浸水粉土路基豎向穩定性模型試驗研究

管延華，莊培芝，李紅超，趙志欽

（1.山東大學 土建與水利學院，濟南250061；2.山東省路基安全工程技術研究中心，濟南250061；3.河南省地礦局第三地質勘察院，河南 洛陽471023）

黃泛區受筑路材料限制，常采用粉土作為路基填料。由于粉土具有滲透系數較大、毛細作用強烈等特征，所填筑路基易受外界水（地表水入滲、毛細水上升等）影響，致使路基含水率普遍高于20%，甚至局部區域達到飽和狀態，造成路基支撐強度嚴重不足，行車荷載反復作用下，路基產生過量的殘余變形，并逐步反映到路面，影響路面結構的使用性能和使用壽命［1－3］。

路基是路面結構的支撐體，車輪荷載通過路面結構傳至路基，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［4］。研究表明，行車荷載作用下濕軟路基的殘余累積變形是低路堤路段的主要工程病害，而豎向附加應力是引起路基殘余變形的一個主要原因［5］。隨著道路交通量和載重量的增加，道路病害日益嚴重?，F階段對于粉土路基受力變形特性的研究主要集中在基本性質探討［6－8］和經驗計算分析［9－14］方面，對其整體工作性狀缺乏研究。因此，有必要對浸水粉土路基的豎向變形規律進行足尺模型試驗研究，為路基設計和加固提供依據。文獻［15］針對黃泛區常見低矮粉土路基進行了模型試驗研究，分析了強度衰減路基的穩定特性，但是對荷載作用下浸水粉土路基的豎向變形機理缺乏較深入的分析。

1 試驗方案設計

1.1 試驗路基材料

模型路基填料采用山東省黃河沖積平原的粉土，土的顆粒組成與物性指標見表1、表2。

表2 試驗填土的物性指標

1.2 試驗模型及監測內容

根據路基條狀構造特性，在室內實驗槽中填筑高度2.5m、頂面寬度2m、縱向長度3m、邊坡坡度為1：1.5的半幅粉土路基模型。模型路基底部鋪設20cm碎石，碎石層與豎向水井聯通，通過豎向水井水位的變化，模擬實際路基地下水位的升降，以實現模型路基含水量的變化，如圖1所示。

使用百分表和分層沉降儀監測路基頂面和不同深度土體豎向變形；利用土壤水分計并結合鉆孔取樣測量模型路基不同深度土層的含水量；通過在土體內埋設土壓力盒測量土體內部豎向應力分布。

圖1 試驗模型及儀器設備布設示意圖

1.3 試驗工況設計

文獻［1］中的研究表明：黃泛區粉土路基在運營初期基本處于最佳含水量狀態；路基長期運營后，由于降雨和地下毛細水上升等因素的影響，路基含水量增大，路基強度衰減，并且路基變形增大。通過對現場病害路段的路基含水量測定，運營路基含水量通常在20%～30%。據此試驗方案設計針對3種不同浸水水位的路基進行加載試驗，測試、對比分析其受力、變形特征。

路基模型分12層進行填筑，第1層為碎石墊層，厚度為20cm，夯實整平后鋪一層透水土工布。粉土路基填筑時嚴格按照路基設計規范規定的壓實度進行質量控制。其中：工況1為直接在新建路基上進行加載、量測；工況2在灌水井中保持20cm高的水位，即水位與碎石墊層頂面平齊，然后進行加載和數據采集；工況3在灌水井中保持50cm高的水位，路基浸水后進行加載和數據采集。

表3 試驗方案

1.4 加載設計

基于車輛荷載通過路面結構層擴散后均勻分布于路基頂面的假定，模型路基頂部加載采用矩形均布荷載形式。為明確標準車輛荷載及不同超載交通對路基豎向變形的影響，模型試驗共選取4個不同荷載等級依次進行單循環加載；同時，為增加試驗過程的可控性和可操作性，各控制荷載均按5次進行分級施加，如表4所示。試驗采用液壓千斤頂通過反力架將荷載施加到路基頂部的加載板上，荷載大小采用測力計分級控制。加載板尺寸為2.4m×1.7m。加載裝置如如圖2所示，試驗加載分級情況如表4所示。

圖2 試驗加載裝置

表4 試驗加載分級kN

2 試驗結果及分析

2.1 路基含水率分布

據測試路基內部毛細水上升及含水率分布如圖3所示，其中：工況1，其含水率接近最優含水率；工況2，毛細水上升高度約1.5m，路床區（0～80cm）含水率變化極小；工況3，路基內部含水率均有較大幅度增長，且底部1m范圍內路基基本處于飽和狀態?？梢娊坊哂袕娏业拿毸仙F象，且隨浸水水位的提高，路基內部含水量增加顯著。

圖3 模型路基內部含水率分布圖

2.2 荷載 變形歷程曲線

3種工況分別進行4次循環加載，每次循環間隔時間為24h；其中每一循環分為5級加載，每級間隔時間為30min。每次循環加載前、每級荷載加載后及每次循環卸載后均進行測試讀數。可得路基頂面豎向變形的荷載歷程曲線如圖4所示。

圖4 路基頂面豎向變形 荷載歷程曲線圖

分析圖4可知，工況1路基的豎向變形以彈性變形為主，塑性變形很小。隨浸水水位的升高，路基內部含水量增加，其塑性變形明顯增大。工況2累計塑性變形是工況1的7倍左右；隨著豎向水井水位的提高，路基的含水量的增大，路基強度進一步衰減，工況3在最后一級荷載作用下，其豎向位移呈不穩定增大趨勢，說明路基基本到達到塑性破壞狀態。

