降雨入滲及交通荷載耦合作用下對粉土路基的影響分析

耿大新，孟 成，王 俊，楊澤晨

(華東交通大學 土木建筑學院，江西 南昌 330013)

0 引 言

隨著我國基礎建設的不斷發展，高速公路的數量與日俱增。以2018年為例，我國在新增高速公路里程達5 000 km。然而道路的各種病害也隨之增加，其中病害形式多以坑塘及車轍呈現。而內在成因多數由降雨及循環交通荷載的作用下造成路基的承載能力減弱導致。胡欣[1]建立了不同降雨強度、不同地下水位及降雨方式下的固原黃土路基的水分滲透數值模型對濕陷性黃土路基的水分場及變形進行研究；T.ISHIKAWA等[2]通過三軸試驗研究了不同飽和度下侵蝕道砟剪切強度的變化，研究表明，對于同一材料，隨著飽和度增大土體剪切強度降低，降低的幅度跟土體種類有關；董超[3]通過室內模型試驗分析水分的遷移規律，并在此基礎上對非飽和土路基水分改變后對路基的力學性狀的影響進行了分析；鄭水明等[4]對谷竹高速公路27標段路基進行了豎向動應力響應試驗，研究了路基在不同軸重和不同車速的交通荷載下的動響應問題；大量的學者或先或后采用數值軟件對交通荷載作用下路基的變形沉降進行了分析[5-8]；商擁輝等[9]依托浙江省某低路堤高速公路為工程背景，進行了現場試驗，對高速公路交通荷載與降雨環境耦合作用下低路堤復雜的動力特性進行了研究；譚琴[10]通過軸向應力破壞試驗與累積塑形應變試驗,研究了循環交通荷載對路基的影響。以上學者對交通荷載以及降雨對路基的動力響應以及沉降變形等方向做了大量研究，但是多數只對宏觀力學層面對兩種影響因素進行了單獨分析，也缺乏引起宏觀力學性能產生變化的細觀因素的分析。筆者采用模型試驗的方法分析降雨入滲及交通荷載耦合作用下對路基的應力狀態及沉降變形的影響，并輔以電鏡掃描試驗從細觀層面分析路基應力和沉降變化產生的原因。

1 模型試驗

1.1 模型箱設計

模型箱尺寸按1∶3.5的比例設計為120 cm(長)×69 cm(寬)×85 cm(高)，采用5 mm厚角鋼焊接而成，四周用15 mm厚鋼化玻璃包圍，底板采用10 mm厚鋼板焊接，如圖1。

圖1 模型箱Fig. 1 Model box

為方便傳感器引線的導出，在靠近邊坡一側用高度為30 cm鋼化玻璃包圍。在模型箱底預留兩個5 cm×5 cm的排水洞口，并在其上制作阻隔泥土的格柵罩，為后期模擬地下水提供硬件支持。模型箱內側四周涂抹凡士林并鋪設聚四氟乙烯薄膜以減小土體和模型箱側壁的摩擦，同時起到減小邊界效應的作用。

1.2 模型試驗相似比

該模型對實際的道路結構作等比例縮放，其尺寸比例系數為1∶3.5，其余物理量由量綱分析法確定。

路基結構相對單一，所涉及物理量有容重γ、彈性模量E、泊松比μ、應力σ、位移S。應力及位移的表達式分別為：

σ=f(F,E,μ,l)

(1)

S=f′(F,E,μ,l)

(2)

式中:l為路基尺寸;F為集中力。

對式(1)采用指數分析法，可得到量綱關系如式(3)：

[σ]=f(Fa,Eb,μc,ld)

(3)

量綱分析后得：

(4)

即：

(5)

由式(5)可得判斷方程為：

(6)

由式(6)可得相似依據為：

(7)

式中:π1～π3為相似準則;a、b、c、d分別為常數。

由于所用模型實驗材料為實際工程材料，所以土體的重度、彈性模量、泊松比等參數不變， 即CE=1、Cμ=1。其中，C為相似常數。

表1 各參數相似比例系數Table 1 Similar proportion coefficients of various parameters

1.3 交通荷載的模擬

試驗采用的加載方式為數控伺服動靜載試驗機加載。加載設備如圖2。

圖2 加載設備Fig. 2 Loading equipment

交通荷載以黃河JN150兩軸六輪整體式貨車為荷載的施加主體。假定輪地接觸面上的作用壓力呈當量圓均勻分布，簡化后的輪地接觸面積以及壓力形式分為單圓荷載和雙圓荷載。由于筆者采取的試驗方法為模型試驗，加載方式為在伺服機激振器的加載器上連接一定規格的橡膠墊，通過伺服機以不同的頻率來模擬不同速度的交通荷載，為方便試驗文中所有荷載形式均采用單圓接觸，如圖3。單圓荷載的直徑D的計算公式為：

