車輛荷載作用下雙層路基層間動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)試驗(yàn)研究

曹海瑩，朱 毅，劉云飛，魏月巖

(燕山大學(xué) 建筑工程與力學(xué)學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

車輛荷載作用下雙層路基層間動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)試驗(yàn)研究

曹海瑩，朱 毅，劉云飛，魏月巖

(燕山大學(xué) 建筑工程與力學(xué)學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

針對(duì)層狀路基土的動(dòng)力響應(yīng)與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)問(wèn)題，以某雙層路基為工程背景，利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，揭示出硬、軟土層界面處存在動(dòng)應(yīng)力突變現(xiàn)象，并給出了動(dòng)應(yīng)力突變系數(shù)；根據(jù)室內(nèi)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以動(dòng)應(yīng)力突變系數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)，采用極差分析法對(duì)主要影響因素進(jìn)行了排序；借助動(dòng)三軸試驗(yàn)獲得硬、軟土體的臨界動(dòng)應(yīng)力，推導(dǎo)得出兩種土體的動(dòng)應(yīng)力水平關(guān)聯(lián)性系數(shù)，并提出一種評(píng)價(jià)路基長(zhǎng)期穩(wěn)定性的“概率區(qū)域”方法。研究表明：路基運(yùn)營(yíng)后期，硬、軟土層壓縮模量之比將取代硬殼層厚度，成為影響層間響應(yīng)的首要因素；埋置較深的下臥軟土層是控制路基穩(wěn)定性的關(guān)鍵層。

雙層路基；動(dòng)應(yīng)力突變；室內(nèi)模型試驗(yàn)；土層界面；路基穩(wěn)定性

隨著交通運(yùn)輸量的增加，以及汽車速度和軸重的提高，車輛荷載在路基中產(chǎn)生的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題已經(jīng)成為土木工程領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)[1]。目前，受車輛振動(dòng)荷載的隨機(jī)性、土體性質(zhì)的復(fù)雜性等諸多因素的影響，相關(guān)研究工作尚處于不成熟的階段[2-3]。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：① 有關(guān)公路路基動(dòng)應(yīng)力的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少[4]，揭示路基土的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律還需要開(kāi)展大量的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)工作。利用車輛-土體相互作用模型對(duì)有關(guān)問(wèn)題展開(kāi)數(shù)值模擬分析也是一種可行的途徑[5]；② 關(guān)于動(dòng)應(yīng)力在路基土中的影響深度說(shuō)法不一，文獻(xiàn)[6-8]研究結(jié)果表明影響深度變化范圍為2.5 m～18.0 m，同時(shí)也說(shuō)明路基土實(shí)際工作區(qū)范圍并不僅局限于表層土體；③ 已有成果的研究對(duì)象多為單一介質(zhì)土，對(duì)于層狀路基土的研究較少，特別是針對(duì)土層界面處動(dòng)應(yīng)力的傳遞特征更是鮮有報(bào)道[9]。實(shí)際公路路基往往呈現(xiàn)層狀分布，隨著車輛振動(dòng)荷載的增加，動(dòng)應(yīng)力很可能穿越兩個(gè)及以上土層，顯然研究土層間的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題具有重要的工程意義，不但能夠準(zhǔn)確地估計(jì)土層內(nèi)的動(dòng)應(yīng)力傳遞及分布情況，還可以結(jié)合土體的臨界動(dòng)應(yīng)力概念[10]，掌握各土層所處的動(dòng)應(yīng)力水平，為路基的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

基于以上考慮，選取層狀路基中的典型代表-上硬下軟型雙層路基[11-12]為研究對(duì)象，利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，給出硬、軟土層界面處的動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)特征；基于室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)影響該響應(yīng)特征的各因素進(jìn)行科學(xué)排序；并借助動(dòng)三軸試驗(yàn)對(duì)硬、軟土層動(dòng)應(yīng)力水平展開(kāi)分析，提出一種評(píng)價(jià)路基穩(wěn)定性的可行方法。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