另外，根據路基模型3個工況分級加卸載豎向位移變形曲線，可得到模型路基總體剛度K的變化。工況1模型路基的總體剛度K1為93，工況2的K2為47，總體剛度為工況1的51%；工況3的K3為36，總體剛度僅為工況1的39%?？梢?，隨浸水水位的提高，路基內部含水量增加，路基抵抗豎向變形的能力不斷降低。

2.3 各級荷載作用下路基內部應力分布

路基承受荷載分為內部荷載（自重）和外部荷載（路面結構重及行車荷載）。路基填筑完成后，自重引起的變形絕大部分已完成，剩余的蠕變變形可忽略不計，計算時只需考慮外部荷載引起的變形［4］。因此，主要對加載時路基內部的附加應力進行分析。3種工況各級荷載作用下監測數據如圖5所示。

分析圖5可知：3種工況荷載作用下路基內部豎向附加應力主要集中在0～1.5m范圍內，即路床區最大，路床以外迅速減小，路床區內部附加應力是下路堤的2～4倍；隨著荷載的增加，路基內部豎向附加應力沿深度的增大速率不同，路基上部增大的速率快，下部增大的速率慢；隨浸水水位的提高，路基內部含水量越大，路基內部附加應力曲線與路基0.2倍自重應力線偏離越遠，即荷載對路基的影響深度越大。

圖5 不同工況下路基內部附加應力分布圖

2.4 各級荷載作用下路基分層平均應變

道路結構總變形中，路基變形占很大部分，約占70%～95%［4］。路基土的變形包括彈性變形和塑性變形2部分。過大的塑性變形易導致瀝青路面的不均勻變形和水泥混凝土路面的板塊斷裂。彈性變形過大易使得瀝青面層和水泥混凝土面板產生疲勞開裂。因此應加強對路基彈、塑性變形的監測、分析。根據路基頂面百分表測量得到的總豎向彈、塑性變形及路基內部并聯式埋置的電感式單點沉降計（型號YT－>DG－>0105A，分辨率0.01mm）測量獲得的路基不同深度的各豎向彈、塑性變形，計算各層土體的豎向彈、塑性位移，并通過不同深度的各層土體的豎向變形與該土層厚度的比值作為該深度處土層的平均應變，據此整理3種工況路基在荷載作用下的模型路基分層平均彈性應變和平均塑性應變情況，如圖6、圖7所示。

圖6 不同工況下路基內部彈性平均應變圖

圖7 不同工況下路基內部塑性平均應變圖

由圖6可知：3種工況的彈性變形主要集中在路基上部0～1.5m范圍內，路基深度1.5m以下，彈性變形均急劇減小。圖7表明：工況1，新建粉土路基各級荷載作用下上部0～0.5m范圍塑性變形相對較大；工況2，由于路基浸水和毛細水作用，路基底部含水量增大，荷載作用下路基下部1.5～2.5m范圍發生較大的塑性變形，隨浸水水位提高，毛細水繼續上升；工況3，路基底部塑性變形范圍自下而上繼續擴大，致使路基下部1.0～2.5m范圍塑性變形較大?？梢?，路基塑性變形易在飽水區積聚發生，該區域在低附加應力水平下亦會產生較大的塑性變形。

2.5 超載浸水路基的變形特征分析

規范規定［16］公路車輛荷載如圖8所示。假定路面結構層厚度取70cm，取應力擴散角為45°，根據試驗加載分級計算超載情況如表5所示。各級荷載作用下，模型路基各工況彈性變形和塑性變形的情況如圖9所示。其中彈性變形取各級荷載卸載后瞬時回復的豎向變形，而塑性變形取各級荷載作用下的總豎向變形減去此級荷載荷載作用下的彈性變形。

圖8 車輛荷載圖

表5 計算模型加載超載情況表

圖9 荷載作用下路基彈／塑性變形曲線

根據圖9試驗結果可知，試驗路基的彈性變形或塑性變形隨浸水水位的提高而增大，說明粉土路基具有顯著的水敏感性，粉土路基隨含水量的增大，其強度衰減，致使路基在同級荷載的作用下，彈塑性變形均增大；同時，從圖9的荷載變形曲線可以看出，試驗加載小于等于標準荷載（140kN）時，各工況的變形曲線較平緩，隨荷載的增大，彈塑性變形均提高不大，但是，當試驗加載大于標準荷載（140kN）時，除工況1新建路基外，其余2工況浸水路基的彈塑性變形均增加顯著，可見，超載對新建路基的變形影響較小，而對浸水路基的彈塑性變形影響顯著。

3 結 論

1）黃泛區粉土路基具有顯著的毛細現象和水敏特性。毛細水上升區域土體變形模量減小，易產生較大的彈、塑性變形，且變形值隨著路基濕化程度的增加不斷增大；同時塑性變形易在浸水飽和區域積聚產生，低附加應力水平下亦會產生較大的塑性變形。

2）黃泛區粉土路基在良好的施工控制下，具有較好的抗變形能力；但路基浸水后，超載交通作用下，彈塑性變形劇增，因此應加強粉土路基的截、排水設計，以保證粉土路基的工作性能。

3）荷載作用下路基內部附加應力主要集中在路床區，路床以外迅速減小；隨著荷載的增加，路基上部豎向附加應力增大的速率快，下部增大的速率慢；隨浸水水位的提高，路基內部附加應力曲線與路基0.2倍自重應力線偏離越遠，即荷載對路基的影響深度越大。

4）針對浸水病害路基的加固處理應考慮提高下部浸水區域的路基強度，克服僅對受力較大的路床區進行加固處理的片面思路。

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