(8)

式中:P為上部荷載;p為胎壓；π為圓周率。

圖3 雙輪組單圓Fig. 3 Single circle diagram of double wheel set

根據調研發現，貨車裝載貨物時通常會將胎壓增大以增大拉貨能力，實際中常有司機將胎壓增大至13個大氣壓。以假定貨車輪胎的觸地當量圓直徑不變，軸載與胎壓的關系遵守式(8)。取軸載為140 kN，胎壓為0.977 MPa，可得出單圓的當量圓直徑D，輪載各參數見表2。

表2 輪載參數Table 2 Wheel load parameters

隋孝民等[11]提出路基頂部的車輛荷載沿路基深度的傳遞規律趨向于沿45°(應力擴散角)向下傳遞。筆者加載面積的方法如圖4，通過在激振器的施荷部位制作直徑17.7 cm的應力擴散圓的方式施加荷載。

圖4 應力擴散Fig. 4 Stress diffusion

劉準[12]在進行現場動應力測試時發現20 t車輛荷載在路面層以下基床表面的動應力約為55 kPa，5 t車輛荷載在路面層以下基床表面的動應力約為7 kPa。采用差分法計算筆者相應的加載大小，相關參數如表3。

表3 荷載形式及大小Table 3 Load form and size

1.4 降雨工況的模擬

當路面結構發生水損破壞時，路面處通常伴有積水狀態。通過現場取芯時發現，無水損壞區域取芯密實完整，為不透水結構，而在水損區域取芯發現無法取出完整試樣，結構層松散呈透水狀態。所以，筆者將降雨入滲簡化為雨水既不隨著排水設施排除也不受水損坑洞的影響造成雨水匯聚，即降雨表現為雨水直接入滲。

表4 降雨量設計Table 4 Rainfall design

2 試驗方案

2.1 試驗裝置及測量系統

試驗用土取自江西省高速公路取土場，模型試驗所用傳感器為BW-0.1型土壓力盒以及自制微型沉降板外接百分表用以測量路基不同位置處土壓力及沉降值?？v向上傳感器每間隔14.3 cm布置1組，水平向每隔9 cm布置1組。由于模型的路基土體內嵌有套管，且模型箱尺寸較小，套管集中埋設會對路基土體的強度及測量結果造成干擾，因此，在布置不同深度處沉降板時，將各個測點錯開布置各個傳感器的布置方式，如圖5。

圖5 傳感器布置(單位：cm)Fig. 5 Sensor arrangement

其中，沉降板為尺寸5 cm×5 cm×1 cm的鋼板埋入待測區域后接上鋼絞線，為防止鋼絞線與土體之間的摩擦，在鋼絞線外側套上1根套管，并在套管內部抹上潤滑油，進一步減小摩擦。鋼絞線與沉降板連接后通過后文所述定制的沉降板導線架將鋼絞線引向模型箱側邊，并接上機電百分表，如圖6。

2.2 試驗步驟

1)基層及土基層填筑：將填土分層鋪筑，每層厚度為5 cm，之后用小型激振器對各層填土進行分層夯實。在路基土體填筑完成之后，在路基填土表層鋪上5 cm厚的碎石水穩層，壓實后再次在其上鋪上1層5 cm厚且粒徑較小的碎石。為防止加載頭對基床表層施加的力分布不均勻，在加載頭下部用細砂填充加載區域碎石的孔隙。待土基層、基層鋪設完畢，對基層上表層預加載1 t的荷載，對路基結構進一步夯實。

圖6 土壓力盒及沉降板設置Fig. 6 Earth pressure box and settlement plate setting

2)依據JTGE40—2007《公路土工試驗規程》，對填土進行了室內基本物性指標測定。為嚴格控制模型試驗中各層土體質量和壓實情況，筆者采用削尖后的PVC管擊入土基層中，通過測量管內壁直徑與所取土柱的高度及質量換算出土體的壓實度。試驗中路基填筑與傳感器的埋設穿插進行，填筑過程中進行分層攤鋪、分層壓實，壓實時采用小型激振器對路基土體分層振搗并通過在路基土體表面覆蓋鋼板后MTS加載的方式使得模型試驗所用土體滿足壓實度要求。路基土各基本參數見表5。

表5 土基層主要物理指標Table 5 Main physical indicators of soil base

3)分層埋設壓力傳感器及沉降板：在路基填土填到制定高度并用激振器振搗密實之后，在加載設備的正下方標記好第1批的傳感器的位置，隨后在平行于路基橫斷面的方向確定第2列及第3列的傳感器測點位置。土層的填筑與設備布置交替進行。

