淺談路基土的應(yīng)力—應(yīng)變特性

金碧蓉

(貴州省德江公路管理段)

淺談路基土的應(yīng)力—應(yīng)變特性

金碧蓉

(貴州省德江公路管理段)

摘 要:路基是路面結(jié)構(gòu)的支承體，車輪荷載通過(guò)路面結(jié)構(gòu)傳至路基，所以路基土的應(yīng)力—應(yīng)變特性對(duì)路基路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和剛度有很大影響。從幾個(gè)方面介紹路基的應(yīng)力—應(yīng)變特性。

關(guān)鍵詞:路基土;應(yīng)力;應(yīng)變;特性

路面結(jié)構(gòu)的損壞除了它本身的原因之外，路基的變形過(guò)大是重要原因之一。路基土的變形包括彈性變形和塑性變形兩部分。過(guò)大的塑性變形將導(dǎo)致各種瀝青路面產(chǎn)生車轍和縱向不平整，對(duì)于水泥混凝土路面，路基土的塑性變形將引起板塊斷裂。彈性變形過(guò)大將使得瀝青面層和水泥混凝土面板產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂。在路面結(jié)構(gòu)總變形中，土基的變形占很大部分，約占70% ～95%，所以提高路基土的抗變形能力是提高路基路面結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度和剛度的重要方面。

理想的線性彈性體在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系呈線性特性。而且當(dāng)應(yīng)力消失時(shí)，應(yīng)變隨之消失，恢復(fù)到初始狀態(tài)。路基土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，包括固相、液相和氣相三部分所組成，固相部分又由不同成分、不同粒徑的顆粒所組成，所以路基土在應(yīng)力作用下呈現(xiàn)的變形特性同理想的線性彈性體有很大區(qū)別。

壓入承載板試驗(yàn)是研究土基應(yīng)力—應(yīng)變特性最常用的一種方法。這種方法是以一定尺寸的剛性承載板置于土基頂面，逐級(jí)加荷卸荷，記錄施加于承載板上的荷載及由該荷載所引起的沉降變形，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可繪出土基頂面壓應(yīng)力與回彈變形的關(guān)系曲線。根據(jù)彈性力學(xué)理論，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的回彈變形可以用式(1)計(jì)算土基的回彈模量

式中:l為承載板的回彈變形，m;D為承載板的直徑，m;E為土體的回彈模量，kPa;μ為土體的泊松比;p為承載板壓強(qiáng)，kPa。

假如土體為理想的線性彈性體，則E應(yīng)為一常量，施加的荷載p與回彈變形之間應(yīng)呈直線關(guān)系。但是實(shí)際上土基的回彈模量E并不是常數(shù)。

土基應(yīng)力—應(yīng)變的非線性特性由三軸壓縮試驗(yàn)的結(jié)果也可以證明。土的豎向壓應(yīng)變可以按照式(2)計(jì)算性質(zhì)。

式中:ε1為豎向應(yīng)變;σ1為豎向應(yīng)力，kPa;σ為側(cè)向應(yīng)力，kPa;E為士的彈性模量，kPa;μ為土的泊松比，約為0.3～0.5，隨土質(zhì)而異。

當(dāng)側(cè)向應(yīng)力σ3保持一個(gè)常數(shù)不變，若E值為常數(shù)時(shí)，豎向應(yīng)力σ1與豎向變?chǔ)?之間應(yīng)保持直線關(guān)系。但是實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果表明，σ1與ε1之間普遍存在著非線性關(guān)系，所以E值不能視為不變的常量。

土體在內(nèi)部應(yīng)力作用下表現(xiàn)出的變形，從微觀的角度看，是土的顆粒之間的相對(duì)移動(dòng)。當(dāng)移動(dòng)的距離超出一定限度時(shí)，即使將應(yīng)力解除，土體的顆粒已不再能回復(fù)原位;從宏觀角度看，土基將產(chǎn)生不可恢復(fù)的殘余變形。因此，土基的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系除了出現(xiàn)非線性特性之外，還表現(xiàn)出彈塑性

盡管土基的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系如此復(fù)雜，但是在評(píng)定土基應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)以及設(shè)計(jì)路面時(shí)通常仍然用模量值E來(lái)表征。最簡(jiǎn)單的方法是采用局部線性化的方法，即在曲線的某一個(gè)微小線段內(nèi)，近似地將它視為直線，以它的斜率作為模量值。按照應(yīng)力—應(yīng)變曲線上應(yīng)力取值方法的不同，模量有以下幾種。

(1)初始切線模量:應(yīng)力值為零時(shí)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線的斜率。

(2)切線模量:某一應(yīng)力級(jí)位應(yīng)力—應(yīng)變曲線的斜率，反映該級(jí)應(yīng)力處應(yīng)力—應(yīng)變變化的精確關(guān)系。

(3)割線模量:以某一應(yīng)力值對(duì)應(yīng)的曲線上的點(diǎn)同起始點(diǎn)相連的割線的斜率，反映土基在工作應(yīng)力范圍內(nèi)的應(yīng)力—應(yīng)變的平均狀態(tài)。

(4)回彈模量:應(yīng)力卸除階段，應(yīng)力—應(yīng)變曲線的割線模量。

前三種模量中的應(yīng)變值包含殘余應(yīng)變和回彈應(yīng)變，而回彈模量則僅包含回彈應(yīng)變，它部分地反映了土的彈性性質(zhì)。

土基應(yīng)力—應(yīng)變的非線性特性還有另一種表示方法，即將回彈模量值以應(yīng)力或應(yīng)變的函數(shù)形式來(lái)表示。如根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，砂性土路基的回彈模量可以按式(3)計(jì)算確定。

式中:En為土基回彈模量，kPa;θ為全應(yīng)力，即三向主應(yīng)力之和，θ=σ1+σ2+σ3，kPa;K1，K2為回歸常數(shù)。

對(duì)于黏性土，其模量值隨應(yīng)力的變化又有另外的形式。在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)，隨著應(yīng)力的增加，模量逐漸降低，超過(guò)一定范圍后，模量又緩慢增大。式(4)表示典型的黏性土的回彈模量與應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系。

式中:ER為土基回彈模量，kPa;σ1，σ3為最大、最小主應(yīng)力，kPa;K1，K2為系數(shù)，回歸常數(shù)，kPa;K 為系數(shù)，當(dāng)(σ1-σ3)＜ K1，則 K=K3;當(dāng)(σ1- σ3)≥K1，則 K=K4;K3，K4為回歸常數(shù)。

路基土在車輪荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)變，不僅與荷載應(yīng)力的大小有關(guān)，而且與荷載作用的持續(xù)時(shí)間有關(guān)。這是由于士顆粒之間力的傳遞以及土粒與土粒之間的相對(duì)移動(dòng)都需要一定的時(shí)間。通常在施加荷載的初期，變形量隨荷載持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，以后逐漸趨向穩(wěn)定，這又稱為土的流變特性。試驗(yàn)表明，回彈應(yīng)變與荷載的持續(xù)時(shí)間關(guān)系不大，土的流變特性主要同塑性變有關(guān)。

汽車在道路上行駛，車輪對(duì)土基作用的時(shí)間很短，在這一瞬間，產(chǎn)生的塑性應(yīng)變比之于靜荷載長(zhǎng)期作用下的塑性應(yīng)變小得多。因此，一般情況下，土基的流變影響可以不予考慮。

中圖分類號(hào):U416.1

C

1008-3383(2011)06-0048-01

收稿日期:2011-05-28