淺談路基土的應力—應變特性

金碧蓉

(貴州省德江公路管理段)

淺談路基土的應力—應變特性

金碧蓉

(貴州省德江公路管理段)

摘 要:路基是路面結構的支承體，車輪荷載通過路面結構傳至路基，所以路基土的應力—應變特性對路基路面結構的整體強度和剛度有很大影響。從幾個方面介紹路基的應力—應變特性。

關鍵詞:路基土;應力;應變;特性

路面結構的損壞除了它本身的原因之外，路基的變形過大是重要原因之一。路基土的變形包括彈性變形和塑性變形兩部分。過大的塑性變形將導致各種瀝青路面產(chǎn)生車轍和縱向不平整，對于水泥混凝土路面，路基土的塑性變形將引起板塊斷裂。彈性變形過大將使得瀝青面層和水泥混凝土面板產(chǎn)生疲勞開裂。在路面結構總變形中，土基的變形占很大部分，約占70% ～95%，所以提高路基土的抗變形能力是提高路基路面結構整體強度和剛度的重要方面。

理想的線性彈性體在一定的應力范圍內(nèi)，應力與應變的關系呈線性特性。而且當應力消失時，應變隨之消失，恢復到初始狀態(tài)。路基土的內(nèi)部結構十分復雜，包括固相、液相和氣相三部分所組成，固相部分又由不同成分、不同粒徑的顆粒所組成，所以路基土在應力作用下呈現(xiàn)的變形特性同理想的線性彈性體有很大區(qū)別。

壓入承載板試驗是研究土基應力—應變特性最常用的一種方法。這種方法是以一定尺寸的剛性承載板置于土基頂面，逐級加荷卸荷，記錄施加于承載板上的荷載及由該荷載所引起的沉降變形，根據(jù)試驗結果，可繪出土基頂面壓應力與回彈變形的關系曲線。根據(jù)彈性力學理論，通過試驗測得的回彈變形可以用式(1)計算土基的回彈模量

式中:l為承載板的回彈變形，m;D為承載板的直徑，m;E為土體的回彈模量，kPa;μ為土體的泊松比;p為承載板壓強，kPa。

假如土體為理想的線性彈性體，則E應為一常量，施加的荷載p與回彈變形之間應呈直線關系。但是實際上土基的回彈模量E并不是常數(shù)。

土基應力—應變的非線性特性由三軸壓縮試驗的結果也可以證明。土的豎向壓應變可以按照式(2)計算性質(zhì)。

式中:ε1為豎向應變;σ1為豎向應力，kPa;σ為側向應力，kPa;E為士的彈性模量，kPa;μ為土的泊松比，約為0.3～0.5，隨土質(zhì)而異。

當側向應力σ3保持一個常數(shù)不變，若E值為常數(shù)時，豎向應力σ1與豎向變ε1之間應保持直線關系。但是實際試驗結果表明，σ1與ε1之間普遍存在著非線性關系，所以E值不能視為不變的常量。

土體在內(nèi)部應力作用下表現(xiàn)出的變形，從微觀的角度看，是土的顆粒之間的相對移動。當移動的距離超出一定限度時，即使將應力解除，土體的顆粒已不再能回復原位;從宏觀角度看，土基將產(chǎn)生不可恢復的殘余變形。因此，土基的應力—應變關系除了出現(xiàn)非線性特性之外，還表現(xiàn)出彈塑性

盡管土基的應力—應變關系如此復雜，但是在評定土基應力—應變狀態(tài)以及設計路面時通常仍然用模量值E來表征。最簡單的方法是采用局部線性化的方法，即在曲線的某一個微小線段內(nèi)，近似地將它視為直線，以它的斜率作為模量值。按照應力—應變曲線上應力取值方法的不同，模量有以下幾種。

(1)初始切線模量:應力值為零時的應力—應變曲線的斜率。

(2)切線模量:某一應力級位應力—應變曲線的斜率，反映該級應力處應力—應變變化的精確關系。

(3)割線模量:以某一應力值對應的曲線上的點同起始點相連的割線的斜率，反映土基在工作應力范圍內(nèi)的應力—應變的平均狀態(tài)。

(4)回彈模量:應力卸除階段，應力—應變曲線的割線模量。

前三種模量中的應變值包含殘余應變和回彈應變，而回彈模量則僅包含回彈應變，它部分地反映了土的彈性性質(zhì)。

土基應力—應變的非線性特性還有另一種表示方法，即將回彈模量值以應力或應變的函數(shù)形式來表示。如根據(jù)試驗結果，砂性土路基的回彈模量可以按式(3)計算確定。

式中:En為土基回彈模量，kPa;θ為全應力，即三向主應力之和，θ=σ1+σ2+σ3，kPa;K1，K2為回歸常數(shù)。

對于黏性土，其模量值隨應力的變化又有另外的形式。在一定的應力范圍內(nèi)，隨著應力的增加，模量逐漸降低，超過一定范圍后，模量又緩慢增大。式(4)表示典型的黏性土的回彈模量與應力的函數(shù)關系。

式中:ER為土基回彈模量，kPa;σ1，σ3為最大、最小主應力，kPa;K1，K2為系數(shù)，回歸常數(shù)，kPa;K 為系數(shù)，當(σ1-σ3)＜ K1，則 K=K3;當(σ1- σ3)≥K1，則 K=K4;K3，K4為回歸常數(shù)。

路基土在車輪荷載作用下產(chǎn)生的應變，不僅與荷載應力的大小有關，而且與荷載作用的持續(xù)時間有關。這是由于士顆粒之間力的傳遞以及土粒與土粒之間的相對移動都需要一定的時間。通常在施加荷載的初期，變形量隨荷載持續(xù)時間的延長而增大，以后逐漸趨向穩(wěn)定，這又稱為土的流變特性。試驗表明，回彈應變與荷載的持續(xù)時間關系不大，土的流變特性主要同塑性變有關。

汽車在道路上行駛，車輪對土基作用的時間很短，在這一瞬間，產(chǎn)生的塑性應變比之于靜荷載長期作用下的塑性應變小得多。因此，一般情況下，土基的流變影響可以不予考慮。

中圖分類號:U416.1

C

1008-3383(2011)06-0048-01

收稿日期:2011-05-28