邢臺(tái)—臨西高速公路(以下簡(jiǎn)稱邢臨高速)的K33+550～K39+990和K51+550～K60+455兩個(gè)區(qū)間段分布著典型的上硬下軟型雙層路基土，硬殼層厚度為1.5～3.0 m。分別在K33+650、K38+650、K39+990、和K51+650四個(gè)監(jiān)控?cái)嗝婧蚄39+750～K39+950路段(該路段內(nèi)每隔20 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)控?cái)嗝?沿路基埋深方向上共埋設(shè)動(dòng)態(tài)土壓力盒60個(gè)，監(jiān)控?cái)嗝娴耐馏w物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[13]。為了研究硬、軟土層間的動(dòng)應(yīng)力傳遞規(guī)律，提取出硬殼層底部和軟土層頂部的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，受篇幅所限，僅給出4組數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)測(cè)動(dòng)應(yīng)力曲線Fig.1 Curves of measured dynamical stress

由圖1可知，硬、軟土層界面處的動(dòng)應(yīng)力峰值產(chǎn)生了“突變現(xiàn)象”，由于車輛振動(dòng)荷載在路基土中的傳播屬于應(yīng)力波，因此依據(jù)應(yīng)力波理論可以做出如下解釋：硬、軟土兩種介質(zhì)的波阻抗存在明顯的差異，車輛荷載產(chǎn)生的應(yīng)力波必然會(huì)在介質(zhì)交界面處產(chǎn)生透射和折射，使得進(jìn)入到軟土層中的振動(dòng)能量發(fā)生折減。如果用η表示硬、軟土層中動(dòng)應(yīng)力峰值的比值，即：

(1)

式中：σd1為硬土層中動(dòng)應(yīng)力峰值；σd2為軟土層中動(dòng)應(yīng)力峰值。

則η值可以表征上述“突變現(xiàn)象”，本文定義η為土層界面處動(dòng)應(yīng)力突變系數(shù)。整理所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，η值的實(shí)測(cè)數(shù)值范圍在1.39～3.13之間。

受到監(jiān)測(cè)儀器精度和靈敏度的影響，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的實(shí)際車載狀態(tài)多為重型卡車經(jīng)過(guò)情況，且車速在80 km/h～100 km/h區(qū)間，因?yàn)榇藭r(shí)土體內(nèi)動(dòng)應(yīng)力峰值較為明顯，易于信號(hào)的采集。然而動(dòng)應(yīng)力的傳遞受到諸多因素的影響，因此有必要進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)，進(jìn)一步研究土層間動(dòng)應(yīng)力傳遞的變化規(guī)律。

2 室內(nèi)模型試驗(yàn)

2.1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1) 模型箱及土層

以邢臨高速上硬下軟型雙層路基段為原型，路堤頂寬取26 m，路堤高度取2.0 m，按照1∶1.5放坡；參照車輛荷載的影響范圍[14]，選取橫斷面寬度為60 m，縱斷面長(zhǎng)度為90 m，路基土厚度為15 m。綜合考慮經(jīng)濟(jì)條件、試驗(yàn)設(shè)備及空間條件，幾何相似常數(shù)定為1/75，即室內(nèi)模型尺寸為1.2 m×0.8 m×0.23 m(含路堤高度)。為了盡可能消除邊界效應(yīng)，模型箱尺寸在各邊界上再延展出5 cm，同時(shí)土樣放置前在模型板的側(cè)壁涂抹一層凡士林，減少土體與側(cè)壁的摩擦；為了避免車輛運(yùn)行完畢后對(duì)路基土產(chǎn)生二次振動(dòng)，沿長(zhǎng)度方向設(shè)置了50 cm長(zhǎng)的振動(dòng)緩沖區(qū)，最終模型箱尺寸為1.8 m×0.9 m×0.4 m(長(zhǎng)×寬×高)(見(jiàn)圖2)。

圖2 室內(nèi)模型Fig.2 Laboratory model

試驗(yàn)所用土樣取自邢臨高速現(xiàn)場(chǎng)不同斷面的原狀土體，土體參數(shù)見(jiàn)表1。模型箱內(nèi)各土層與原土質(zhì)保持一致，土層填筑自上而下依次為路堤土、亞黏土(硬殼層)、淤泥質(zhì)亞黏土(下臥軟土層)和亞砂土(其它土層)，路堤采用分層碾壓形成，路面采用0.4 cm厚C35混凝土板代替(與實(shí)際路面的彈性模量接近)，且保證與路堤土緊密接觸。為盡量保持土體的原狀特性、消除人為擾動(dòng)影響，試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯馏w在模型箱內(nèi)靜置3個(gè)月，密封完好。模型小車尺寸按照幾何相似常數(shù)對(duì)原型車輛進(jìn)行微縮，按照量綱分析法，應(yīng)力相似常數(shù)Cσ=ClCγ取1/75(其中幾何相似常數(shù)Cl取1/75，容重相似常數(shù)Cγ為1.0)，通過(guò)改變車重、調(diào)節(jié)輪胎接地面積將輪胎接地壓強(qiáng)控制在10 kPa～11.5 kPa，約為標(biāo)準(zhǔn)軸載車輛輪胎接地壓強(qiáng)(0.7 MPa)的1/70～1/75。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of soils

