動(dòng)荷載作用下路基土壓力傳遞規(guī)律研究

摘要 動(dòng)荷載作用會(huì)對(duì)路基產(chǎn)生一定影響。文章以某地區(qū)公路為研究對(duì)象，開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)合理論計(jì)算，分析動(dòng)荷載作用下路基的土壓力傳遞規(guī)律。結(jié)果表明：埋深對(duì)不同土動(dòng)應(yīng)力峰值的影響具有差異性；路基的土動(dòng)應(yīng)力峰值與其路基埋深間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；不同行駛速度對(duì)路基覆土壓力存在一定的影響。

關(guān)鍵詞 車輛荷載；土壓力傳遞規(guī)律；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；理論計(jì)算

中圖分類號(hào) U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）08-0113-03

0 引言

公路路基常受到車輛等移動(dòng)荷載作用。在動(dòng)荷載作用下，公路路基的土壓力傳遞規(guī)律對(duì)分析公路路基的穩(wěn)定性至關(guān)重要。近年來，許多專家學(xué)者針對(duì)動(dòng)荷載作用下的路基穩(wěn)定性開展相關(guān)研究。

耿大新等人[1]以某公路工程為研究對(duì)象，開展模型試驗(yàn)，分析交通荷載作用下其路基應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律，研究不同因素對(duì)路基動(dòng)應(yīng)力的影響。結(jié)果表明，當(dāng)加載頻率較大時(shí)，路基的動(dòng)應(yīng)力較小。該文以某公路為研究對(duì)象，開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)合理論計(jì)算，分析動(dòng)荷載作用下公路路基的土壓力傳遞規(guī)律及荷載移動(dòng)速度和加載量等因素對(duì)路基力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 工程概況

某公路工程修筑起點(diǎn)樁號(hào)為K1+010.725，終點(diǎn)樁號(hào)為K2+998.530，全長(zhǎng)約987.805 km，道路等級(jí)為城市次干路，設(shè)計(jì)速度40 km/h，標(biāo)準(zhǔn)段道路紅線寬度40 m，雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)。采用護(hù)面墻菱形護(hù)坡，擋土墻防護(hù)。該公路所在地區(qū)地勢(shì)較為平緩，地貌上表現(xiàn)為中丘丘陵地貌，水文地質(zhì)條件良好，未發(fā)現(xiàn)軟弱土層。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

2.1 計(jì)算理論

理論計(jì)算采用Boussinesq法與分布角法，分析土壓力變化規(guī)律，對(duì)比兩種方法得出的結(jié)果差異性。Boussinesq法和分布角法計(jì)算豎向應(yīng)力的公式分別如式（1）（2）所示。

式中，σb——附加豎向應(yīng)力（kN/m2）；P——集中輪壓（kPa）；R——集中輪壓半徑（m）；θ——集中輪壓與垂直方向的夾角（°）。

式中，σf——附加豎向應(yīng)力（kN/m2）；μ——?jiǎng)虞d系數(shù)；Q——輪壓標(biāo)準(zhǔn)值；H——路面至測(cè)點(diǎn)的垂直距離（m）；a、b——車輛動(dòng)荷載的相關(guān)系數(shù)。

2.2 試驗(yàn)方案

公路路基常受到車輛等移動(dòng)荷載作用，該文開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)合理論計(jì)算，研究動(dòng)荷載作用下荷載移動(dòng)速度、加載量等因素對(duì)路基力學(xué)性能的影響規(guī)律。采用滿載（520 kN）、半載（350 kN）、空載（180 kN）自卸卡車為加載工具，分別以10 km/h、20 km/h、30 km/h的速度通過該公路路基，以土壓力盒傳感器測(cè)定卡車左輪正下方不同埋深應(yīng)力，分析路基土壓力傳遞規(guī)律。

