交通荷載作用下土體動力特性研究進展

劉 俊，蔡晶垚，譚健新，黎 滔，劉慧芝

(湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 413000)

0 前 言

近年來，我國的交通公路基礎建設快速發展，截至2019年最新數據，我國公路總里程已達484.65萬km、高速公路達14.26萬km，居世界第一。但我國人口眾多，截至到2020年1月17日，據國家統計局發布數據顯示，2019年末，我國大陸總人口140 005萬人，比上年末增加467萬人，人均道路交通量遠遠低于美國等發達國家。而交通基礎建設是影響區域經濟發展的重要因素，經濟發展與交通基礎建設密不可分，隨著對經濟發展的要求，也要求建設能夠與之相協調的交通系統，同時，在人口密集區域，交通仍舊無法滿足城市發展要求，需要建設更多的交通公路來滿足城市發展需求，比如北、上、廣等這些大城市，交通量密度大，容易限制城市發展，需要對其公路進行改建。綜上所述，我國有較高的交通建設量和需求量。

但在交通基礎建筑物使用期間，由于受交通荷載等主要因素的影響，橋梁基礎、路基、擋土墻和建筑地基等基礎設施的沉降和失穩已成為嚴重的工程安全隱患。所以，研究影響交通建設和運營中遇到的這些科學問題是十分有必要的。在我國的交通建設和運營中有著許多難以解決的技術問題，其中交通荷載引起的路基長期沉降問題仍然是一個十分棘手的技術難題。2019年我國滬昆高速公路邵陽黃橋至洞口段由東往西行車道路面沉降嚴重，大概有7處之多，特別是大水往洞口方向一公里左右有一處沉降達15 cm的深度，嚴重影響行車安全。此外，2015年京昆高速新九段(K2428+700m攀枝花金江-西昌方向)發生路面沉降，目前沉降路基還在繼續擴大，下沉路面高達1.5 m，長約50 m。這些重大安全工程隱患都跟復雜的地基土在交通荷載作用下所呈現的復雜動力特性有直接關系。地基土在施工后長期處于交通荷載作用，而汽車等交通工具所產生的復雜的荷載形式使得地基土表現出不同的動力響應，逐漸產生較大沉降，甚至使地基土崩解破壞，地基土沉降與土體在交通荷載作用下的動力特性密切相關，所以越來越多的學者開始重視交通荷載作用所引起地基土動力特性方面的問題。

圖1為高速公路路基工后路基沉降事故圖。

1 國內外研究進展

1.1 交通荷載作用下土體的動力本構關系模型研究進展

交通荷載是一種復雜的動荷載，既不同于靜荷載，又有別于地震荷載和波浪荷載，具有作用時間長、低頻等特點。且交通荷載作用下土體(尤其是軟弱土)的動力學行為與其他動荷載作用下的動力學行為有明顯的區別，因此，對交通荷載作用下土體的動力學行為及其動本構關系模型研究是十分有必要的。許多的學者也對交通荷載作用下的動本構關系模型做了很多的研究，例如，王峻等[1]通過對不同粉煤灰摻入量時黃土動本構關系的研究，提出了其動本構關系的雙曲線模型，并發現了粉煤灰摻入量是模型參數的影響因素。王婧等[2]通過利用動三軸對新疆綠洲-荒漠區的礫類土進行了實驗研究，得到了其在交通循環荷載作用下的動本構關系，并研究了不同工況時礫類土的動本構關系，發現可以采用R.L.Kondner雙曲線模型對礫類土的動本構關系進行描述，并得出了不同工況時模型參數。王睢[3]建立了考慮主應力軸旋轉的重塑黃土的三維各向異性強度準則，基于此準則建立了考慮主應力軸旋轉的各向異性本構關系模型，實現了交通荷載作用下的心形應力路徑，分別探討了含水量、循環正應力和循環剪應力對重塑黃土的累積效應影響規律。Louren?o等[4]研究了循環荷載作用下土的動力特性，提出了兩種超彈性的本構模型，描述了循環作用下土的動力響應，并利用了有限元的方法進行了相關研究。現有的本構關系模型理論基本都是以連續介質力學為基礎，許多本構關系都是基于此理論對其展開研究，而實際上由于土體是多相介質體，且土體具有不均勻性和各向異性，使得利用本構模型計算的理論值與實際工程的實測值存在一些差別。更高精度要求的理論應用，需要學者們進一步深入研究。

1.2 交通荷載作用下路基沉降計算方法研究進展

路基等地基土在施工期基本能保持穩定，而在工后運營階段的地基土的沉降又會明顯增加，給交通安全帶來嚴重隱患，所以交通荷載作用下土體沉降計算一直是學者們所關心的核心科學問題，許多的學者對此進行了大量的研究，為預測工后地基土沉降提供了有效的方法。大多數的方法是基于彈塑性、粘彈塑性等模型，并綜合了土動力學、有限元、數值方法等理論和實驗結果建立了適用的模型，從而提出了適用其模型的沉降計算方法，例如，魏星等[5]考慮了交通荷載移動速度的影響，并利用數值積分算法計算了交通荷載引起的地基土附加動應力,并分析了移動荷載下地基中應力路徑與荷載移動速度的關系,同時給出了便于工程應用的放大系數的實用圖表和建立了一個適用于循環心形應力路徑的飽和軟土殘余變形的經驗模型，提出的殘余變形經驗公式。

(1)

式中，εq,r為豎向殘余應變；a、b為材料參數；Kq、Kτ為表征動應力影響因子；Kα、Kσ為表征靜應力影響因子。

在利用分層總和法計算地表沉降值時，這是一種交通荷載作用下路基沉降實用算法。

張幸幸等[6]利用了建模方法，結合一些學者開展的長周次振動三軸試驗的成果，針對長期不規則交通荷載作用下路基沉降的問題，嘗試提出了一種“等價粘彈塑性模型”，采用了 Ramberg-Osgood[7]的動剪切模量公式(2)、(3)和 Hardin-Drnevich[8]阻尼比公式(4)：

