14]采用轴平移技术定量化含水率，对非饱和压实黏土开展了可控基质吸力下的率敏性和蠕变试验，研究了基质吸力、应变速率和超固结比对土体时效变形的影响。Chen等^[15]通过对非饱和粗粒土进行一系列的三轴试验，得到了有效应力参数与基质吸力之间的关系，验证了吸力对充填材料时效压缩特性的影响。

由于开展常吸力下非饱和土率相关试验非常耗时，尤其是粗粒土试样，受试验仪器条件的限制较大，因此对常基质吸力下非饱和粗粒土的时效变形特特性的研究有限。鉴于上述情况，本文对粗颗粒填料的持水特性进行了研究，得到了土水特征曲线，并采用课题组研发的GDS三联非饱和土三轴仪，对非饱和粗粒土开展了一系列率相关试验研究，系统研究了基质吸力、应变率等因素对非饱和粗粒土的强度及变形特性的影响及内部存在的规律。

1.   试验设备及材料

试验采用的仪器为本课题组自主研制的GDS三联非饱和土三轴仪^[16]。该仪器将三个压力室并联，能通过GDS控制器分别对其围压、反压和气压进行控制，达到所需的吸力和净围压条件，同时3个压力室可以显著提高试验效率。

试验土体的颗粒级配曲线如图 1所示，级配曲线呈光滑下凹型式，坡度较缓，土粒大小连续，曲线主段粒径之间有一定变化规律，且计算得到不均匀系数C_u=49.00，曲率系数C_c=2.04，满足C_u≥5及C_c介于1~3之间的条件，属于级配良好填料。

图  1  颗粒级配曲线图

Figure  1.  Grain-size distribution curve

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2.   试验方案

2.1   粗粒土持水特性试验

采用压力板法对试验土体的持水能力进行测量，试验所使用的仪器为的美国Soilmoisture公司生产的压力板仪^[17]。其原理为利用轴平移技术控制土样的基质吸力。基质吸力量测范围由陶土板进气值而定，通常为1~1500 kPa。由于试样为粗粒土，利用压力板法即可实现全路径范围持水能力的测量。

本试验采用压力板仪对土样进行脱湿试验，首先设置基质吸力的路径依次为：0 kPa→2 kPa→10 kPa→16 kPa→52 kPa→150 kPa→378 kPa，其次依据颗粒级配曲线制取环刀样，环刀样尺寸为61.8 mm×40 mm。

判定土样达到平衡的标准为试样48 h排出水量小于0.1 g。各级基质吸力平衡时间约为15 d，施加的基质吸力越大，平衡时间越长。

2.2   常基质吸力下的应变率效应试验

试验中所用的试样尺寸为直径50 mm×高度100 mm。试验的最大干密度（1.934 g/cm³）作为初始干密度，具体试验控制条件如表 1所示。

表  1  试验控制条件

Table  1.  Control conditions in tests

围压σ3/kPa	基质吸力S/kPa	剪切速率v/(mm·min-1)
100，200	50，100，200	0.011
100	50，100，200	0.011，0.005，0.0025

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采用轴平移技术控制试样内部的基质吸力。调节气压阀控制气压大小，调节反压控制器控制反压大小，其差值即为基质吸力大小。试验过程中以恒定速率同时施加气压及围压，始终保持围压 > 孔隙气压 > 孔隙水压。当试验24 h内反压器内水量变化值小于土样的体积的0.05%，认为已达到平衡状态。

吸力平衡后，在常吸力下进行固结，在此阶段继续施加围压和轴压到试验设定值，并保持气压不变，使试样在此压力下充分固结，固结稳定标准同吸力平衡标准。

固结完成后，在恒定围压下进行应变率效应试验，按照设定的不同应变速率对试样进行三轴剪切，得到试样的应力-应变曲线与相应的应变-体变曲线。

3.   试验结果分析

3.1   土水特征曲线

试验土体的土水特征曲线（SWCC）如图 2所示。当基质吸力小于进气值时，土体处于饱和状态，基质吸力的增加几乎不影响体积含水量，随着吸力的继续增加，体积含水量明显下降。图中非饱和粗粒土的SWCC未出现明显的残余吸力值，这是由于粗粒土的颗粒和内部孔隙较大所致。

图  2  土水特征曲线

Figure  2.  Soil-water characteristic curve

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3.2   基质吸力的影响

针对非饱和粗粒土试样，在相同剪切速率（0.011 mm/min）条件下，开展不同基质吸力下的三轴剪切试验，忽略试验过程中基质吸力的轻微变化。不同围压下的应力-应变曲线如图 3所示。