又三年過去，當她的腳跟上再一次多出一道傷疤，她終于相信這絕不是偶然。她還相信這些傷疤肯定因為秦川。秦川向她隱瞞了太多。

4)施加交通荷載及降雨入滲：按照1.3節、1.4節中所述的方法進行交通荷載的加載和降雨的模擬。其中，在降雨入滲及交通荷載耦合的實驗中，當交通荷載加載到2萬次約6 h通過灑水器灑水來模擬降雨工況。降雨過程分為3次，每次持續約6 h，每次降雨之間不間斷。第1次灑水量為3.17 L，第2次加水至11.09 L，第3次加水至22.18 L，分別模擬小雨、中雨、大雨。

5)數據采集：采用DH5922 N動態信號測試分析系統將BW-0.1型動態土壓力盒和位移計與橋盒相連，分別記錄路基與基層的動土壓力及累計沉降。

3 模型試驗結果分析

為便于對各個土層不同深度、水平范圍內應力沉降的描述，對每個測點進行編號(圖3)。因為實驗中發現9號測點上方基本無應力反應，對該測點進行撤除。由于數據量巨大為了方便觀察點線圖中采用跳點的形式進行標注。

3.1 交通荷載作用下對路基承載性能的變化

圖7、圖8為交通荷載循環作用10萬次過程中，路基中各個測點的應力和沉降的變化情況。由圖7可知，在10萬次峰值為1.37 kN的循環荷載作用下，路基中各個測點動應力基本維持在 45.54～48.70 kPa之間。2號測點動應力基本維持在19 kPa，除4號測點外，其余測點由于在上層受荷區的邊緣，由于受荷不穩定均以維持在0～10 kPa之間。此外，路基各測點的沉降在剛開始有逐漸增大的趨勢，且增長速率較快，當在短時間內加荷次數達到6萬次時，各測點的沉降值開始逐漸趨向平穩，最后基層上表面的沉降基本穩定在1.75 mm左右。

圖7 循環交通荷載作用下路基動應力峰值變化Fig. 7 Peak value change of subgrade dynamic stress under cyclic traffic load

因此，對應實際工況的節假日期間高速公路有大流量的車輛通行，路基結構在短時間內有交通荷載的作用下，路基各層的動應力保持基本穩定，路基沒有發生受荷軟化現象，路基承載特性良好。

3.2 降雨入滲及交通荷載耦合作用下對路基承載性能的影響

由圖9可知，在降雨前即前2萬次加載的過程中，路基各測點的動應力峰值基本維持穩定，其中1號測點的動應力峰值為47 kPa，2號測點為18 kPa，3號測點為5.43 kPa。在持續的6 h的小雨過程中，隨著水分的入滲，路基各個測點的動應力峰值有著4 h的減小過程，其中基層上表面的地應力較為明顯，約4 h之后穩定在44.5 kPa。在隨后的中雨及大雨中，1號測點最終穩定的動力幅值約為39 kPa，2號測點約為14 kPa，3號測點動應力約為4.34 kPa。

圖10為路基各測點位隨交通荷載次數、降雨強度的變化而產生的累計沉降的變化情況。由圖10可知，在初始階段由于壓實度等原因沉降的變化較快，但加載到2萬次時，由于在小雨的作用下，沉降進一步加快，以1號測點為例，峰值約為1.89 mm，直到小雨停止，沉降有小程度的反彈，穩定在1.75 mm左右。但在隨后中雨、大雨的工況中，由于小雨狀態的含水率已有進一步的提高，后續的沉降變化有減緩的趨勢，最終的沉降值約為2.1 mm。

通過與無降雨狀態下路基動應力和沉降隨交通荷載作用變化的對比不難發現，在降雨入滲和交通荷載的耦合作用下路基的承載能力有明顯的弱化現象。其中，基層上表面的動應力減少約17%，沉降增大20%左右。因此，針對運營道路的管養，保持路面結構層的不透水性尤為重要。

圖10 降雨入滲及交通荷載耦合作用下路基沉降的變化Fig. 10 Subgrade settlement change under the coupling action of rainfall infiltration and traffic load

4 細觀試驗研究

4.1 SEM電鏡試驗概況

針對在降雨入滲和交通荷載耦合作用下土體的應力減小且沉降增大的現象，從微觀角度探究土體宏觀力學性能改變的原因，對初始狀態路基、循環交通荷載作用下的路基、降雨入滲及交通荷載耦合作用下的路基原狀土土樣作電鏡掃描，如圖11。

