循環(huán)動荷載作用下路基變形研究

摘要：基于我國公路的路面設(shè)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(guī)路基土體在循環(huán)動荷載作用下的變形規(guī)律及力學(xué)性狀的變化規(guī)律，從而更好地指導(dǎo)公路的設(shè)計和施工。

關(guān)鍵詞：循環(huán)動荷載；路基變形；靜力荷載；路面設(shè)計荷載；車流量；載重量 文獻標(biāo)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(shè)計荷載假定為靜載，設(shè)計指標(biāo)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(yīng)力。這種設(shè)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(jīng)與現(xiàn)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(dǎo)致的路基不均勻沉降、失穩(wěn)、崩塌及路面斷板、開裂等病害的時常發(fā)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(yè)的發(fā)展。若在公路結(jié)構(gòu)分析、設(shè)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(huán)三軸試驗，探討在循環(huán)動荷載作用下常規(guī)路基土體的變形規(guī)律及力學(xué)性狀的變化規(guī)律。

1 汽車動荷載的特性分析

在一般公路結(jié)構(gòu)設(shè)計中，?？紤]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(xué)原理的替代計算從而獲得相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)。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(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)范特別采用了雙輪組單軸軸載100kN作為標(biāo)準(zhǔn)軸載，將此定義為車輛荷載之間的軸載換算關(guān)系，并且根據(jù)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(yīng)的數(shù)率因子，在此基礎(chǔ)上換算出了等效標(biāo)準(zhǔn)軸載的作用次數(shù)。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(dāng)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(chǎn)生的豎向附加應(yīng)力值會遠超靜力荷載所產(chǎn)生的應(yīng)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(fā)動機的偏心轉(zhuǎn)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(tài)，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(guī)則性和隨機性。

2 循環(huán)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(huán)荷載，在循環(huán)荷載作用下路基的變形性質(zhì)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(zhì)黏土循環(huán)三軸壓縮試驗結(jié)果的總結(jié)，得出循環(huán)荷載作用的條件下排水固結(jié)會影響地基變形，將在此影響下的地基總變形分為可恢復(fù)的變形和不可恢復(fù)的變形兩部分，并且兩者的所占成分和循環(huán)次數(shù)N的對數(shù)存在關(guān)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(jié)構(gòu)的使用性能和使用壽命，故通過對路基土體的室內(nèi)循環(huán)荷載試驗研究其長期變形特性及土體力學(xué)性狀的變化，以便合理地預(yù)測路基在長期荷載作用下的效應(yīng)。

3 循環(huán)三軸試驗內(nèi)容及步驟

表1 試驗土樣的物理力學(xué)參數(shù)

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(biāo)

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(huán)三軸試驗參數(shù)及結(jié)果

試驗

樣本 固結(jié)

壓力 循環(huán)應(yīng)力幅 循環(huán)應(yīng)

力比 加載

周數(shù) 軸向累

積應(yīng)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(shè)計年限內(nèi)通過的車輛標(biāo)準(zhǔn)軸載數(shù)都在107以上，在實驗室條件下很難實現(xiàn)如此多的加載周數(shù)。因此當(dāng)試驗加載的循環(huán)周期達到104以上，即認為已經(jīng)是一種長期作用荷載，能真實地反映出公路的疲勞效應(yīng)。本試驗所采用的儀器是多功能靜動三軸儀，可進行靜應(yīng)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(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。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(shù)，自動地采集試驗土體的豎向位移、孔壓、體變等試驗數(shù)據(jù)。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(nèi)進行抽氣飽和。

4 試驗結(jié)果及分析

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

式中：為軸向動應(yīng)力；、εSN為1周期及N周期的軸向動應(yīng)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(huán)應(yīng)力比下的軸向累積應(yīng)變（εp）與加載循環(huán)周數(shù)（N）的對應(yīng)關(guān)系曲線以及改進的軟化指數(shù)δ與加載循環(huán)周數(shù)（N）的對應(yīng)關(guān)系曲線，用以研究土樣附加累積變形及力學(xué)性狀的變化規(guī)律。如圖1所示：

圖1 對應(yīng)關(guān)系圖

從上述試驗結(jié)果中可以看出，循環(huán)應(yīng)力比的取值對試驗土體的軸向累積應(yīng)變及修正后的軟化指數(shù)具有明顯的影響作用。其中εp-N關(guān)系曲線表明：CY1試樣的軸向累計應(yīng)變增長迅速，在第四個循環(huán)周數(shù)時就發(fā)生了破壞。CY2、CY3的循環(huán)應(yīng)力比值較CY1小，隨著循環(huán)應(yīng)力比的增加，軸向累積應(yīng)變也相應(yīng)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(yīng)變增長迅速，后期隨著加載的不斷進行，軸向累計應(yīng)變增長較緩直至穩(wěn)定，意味著兩種試驗土樣逐漸進入到了穩(wěn)定狀態(tài)，即軸向累計應(yīng)變的增加很??；δ-N關(guān)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(fā)生破壞。CY2、CY3循環(huán)應(yīng)力比較低時，隨著循環(huán)周數(shù)的增加，土體的強度和剛度逐漸提高，呈現(xiàn)逐漸硬化的狀態(tài)。

5 結(jié)語

試驗結(jié)果表明，路基土確實存在著臨界動應(yīng)力值，它將累積變形分為成穩(wěn)定型和破壞型兩種。路基附加動應(yīng)力決定著循環(huán)應(yīng)力比的大小，也是導(dǎo)致附加變形產(chǎn)生的原因，而載重越大的車所引起的附加動應(yīng)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(yīng)杜絕重車超載現(xiàn)象的發(fā)生。由于淺層路基承受的循環(huán)應(yīng)力比較大，在此作用下更易發(fā)生疲勞軟化效應(yīng)，為此在設(shè)計施工環(huán)節(jié)更應(yīng)加強淺層路基的質(zhì)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(shù)。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）