(2)

(3)

(4)

式中，G0為初始剪切模量；γd為動剪應變大??；A、B和γ0為模型參數；一般無黏性土的λmax通常在 10～20。

張幸幸等[6]通過以上的理論公式和振動三軸試驗結果，提出了估算長期交通荷載作用下的路基沉降殘余應變的經驗公式(5)：

(5)

式中，pc為靜球應力大?。籯r、c1、c2和N0為模型參數；pa為標準大氣壓強；ηd為動應力幅值；Ne為等效荷載作用次數；N0為一個便于數據擬合和計算引入的基準值。

劉維正等[9]模擬與分析了天然軟土循環三軸實驗結果，并證明了根據人工結構性土建立的穩定型和破壞型累積應變預測模型的有效性，也研究了應力靈敏度與臨界動應力的關系，從而建立了適用的預測模型。然后，利用了有限元數值方法研究了考慮動荷載速率效應的動應力空間分布，結合累積應變經驗模型與分層總和法，提出了交通荷載作業下結構性軟土地基長期沉降的實用計算方法，并利用工程實例驗證了其計算方法的實用性(見圖2)。

圖2 實例中交通荷載作用下黏土的累計應變曲線[9]

但總的來看，以上研究都是利用了經驗公式和方法，考慮交通荷載產生的影響因素，建立實用的計算模型，提出了適用于對應模型的累積沉降計算方法。現有的研究中，也同樣存在著理論與實際上的缺陷，從理論缺陷上來解決其交通荷載作用下累積沉降的研究很少，現有的計算公式通常都是基于大量的實驗，研究其應力與應變的關系，再對已有的經驗公式進行修改，而本身實驗就存在不可控的誤差，比如，交通荷載的模擬加載形式上的缺陷或其他誤差。與此同時，現有的研究中對于交通荷載引起的超長循環周次的加卸載作用下土體的變形，尚沒有很好的方法進行描述，這類實驗的精度問題和計算方法研究也較少。

1.3 交通荷載作用下土體動力特性的室內實驗研究進展

與現場實驗不同，室內實驗具有便捷性，性價比高等特點，其實驗結果在一定程度上具有參考意義，所以室內實驗的研究也是十分常用且有效的研究方法。國內外關于交通荷載作用下土體動力特性方面的室內實驗研究有許多，比如,崔宏環等[10]針對張家口地區沖積扇粉質黏土，通過利用動力學三軸試驗、有限元理論和敏感性數據分析方法，量化分析了引起路基在交通荷載作用下發生沉降的各因素。崔兵等[11]通過利用自主研制的大型交通荷載動力模型槽設備，研究了軟黏土地基在交通荷載作用下動土壓力和孔隙水壓力的規律，從而發現了低路堤軟黏土地基在交通荷載作用下的動力特性發展規律。王瑞等[12]利用了室內動三軸試驗，研究了靜偏應力對壓實黃土動應力-應變關系的影響規律和動模量隨加載振次的變化規律。熊煥等[13]研究交通荷載應力路徑下地基土單元排水變形特性,利用動態空心圓柱儀對K0固結下飽和砂土進行了一系列“蘋果型”動力循環應力路徑以及普通動力循環應力路徑試驗。綜合大量學者所做的研究分析，室內研究實驗研究成果十分豐富，大部分的實驗都是取材于某處的地基土，通過利用了動三軸、數值分析等手段開展系列研究，從一定程度上反映了交通荷載對所處的地基土產生的動力特性，具有一定的工程應用參考價值。隨著室內實驗研究的深入，對于交通荷載作用下加筋地基土的研究也成為了研究趨勢。由于其加筋條件和加載方式的影響，加筋地基土對交通荷載所反映出的動力特性也會發生變化，很多學者已經做了許多研究。但結合廣泛存在的地區性路基土的研究并不很完善，其中交通荷載作用下橡膠加筋土的動力特性實驗研究就是一個例子，加載方式、加橡膠方式和橡膠尺寸效應等變量因素也會使橡膠混合土產生不同的動力特性[14-15]。特別對于在我國廣泛分布的紅砂巖，橡膠加筋紅砂巖土的研究更為缺少。

2 結 語

1)連續介質力學理論是大多數本構模型建立的基礎理論，而實際上土體是多相介質體，所建立的本構模型與實際土體動力響應并非完全一致，但也有部分研究通過有限元模擬和數值模型驗證提高所建立本構模型的精度。

2)路基沉降計算經驗公式能避免建立本構模型的缺陷，現有的沉降計算公式通常是基于大量的實驗，研究其應力與應變的關系，再建立適用的計算公式或對已有的經驗公式進行改進，但實驗本身就存在不可控的誤差，比如，交通荷載的模擬加載形式上的缺陷等其他誤差，關于交通荷載作用的加載方式也是尚值得進一步系統地研究，提高實驗的精度。與此同時，現有的研究中對于交通荷載引起、超長循環周次的加卸載作用下土體的變形，尚沒有很好的方法進行描述，這類實驗的精度問題和計算方法研究也較少。

3)室內實驗研究成果十分豐富，具有一定的工程應用參考價值。隨著室內研究的深入，對于交通荷載作用加筋地基土的研究也成為了一種研究趨勢，對此很多學者已經做了許多研究，但結合廣泛存在的地區性路基土的研究并不是很完善，特別是關于交通荷載作用下橡膠加筋土(橡膠加筋紅砂巖土)的室內實驗研究比較缺乏。

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