3 結(jié)果分析

車輛動(dòng)荷載作用下，設(shè)定卡車為空載狀態(tài)，行駛速度為30 km/h，埋深為0.2 m的土壓力盒得出的時(shí)間－土動(dòng)應(yīng)力曲線見圖1。當(dāng)時(shí)間為1.0 s時(shí)，時(shí)間－土動(dòng)應(yīng)力曲線出現(xiàn)第一個(gè)峰值，其值為?12.5 kPa；當(dāng)時(shí)間為1.5 s時(shí)，時(shí)間－土動(dòng)應(yīng)力曲線出現(xiàn)第二個(gè)峰值，其值為?25 kPa；當(dāng)時(shí)間為1.65 s時(shí)，時(shí)間－土動(dòng)應(yīng)力曲線出現(xiàn)第三個(gè)峰值，其值為?49 kPa。隨著時(shí)間的增大，路基的土動(dòng)應(yīng)力的峰值逐漸增大，時(shí)間－土動(dòng)應(yīng)力的峰值分別對(duì)應(yīng)卡車由前軸輪胎、后軸前輪、后軸后輪駛過監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間，卡車的動(dòng)力與裝載量集中于卡車后部，故當(dāng)卡車后輪駛過監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，其時(shí)間－土動(dòng)應(yīng)力曲線的峰值較大；當(dāng)卡車駛離試驗(yàn)范圍后，路基的時(shí)間－土動(dòng)應(yīng)力曲線逐漸趨于平緩，其土動(dòng)應(yīng)力波動(dòng)范圍在?1～1 kPa之間。

當(dāng)埋深為0.4 m時(shí)，土壓力盒得出的路基時(shí)間－土動(dòng)應(yīng)力曲線見圖2。埋深為0.4 m的時(shí)間－土動(dòng)應(yīng)力曲線與埋深為0.2 m的曲線變化趨勢(shì)具有一致性，均存在3個(gè)土動(dòng)應(yīng)力峰值，但曲線出現(xiàn)峰值的時(shí)間略微滯后，3個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為1.2 s、1.6 s、1.75 s，說明隨著路基深度的變化，土體的力學(xué)響應(yīng)具有滯后性。當(dāng)卡車為駛?cè)爰榜傠x監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，路基的時(shí)間－土動(dòng)應(yīng)力曲線波動(dòng)范圍大于埋深為0.2 m的曲線波動(dòng)范圍，其波動(dòng)范圍在?1～1 kPa之間。對(duì)比不同埋深的土動(dòng)應(yīng)力峰值可得，當(dāng)埋深為0.4 m時(shí)，3個(gè)土動(dòng)應(yīng)力峰值分別為?12 kPa、?20 kPa、

?44 kPa，小于埋深為0.2 m的土動(dòng)應(yīng)力峰值，這是由于埋深增大時(shí)，路基所承受的應(yīng)力會(huì)發(fā)生衰減現(xiàn)象。不同埋深下，第三個(gè)峰值的土動(dòng)應(yīng)力差值最大，兩種埋深下的土動(dòng)應(yīng)力差值為5 kPa，說明埋深對(duì)不同土動(dòng)應(yīng)力峰值的影響具有差異性，埋深對(duì)第三個(gè)峰值的土動(dòng)應(yīng)力差值影響最大，當(dāng)后軸后輪駛過監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，不同埋深的土動(dòng)應(yīng)力差距較大。

當(dāng)埋深為0.8 m時(shí)，土壓力盒得出的路基時(shí)間－土動(dòng)應(yīng)力曲線見圖3。相較于埋深為0.2 m與0.4 m的曲線而言，埋深為0.8 m的時(shí)間－土動(dòng)應(yīng)力曲線波動(dòng)較大，且其土動(dòng)應(yīng)力峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間明顯滯后，3個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為2.3 s、2.7 s、3 s，說明當(dāng)埋深較大時(shí)，路基的滯后效應(yīng)會(huì)更加明顯。對(duì)比不同埋深下的土動(dòng)應(yīng)力峰值可得，當(dāng)埋深為0.8 m時(shí)，土動(dòng)應(yīng)力峰值分別為?8 kPa、?13.5 kPa、?18 kPa，遠(yuǎn)小于埋深為0.2 m與0.4 m的土動(dòng)應(yīng)力峰值，說明隨著埋深的增大路基的土動(dòng)應(yīng)力衰減現(xiàn)象會(huì)更加明顯。綜合以上分析可得，路基的土動(dòng)應(yīng)力峰值與其路基埋深間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著深度的增大，其土動(dòng)應(yīng)力峰值逐漸減小，且當(dāng)深度較大時(shí)，土動(dòng)應(yīng)力峰值減小趨勢(shì)較為明顯，減小率較大。

為分析不同理論計(jì)算方法得出的路基土壓力傳遞規(guī)律的差異性，車輛動(dòng)荷載作用下，設(shè)定卡車為滿載狀態(tài)，行駛速度為30 km/h，分別采用Boussinesq法與分布角法計(jì)算路基不同深度下的附加應(yīng)力，其計(jì)算結(jié)果如表1所示。