(2) 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

車輛在路基中產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力大小主要與硬殼層厚度、硬軟土的力學(xué)性質(zhì)差異性、車載大小和車速四個(gè)因素有關(guān)[15]，其中硬軟土的力學(xué)性質(zhì)差異性近似用兩種土體的壓縮模量之比代表，車載大小近似用車重代表。每一個(gè)因素又包括3個(gè)水平，根據(jù)因素和水平的個(gè)數(shù)選擇L9(34)正交表進(jìn)行試驗(yàn)，如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)方案Tab.2 Orthogonal experiment scheme

為了提高試驗(yàn)的效率，制作出4個(gè)模型箱交替使用，每組試驗(yàn)加載時(shí)長(zhǎng)1個(gè)月(每組試驗(yàn)車輛加載次數(shù)約14 000次)，9組試驗(yàn)共持續(xù)1年的時(shí)間。

(3) 監(jiān)測(cè)儀器、裝置的布設(shè)

模型試驗(yàn)共埋設(shè)了四種監(jiān)測(cè)儀器和裝置(如圖3所示)：自制微型沉降板、微型動(dòng)態(tài)土壓力盒、動(dòng)位移計(jì)和振動(dòng)加速度計(jì)，其中動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)位移監(jiān)測(cè)信號(hào)由動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變儀采集，振動(dòng)加速度信號(hào)由振動(dòng)測(cè)量?jī)x采集。監(jiān)測(cè)方案布置如圖4所示，即在路基頂部沿橫斷面方向上每隔9 cm埋設(shè)1個(gè)自制微型沉降板，并通過(guò)安裝在沉降板頂部的動(dòng)位移計(jì)來(lái)收集路基沉降變形的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)；在路基中心線沿深度方向上每隔2 cm埋設(shè)1個(gè)微型動(dòng)態(tài)土壓力盒，用于監(jiān)測(cè)模型小車在路基中的產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力；在模型箱的三個(gè)邊界頂部(除振動(dòng)緩沖區(qū)邊界外)各埋設(shè)1個(gè)振動(dòng)加速度計(jì)，用于確定車輛行駛的起點(diǎn)位置，以及判斷邊界上是否受到車輛荷載振動(dòng)的影響。模型小車以變速牽引電機(jī)為動(dòng)力，由信號(hào)采集儀器一側(cè)向振動(dòng)緩沖區(qū)一側(cè)運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)緩沖區(qū)由一塊表面涂有粘膠的水平木板(用于阻止模型小車撞擊模型箱)和一塊豎直放置的泡沫板組成(用于屏蔽模型小車對(duì)路基土產(chǎn)生的的二次振動(dòng))。

圖3 監(jiān)測(cè)儀器Fig.3 Monitoring instrument

圖4 監(jiān)測(cè)儀器布置Fig.4 Layout of monitoring instrument

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

以表2中的7號(hào)試驗(yàn)組為例展開(kāi)分析。

(1) 振動(dòng)加速度信號(hào)

試驗(yàn)初試階段曾在路面板和路堤土界面處埋置了振動(dòng)加速度計(jì)，收集到的數(shù)據(jù)表明車輛荷載產(chǎn)生的振動(dòng)情況無(wú)異?，F(xiàn)象。但是隨著車輛加載次數(shù)的增多，埋置振動(dòng)加速度計(jì)處容易發(fā)生“脫空”現(xiàn)象，影響到了動(dòng)應(yīng)力的正常傳遞路徑，最終方案取消了在該位置處埋置振動(dòng)加速度計(jì)。當(dāng)模型小車沿路面中心線運(yùn)動(dòng)時(shí)，埋設(shè)于模型箱長(zhǎng)邊的兩個(gè)振動(dòng)加速度計(jì)均未采集到振動(dòng)信號(hào)；經(jīng)過(guò)多次調(diào)適，當(dāng)模型小車的起點(diǎn)位置距離模型箱邊緣約25 cm時(shí)，埋設(shè)于模型箱寬邊的振動(dòng)加速度計(jì)開(kāi)始采集不到振動(dòng)信號(hào)。由此可以保證在試驗(yàn)過(guò)程中模型箱邊界上沒(méi)有受到小車振動(dòng)的影響。

