循環動荷載作用下路基變形研究

摘要：基于我國公路的路面設計荷載常采用靜力荷載進行替代計算，但是隨著車流量、載重量及行駛速度的不斷增加，這種計算方法明顯與實際情況有所出入，存在著較大的不足。文章通過探討常規路基土體在循環動荷載作用下的變形規律及力學性狀的變化規律，從而更好地指導公路的設計和施工。

關鍵詞：循環動荷載；路基變形；靜力荷載；路面設計荷載；車流量；載重量 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU452 文章編號：1009-2374（2016）01-0091-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.01.046

目前，我國都將公路的路面設計荷載假定為靜載，設計指標也是參考靜載作用下公路的表面彎沉及面層和基層底部的拉應力。這種設計方法在荷載不大、行駛平順以及路面狀況較好的條件下基本是合理的，但是隨著交通量、行車速度、荷載重量等的不斷增加，這種理想狀況下的靜力荷載模式已經與現實狀況下交通荷載對路面的實際作用差距越來越大。由此導致的路基不均勻沉降、失穩、崩塌及路面斷板、開裂等病害的時常發生，已嚴重影響到了公路的行車安全和運輸效能，阻礙了公路事業的發展。若在公路結構分析、設計和施工中仍只片面考慮靜載作用，必然會與實際情況出入較大，因此通過循環三軸試驗，探討在循環動荷載作用下常規路基土體的變形規律及力學性狀的變化規律。

1 汽車動荷載的特性分析

在一般公路結構設計中，常考慮把交通荷載就簡單假定為靜止的集中荷載，通過對交通荷載進行靜力學原理的替代計算從而獲得相應的設計參數。由于不同類型的車輛所施加給公路的荷載是不同的，為了統一標準化，規范特別采用了雙輪組單軸軸載100kN作為標準軸載，將此定義為車輛荷載之間的軸載換算關系，并且根據各不同類型車輛對路基損壞作用的不同程度，給出了各自車型所對應的數率因子，在此基礎上換算出了等效標準軸載的作用次數。但考慮到這種換算方式并未涉及車輛荷載的動力作用，而在很多試驗中顯示當車輛在高速行駛的過程中會因為路面的不平整從而造成路基產生的豎向附加應力值會遠超靜力荷載所產生的應力值，由此可見，僅用靜力等替代計算方法難以滿足目前公路交通的實際情況。再者由于在行駛過程中車輛荷載會因為輪胎振動、發動機的偏心轉動以及路面不平整等因素，造成路基受到隨機變化的垂直動荷載作用，而這種隨機作用一直存在且處于不斷變化狀態，需要考慮車輛速度、車輛荷載以及路面平整度等隨機因素，具有很強的不規則性和隨機性。

2 循環加載作用下路基試驗研究

公路交通荷載通常是一種長期循環荷載，在循環荷載作用下路基的變形性質已取得了較多的成果，但在一些方面還未得到充分的認識。Yashuara通過對一系列砂質黏土循環三軸壓縮試驗結果的總結，得出循環荷載作用的條件下排水固結會影響地基變形，將在此影響下的地基總變形分為可恢復的變形和不可恢復的變形兩部分，并且兩者的所占成分和循環次數N的對數存在關系。路基的過大殘余變形會影響公路的運營安全和舒適度，進而影響路面結構的使用性能和使用壽命，故通過對路基土體的室內循環荷載試驗研究其長期變形特性及土體力學性狀的變化，以便合理地預測路基在長期荷載作用下的效應。

3 循環三軸試驗內容及步驟

表1 試驗土樣的物理力學參數

土樣

類型 含水率

W（%） 比重

Gs 孔隙比

ε 液限Wl（%） 塑限Wp（%） 塑性指標

Ip（%）

土樣1 18.5 2.75 1.226 26.8 9.8 16.7

土樣2 18.5 2.75 1.358 26.8 9.8 16.7

土樣3 18.5 2.75 1.483 26.8 9.8 16.7

表2 循環三軸試驗參數及結果

試驗

樣本 固結

壓力 循環應力幅 循環應

力比 加載

周數 軸向累

積應變 備注

CY1 13 77 3.80 999 4.25 破壞

CY2 18 17 0.60 999 0.58

CY3 28 11 0.20 999 0.20

交通荷載對路基是一種長期作用，對于一般的高等級公路來說，通常在設計年限內通過的車輛標準軸載數都在107以上，在實驗室條件下很難實現如此多的加載周數。因此當試驗加載的循環周期達到104以上，即認為已經是一種長期作用荷載，能真實地反映出公路的疲勞效應。本試驗所采用的儀器是多功能靜動三軸儀，可進行靜應力路徑三軸、動扭剪、動三軸的試驗，以便充分地模擬出路基土在交通荷載長期作用下復雜的應力狀態。在整個試驗過程中，可以利用計算機人工控制三軸室圍壓值、靜荷載值以及荷載施加的速率、頻率、作用時間等試驗參數，自動地采集試驗土體的豎向位移、孔壓、體變等試驗數據。為盡可能接近自然條件下的路基土樣，按其不同的分層壓實度，分別制備了不同干密度的試驗土樣，制備完畢后立即放入飽和器內進行抽氣飽和。

4 試驗結果及分析

為研究循環三軸試驗中土體力學性狀的變化規律，這里引入周建的改進軟化指數概念的定義，對Idriss軟化指數δ進行了修正，修正后的軟化指數δ為：

式中：為軸向動應力；、εSN為1周期及N周期的軸向動應變；、ESN為1周期及N周期的割線模量。

本文從試驗中分別獲取3種試驗土樣在不同循環應力比下的軸向累積應變（εp）與加載循環周數（N）的對應關系曲線以及改進的軟化指數δ與加載循環周數（N）的對應關系曲線，用以研究土樣附加累積變形及力學性狀的變化規律。如圖1所示：

圖1 對應關系圖

從上述試驗結果中可以看出，循環應力比的取值對試驗土體的軸向累積應變及修正后的軟化指數具有明顯的影響作用。其中εp-N關系曲線表明：CY1試樣的軸向累計應變增長迅速，在第四個循環周數時就發生了破壞。CY2、CY3的循環應力比值較CY1小，隨著循環應力比的增加，軸向累積應變也相應的增加，但增加的趨勢較CY1平緩。CY2、CY3在加載初期軸向累計應變增長迅速，后期隨著加載的不斷進行，軸向累計應變增長較緩直至穩定，意味著兩種試驗土樣逐漸進入到了穩定狀態，即軸向累計應變的增加很小；δ-N關系曲線表明：CY1在加載初期就迅速軟化，土體強度很快降低，發生破壞。CY2、CY3循環應力比較低時，隨著循環周數的增加，土體的強度和剛度逐漸提高，呈現逐漸硬化的狀態。

5 結語

試驗結果表明，路基土確實存在著臨界動應力值，它將累積變形分為成穩定型和破壞型兩種。路基附加動應力決定著循環應力比的大小，也是導致附加變形產生的原因，而載重越大的車所引起的附加動應力也就越大，在行駛過程中對公路路基的危害也就更大，因此應杜絕重車超載現象的發生。由于淺層路基承受的循環應力比較大，在此作用下更易發生疲勞軟化效應，為此在設計施工環節更應加強淺層路基的質量，提高其強度、剛度。

參考文獻

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作者簡介：華文龍（1988-），男，浙江金華人，供職于金華市公路管理局，碩士，研究方向：公路、橋梁、隧道等工程技術。

（責任編輯：秦遜玉）