图  3  土样在不同基质吸力下的应力-应变曲线

Figure  3.  Stress-strain-volume curves of soil samples under different matric suctions

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由图 3可知，围压越大，试样的剪切强度越大，在低基质吸力（50 kPa、100 kPa）情况下，围压越大，非饱和粗粒土的剪缩程度越大，随着基质吸力的增大，较高围压会使试样由剪胀状态转化为剪缩状态；随着基质吸力的增大，非饱和粗粒土的剪切强度明显增强，究其原因为：土的基质吸力越大，对应的含水率越低，致其压硬性越高，因而基质吸力会提高土的抗剪强度。土的应变-体变曲线变化规律一致，均向体缩状态发展，基质吸力越大，体缩越小，这是由于随着基质吸力的增大，非饱和粗粒土的含水率逐渐减小，此时土的压缩性较小，对应土的体缩程度越来越小。

为进一步探究不同围压下基质吸力对非饱和粗粒土剪切强度的影响规律，对不同围压下的试验数据采用下列公式进行拟合：

式中：τ为某一基质吸力下的峰值强度；${\tau _0}$为初始基质吸力下的峰值强度值；S为基质吸力，${S_0}$为初始基质吸力值；a，b为拟合参数。

由图 4中吸力与偏应力的拟合曲线和表 2中峰值强度拟合参数值可知，不同围压下的的基质吸力与偏应力关系可用一种统一的公式表示，基质吸力越大，非饱和粗粒土的剪切强度越高。

图  4  基质吸力与偏应力关系曲线

Figure  4.  Relation curves between matrix suction and deviatoric stress

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表  2  峰值强度拟合参数值

Table  2.  Values of fitting parameters of peak strength

围压σ/kPa	a	b	R2
100	6.358	48.834	0.996
200	28.619	219.054	0.907

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3.3   剪切速率的影响

试验土样在相同围压（100 kPa），相同基质吸力（100 kPa），不同剪切速率下的应力-应变曲线如图 5所示，其对应的体变曲线如图 6所示。可以看出：非饱和粗粒土的强度受应变率的影响显著，高应变率试样的应力-应变曲线位于低应变率试样上方，这与Pincus等^[18]得出的观点一致，产生此种现象的原因与粗粒土在剪切过程中颗粒破碎和重新排列引起的体积变化有关。由于土颗粒的破碎和重新排列需要时间，应变速率的增加导致土壤颗粒的破裂和重新排列时间减少，从而减少颗粒破碎量和重新排列，这也验证了剪切速率越高的试样，体缩程度越小。Zhang等^[19]在研究非饱和粒状底基层材料强度特性的试验中也验证了这一现象。如图 7所示，整体来看，不同基质吸力下非饱和粗粒土的强度与体变受剪切速率的影响变化趋势表现出高度一致性。且在低基质吸力下，剪切速率效应不显著，而在高基质吸力下，剪切速率效应较为明显，这与Rojas等^[20]的试验结论一致。

图  5  土样在不同剪切速率下的应力-应变曲线

Figure  5.  Stress-strain curves of soil samples under different shear rates

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图  6  土样在不同剪切速率下的体应变曲线

Figure  6.  Strain-volume curves of soil samples under different shear rates

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图  7  土样的剪切速率-峰值强度-体变曲线

Figure  7.  Shear rate-strength-volume curves of soil samples

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4.   结论

本文对中国山区高填方路基所用非饱和粗粒土填料进行了一系列控制基质吸力的率相关试验，系统研究了缩尺方法、围压、基质吸力及剪切速率对土体强度和变形特征的影响，主要结论如下：

（1）采用压力板仪测得的非饱和粗粒土的土水特征曲线（SWCC）未出现明显的残余吸力值，这是由于粗粒土本身颗粒较大，孔隙较大所致。

（2）不同围压下粗颗粒填料的峰值强度可表示为基质吸力的函数，并可用一种统一的公式表示。基质吸力越大，非饱和粗粒土的剪切强度越高，基质吸力在提高土的抗剪强度的同时，会减小土体的体缩程度。

（3）非饱和粗粒土的强度特性受应变率的影响显著，其中应变率越高，试样的峰值强度越大，其与粗粒土在剪切过程中颗粒破碎和重新排列引起的体积变化有关。应变率越高的试样对应的体积变形越小，剪缩程度越小，由此进一步验证了应变率越高的试样更容易出现剪胀现象。