(2) 動(dòng)應(yīng)力信號(hào)

當(dāng)模型小車行駛過(guò)路面時(shí)(選取加載約1 000次時(shí))，微型動(dòng)態(tài)土壓力盒采集到了各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線，如圖5所示。在埋深較淺處，出現(xiàn)典型的雙波峰曲線，隨著埋深的增加，雙波峰逐漸消失，且波形逐漸變寬。且加載次數(shù)的不同，對(duì)時(shí)程曲線的分布規(guī)律影響不大，這與[16-17]描述的規(guī)律幾乎一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

圖5 動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.5 Time-history curve of dynamical stress

將各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力峰值沿深度繪制成分布曲線，如圖6所示。車輛荷載在路基中產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力峰值隨著深度在衰減，且在軟土層(CD段)中的衰減速度要快于硬土層(AB段)；而由硬土層向軟土層過(guò)渡時(shí)，動(dòng)應(yīng)力發(fā)生了比較明顯的突變(BC段)。以B點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力峰值除以C點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力峰值可獲得動(dòng)應(yīng)力突變系數(shù)η=1.83，其它組試驗(yàn)的η值按照此方法計(jì)算獲得。

圖6 動(dòng)應(yīng)力峰值沿埋深分布曲線Fig.6 Distribution curve of dynamical stress peak along depth

(3) 沉降變形時(shí)程曲線

位于路基中央附近的微型沉降板測(cè)點(diǎn)獲得的數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7、8。

圖7和圖8中正值代表壓縮，負(fù)值代表回彈或抬升。在車輛荷載施加過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)處的路基土先后經(jīng)歷了抬升、壓縮變形和回彈變形三個(gè)階段，起始段產(chǎn)生的微小抬升量，可能是由車輛在接近測(cè)點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的水平?jīng)_擊力或擠壓作用引起的。如圖7所示，當(dāng)加載次數(shù)為1 000次時(shí)，路基土的壓縮量和回彈量接近，幾乎沒(méi)有產(chǎn)生塑性變形，土體處于彈性狀態(tài)；如圖8所示，當(dāng)加載次數(shù)為10 000次時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)壓縮量大于反彈量的現(xiàn)象，路基中產(chǎn)生塑性變形，土體處于彈塑性狀態(tài)，而遠(yuǎn)離路基中央各測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)塑性變形的時(shí)間明顯滯后，且數(shù)值很小。各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，3號(hào)試驗(yàn)組路基中開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形所對(duì)應(yīng)的加載次數(shù)最少，約為7 000次；而8號(hào)試驗(yàn)組路基中開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形所對(duì)應(yīng)的加載次數(shù)最多，約為12 000次?？梢缘贸鋈缦陆Y(jié)論：路基中央開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形時(shí)的加載次數(shù)為7 000～12 000次。原因解釋如下：3號(hào)試驗(yàn)組對(duì)應(yīng)的硬殼層最薄，且加載車輛最重，在這種工況下路基抵抗變形的能力相對(duì)最弱，在加載次數(shù)較少時(shí)就會(huì)出現(xiàn)塑性變形；而8號(hào)驗(yàn)組對(duì)應(yīng)的硬殼層最厚，且加載車輛最輕，在這種工況下路基抵抗變形的能力相對(duì)最強(qiáng)，在加載次數(shù)較多時(shí)才可能出現(xiàn)塑性變形。因此，在分析各因素對(duì)動(dòng)應(yīng)力突變系數(shù)η的影響時(shí)應(yīng)考慮路基土所處的力學(xué)狀態(tài)。

圖7 柱狀變形時(shí)程圖(加載1 000次時(shí))Fig.7 Time-history bar chart of deformation(loading for one thousand times)

圖8 柱狀變形時(shí)程圖(加載10 000次時(shí))Fig.8 Time-history bar chart of deformation(loading for ten thousand times)

(4) 各影響因素排序

本節(jié)第(1)部分保障了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；第(2)部分計(jì)算得出了動(dòng)應(yīng)力突變系數(shù)η的數(shù)值(即極差分析法的試驗(yàn)指標(biāo))；第(3)部分為影響因素排序提供了重要前提條件。

下面以動(dòng)應(yīng)力突變系數(shù)η為試驗(yàn)指標(biāo)，采用極差分析法[18]分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