圖11 SEM電鏡掃描Fig. 11 SEM scanning

為保證路基土體不受擾動，采用鉆芯取樣的方式對填筑完成之后灑水固結半月的路基土體、交通荷載及降雨入滲耦合作用中心區域的路基土體、交通荷載及降雨入滲耦合作用邊緣區域的土體進行分層取樣。將長度為30 cm的PVC管削尖，并在PVC管內部涂抹上凡士林既能使PVC管更容易貫入，也有利于后期將土體脫模取出，之后用鐵錘將PVC管向下擊入，試驗過程中由于擊入一定深度之后PVC管便無法深入，將第1根管取出后重新取1根管重復上述步驟對路基的中部及下部土體取樣，土樣取出之后，使用鋼鋸將PVC管鋸成長度小于2 cm的圓柱，再將土樣從管中推出，將土樣用小刀加工成厚度小于1 cm的圓餅狀，去除土樣表面浮土，將試樣靜置于干燥空氣中。

由于SEM電鏡掃描對試件要求干燥，在試件測試的前兩天將土樣放置于干燥箱內烘干，為防止溫度過高對土樣結構造成擾動及破壞，將烘箱溫度設置為40°。由于土體為不導電物質，在試樣試驗前對其表面進行渡金處理并抽真空。

4.2 電鏡掃描結果分析

在150倍的放大倍數圖樣下用來判斷所選區域是否為擾動狀態，有裂縫區域應該在下一輪放大中舍棄。

在1 000倍的放大倍數下，可明顯觀察到土體局部孔隙形態、結構類型及單元體形態，并且在此倍數下，可以觀察到土體的接觸形式，判斷土體骨架接觸形式為角-邊接觸、角-角接觸、邊-邊接觸，而不同的接觸方式能反映出土樣的強度及變形特性。

如圖12，在初始狀態下，土樣的各個結構排列分布均勻，土顆粒多以面面接觸、面邊接觸為主，無明顯可見孔隙，各個顆粒組團排列均勻，各顆粒間的黏聚力良好，小顆粒黏結在大顆粒上大顆粒與小顆粒組團形成良好的交叉排布狀，在宏觀力學上表現出較好的承載性能，應力傳遞連續，變形較小。

圖12 SEM電鏡掃描結果Fig. 12 SEM scanning results

由土形成的骨架結構較為穩定，而骨架中集聚體之間的孔隙吸水后孔隙增大。在降雨后且在加載中心區域可觀察到大部分的土顆粒呈明顯的片狀形式分布，片狀組團之間有較多的角面、角邊接觸，且各片狀組團排列松散。各顆粒組團之間有明顯可見的孔隙結構，說明顆粒組團連接不穩定，在受力狀態下角邊接觸角面接觸易發生損壞，能量轉換為顆粒之間的重組。宏觀力學行為是應力傳遞不連續，在在同等外力作用下，此種狀態的土體有更大的壓縮變形，工程上表現為沉降較大。

綜上所述，通過電鏡掃描探究了在細觀狀態下土顆粒之間的組團排布和孔隙結構，發現在降雨入滲和交通荷載耦合作用下土顆粒會發生重組，呈不穩定的片狀分布。這也證實了模型試驗中土體的應力會有一定的衰減，且沉降量增加的原因。

5 結 論

采用模型試驗分別分析了路基在循環交通荷載作用下以及在降雨入滲和交通荷載的耦合作用下路基的應力狀態及沉降發展情況，從宏觀層面上研究了降雨及交通荷載對路基的承載性能的影響。并通過電鏡掃描試驗對初始狀態的路基、循環交通荷載作用下的路基、降雨入滲及交通荷載耦合作用下的路基分別取樣掃描，從細觀結構層面研究了路基承載性能減弱的原因。研究結論為：

1)路基結構在短時間內通過大量交通荷載時，路基各層的動應力基本穩定，路基沒有發生受荷軟化現象，路基承載性能表現良好。

2)降雨入滲及交通荷載耦合作用下可以明顯弱化路基的承載能力，具體表現為基層上表面的動應力減少約17%，沉降增大約20%。

3)降雨后加載中心區域路基土體細觀結構無明顯變化，與模型試驗中路基動應力基本維持穩定相吻合，即在循環交通荷載的單獨作用下，路基的承載性能無明顯減弱。

4)在降雨入滲和交通荷載耦合作用下，路基土顆粒呈明顯的片狀形式分布，片狀組團之間有較多的角面、角邊接觸，且各片狀組團排列松散，各顆粒組團之間有明顯可見的孔隙結構，與模型試驗中路基的動應力減少沉降增大相吻合。