由表1可知，路基的附加應(yīng)力與其覆土埋深間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且隨著覆土埋深的增大，附加應(yīng)力存在應(yīng)力衰減現(xiàn)象，當(dāng)埋深較大時(shí)，衰減現(xiàn)象較為明顯，與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果一致。對(duì)比Boussinesq法與分布角法的計(jì)算結(jié)果可得，采用Boussinesq法的附加應(yīng)力計(jì)算結(jié)果均小于分布角法的計(jì)算結(jié)果，說明不同計(jì)算方法得出的路基附加應(yīng)力結(jié)果具有一定的差異性，這是由于采用分布角法計(jì)算時(shí)，設(shè)定其應(yīng)力擴(kuò)散角度為定值，但在實(shí)際工程中，受到路基結(jié)構(gòu)與材料的影響，其應(yīng)力擴(kuò)散角度具有一定的差異性。

為分析不同載重量卡車及卡車行駛速度對(duì)路基土壓力傳遞規(guī)律的影響，分別開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及理論計(jì)算，得出空載卡車的埋深－覆土壓力曲線見圖4。理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出的結(jié)果具有一致性，埋深與路基覆土壓力間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)埋深較小時(shí)，路基覆土壓力下降趨勢(shì)顯著，隨著埋深的增大，其埋深－覆土壓力曲線逐漸趨于平緩。在同一埋深下，采用理論計(jì)算得出的路基覆土壓力大于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出的覆土壓力，且采用分布角法得出的覆土壓力最大。不同卡車行駛速度下的覆土壓力差異并不明顯，當(dāng)埋深小于1.2 m時(shí)，其間的覆土壓力差值約為1 kPa，隨著埋深的增大，不同行駛速度間的覆土壓力不足0.3 kPa，說明在卡車空載狀態(tài)下，行駛速度對(duì)路基覆土壓力的影響較小，且隨著埋深的增大，其影響效果較為微弱。

半載卡車的埋深－覆土壓力曲線見圖5。其曲線變化趨勢(shì)與空載的曲線變化趨勢(shì)具有一致性，但現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的最大覆土壓力大于空載的最大覆土壓力，說明卡車的載重狀態(tài)會(huì)影響路基土壓力傳遞規(guī)律。相較于空載狀態(tài)的埋深－覆土壓力曲線，在同一埋深下，不同行駛速度的覆土壓力差距較為明顯，其中，行駛速度為30 km/h時(shí)，覆土壓力最大，行駛速度為10 km/h時(shí)，覆土壓力最小。

滿載卡車的埋深－覆土壓力曲線見圖6。當(dāng)埋深大于0.6 m時(shí)，試驗(yàn)得出的覆土壓力結(jié)果與采用Boussinesq法計(jì)算得出的結(jié)果差距較小，說明采用Boussinesq法對(duì)路基的土壓力傳遞規(guī)律預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性較高。對(duì)比不同行駛速度下的覆土壓力可得，當(dāng)埋深小于0.6 m時(shí)，其間的差異較為明顯，說明不同行駛速度對(duì)路基覆土壓力存在一定的影響，且當(dāng)卡車滿載及埋深較小時(shí)，行駛速度對(duì)路基覆土壓力的影響較為明顯。

4 結(jié)論

該文以某公路為研究對(duì)象，開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并結(jié)合理論計(jì)算，得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)埋深為0.2 m時(shí)，隨著時(shí)間的增大，路基的土動(dòng)應(yīng)力的峰值逐漸增大，其時(shí)間－土動(dòng)應(yīng)力的峰值分別對(duì)應(yīng)卡車由前軸輪胎、后軸前輪、后軸后輪駛過監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間，當(dāng)卡車駛離試驗(yàn)范圍后，路基的時(shí)間－土動(dòng)應(yīng)力曲線逐漸趨于平緩，土動(dòng)應(yīng)力波動(dòng)范圍在?1～1 kPa之間。

（2）當(dāng)埋深小于1.2 m時(shí)，其間的覆土壓力差值約為1 kPa，隨著埋深的增大，不同行駛速度間的覆土壓力不足0.3 kPa，說明在卡車空載狀態(tài)下，行駛速度對(duì)路基覆土壓力的影響較小，且隨著埋深的增大，其影響效果較為微弱。

（3）當(dāng)埋深大于0.6 m時(shí)，試驗(yàn)得出的覆土壓力結(jié)果與采用Boussinesq法計(jì)算得出的結(jié)果差距較小，采用Boussinesq法對(duì)路基的土壓力傳遞規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性較高。

參考文獻(xiàn)

[1]耿大新， 楊澤晨， 王寧， 等. 交通動(dòng)荷載引起的公路路基應(yīng)力響應(yīng)試驗(yàn)研究[J]. 公路， 2021（12）： 1-7.