通過(guò)比較極差Rj的大小可以判斷出各因素對(duì)動(dòng)應(yīng)力突變系數(shù)的影響程度，極差Rj越大，表示該因素影響越顯著。由表1可知，當(dāng)車輛加載小于8 000次時(shí)，各因素的影響程度排序?yàn)椋河矚雍穸?壓縮模量之比>車重>車速；當(dāng)車輛加載超過(guò)10 000次時(shí)，各因素的影響程度排序變?yōu)椋簤嚎s模量之比>硬殼層厚度>車重>車速。排序與[19]一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，土體本身的性質(zhì)(硬殼層厚度、壓縮模量之比)對(duì)動(dòng)應(yīng)力突變系數(shù)影響很大，而車輛荷載參數(shù)(車重、車速)影響不明顯；此外，車輛加載次數(shù)對(duì)各因素排序產(chǎn)生了影響，當(dāng)加載次數(shù)增多時(shí)，壓縮模量之比成為首要因素，究其原因，路基運(yùn)營(yíng)期后期硬殼層的力學(xué)性質(zhì)必然會(huì)產(chǎn)生劣化，從而導(dǎo)致動(dòng)應(yīng)力突變系數(shù)的降低，如果硬、軟兩種土層的力學(xué)性質(zhì)差異性很大，動(dòng)應(yīng)力突變系數(shù)降低的幅度就會(huì)變??；而硬殼層厚度這個(gè)因素對(duì)力學(xué)性質(zhì)的演變過(guò)程并不敏感。

表3 極差分析法計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation result of range analysis method

3 動(dòng)三軸試驗(yàn)及路基穩(wěn)定性分析

掌握路基土所處的應(yīng)力水平，對(duì)于評(píng)價(jià)運(yùn)營(yíng)期路基的性能及路面的實(shí)際工作狀況均具有十分重要的研究?jī)r(jià)值[20]。

路基土的動(dòng)應(yīng)力水平S：

(2)

式中：σd為車輛荷載在路基土中產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力峰值，σdcr為路基土的臨界動(dòng)應(yīng)力。

路基土的臨界動(dòng)應(yīng)力主要受到圍壓、含水率、振動(dòng)頻率和動(dòng)應(yīng)力幅值等因素的影響[21]。首先按照土體埋深(圍壓)和含水率的不同，在上述邢臨高速的監(jiān)控?cái)嗝娓浇?，分別在硬殼層底部和軟土層頂部采集硬、軟土土樣各12組，并依據(jù)振動(dòng)頻率的不同(選取1 Hz、2 Hz和3 Hz)，以及加載的動(dòng)應(yīng)力幅值不同(軟土取3 kPa～27 kPa，硬土取20 kPa～100 kPa)，共制備出288個(gè)試樣(硬、軟土土樣各半)，試樣尺寸：直徑d=39.1 mm，h=80 mm。試驗(yàn)采用SDT-10微機(jī)控制電液伺服動(dòng)三軸儀，選用的振動(dòng)波形為正弦波[22]。以部分試樣為例，其試驗(yàn)條件見(jiàn)表4。

依照?qǐng)D9和圖10所示，找到臨界曲線對(duì)應(yīng)的動(dòng)應(yīng)力幅值，即為該土樣的臨界動(dòng)應(yīng)力。對(duì)288組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，含水率、振動(dòng)頻率均與土體的臨界動(dòng)應(yīng)力值呈反比關(guān)系，而土體埋深(圍壓)與臨界動(dòng)應(yīng)力值呈正反比關(guān)系。對(duì)于軟土而言，當(dāng)含水率為32%、振動(dòng)頻率為3 Hz、圍壓為70 kPa時(shí)其對(duì)應(yīng)的臨界動(dòng)應(yīng)力值最小，約為9 kPa；當(dāng)含水率為21%、振動(dòng)頻率為1 Hz、圍壓為85 kPa時(shí)其對(duì)應(yīng)的臨界動(dòng)應(yīng)力值最大，約為21 kPa。對(duì)于硬土而言，當(dāng)含水率為19%、振動(dòng)頻率為3 Hz、圍壓為55 kPa時(shí)其對(duì)應(yīng)的臨界動(dòng)應(yīng)力值最小，約為50 kPa；當(dāng)含水率為11%、振動(dòng)頻率為1 Hz、圍壓為68 kPa時(shí)其對(duì)應(yīng)的臨界動(dòng)應(yīng)力值最大，約為75 kPa。因此，硬土的臨界動(dòng)應(yīng)力值σdcr1范圍為50～75 kPa，軟土的臨界動(dòng)應(yīng)力值σdcr2范圍為9～21 kPa。

表4 試驗(yàn)條件Tab.4 Experimental condition

圖9 軟土臨界動(dòng)應(yīng)力Fig.9 Critical dynamic stress of soft soil

圖10 硬土臨界動(dòng)應(yīng)力Fig.10 Critical dynamic stress of hard soil

為了明確兩種土體動(dòng)應(yīng)力水平的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，定義m為動(dòng)應(yīng)力水平關(guān)聯(lián)性系數(shù)(同一車輛荷載作用下)：

(3)

式中：S1為硬土的動(dòng)應(yīng)力水平；S2為軟土的動(dòng)應(yīng)力水平。

將式(1)，式(2)代入式(3)，可得：

(4)

式(4)中，軟、硬土臨界動(dòng)應(yīng)力之比與動(dòng)應(yīng)力突變系數(shù)η呈現(xiàn)反比關(guān)系，即硬、軟土力學(xué)性質(zhì)差異性越大，軟、硬土臨界動(dòng)應(yīng)力之比越小，而動(dòng)應(yīng)力突變系數(shù)η越大。

假設(shè)路基為均質(zhì)土情況，η=1.0，將上述動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果代入式(4)，得到m=0.16～0.46，即同一車輛荷載作用下，軟土中的應(yīng)力水平為硬殼層中的2.17倍～6.25倍，此時(shí)埋置較深的下臥軟土層受到的車輛荷載影響雖然很小，卻有可能處于高應(yīng)力水平的力學(xué)狀態(tài)，對(duì)路基穩(wěn)定性十分不利。

對(duì)于上硬下軟型路基土，分別將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的η值和動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果代入式(4)，得到m=0.50～0.64，即同一車輛荷載作用下，軟土中的應(yīng)力水平一般為硬殼層中的1.56倍～2.0倍，由此可見(jiàn)，正是由于動(dòng)應(yīng)力突變系數(shù)η的存在使得m值在一個(gè)較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，說(shuō)明硬、軟土的應(yīng)力水平具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，此時(shí)下臥軟土層的力學(xué)狀態(tài)處于高應(yīng)力水平的概率大為降低，但仍然是控制路基穩(wěn)定性的關(guān)鍵土層。

為了進(jìn)一步說(shuō)明這種關(guān)聯(lián)性對(duì)于路基長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響，分別以硬、軟土的動(dòng)應(yīng)力水平為橫、縱坐標(biāo)，對(duì)路基的穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行了“概率區(qū)域”劃分，見(jiàn)圖11。

圖11 路基穩(wěn)定性狀態(tài)“概率區(qū)域”Fig.11 “Probability area” of subgrade stability condition

由圖11可知，I區(qū)為低概率區(qū)域：當(dāng)硬殼層的力學(xué)狀態(tài)處于低應(yīng)力水平時(shí)，由于硬殼層的“應(yīng)力突變”效應(yīng)，使得傳至軟土層中的動(dòng)應(yīng)力大幅降低，導(dǎo)致軟土應(yīng)力水平處于I區(qū)的概率極低；II區(qū)域?yàn)檎顟B(tài)區(qū)域：按照硬、軟土應(yīng)力水平相差1.56倍和2.0倍分別獲得A線和B線(對(duì)于其它工程，A線和B線的相對(duì)位置會(huì)有變化)，A、B線包圍的區(qū)域真實(shí)代表了兩種土層動(dòng)應(yīng)力水平的關(guān)聯(lián)性，路基運(yùn)營(yíng)期的穩(wěn)定性在該區(qū)域基本可以得到保證；III區(qū)域?yàn)榘踩珷顟B(tài)區(qū)域：當(dāng)路基的應(yīng)力狀態(tài)處于該區(qū)域時(shí)，路基運(yùn)營(yíng)期發(fā)生失穩(wěn)的概率大大降低；IV區(qū)也是低概率區(qū)域：當(dāng)硬殼層的力學(xué)狀態(tài)處于較高應(yīng)力水平時(shí)，隨著運(yùn)營(yíng)期的增長(zhǎng)，硬殼層的力學(xué)性能開(kāi)始產(chǎn)生劣化，其“應(yīng)力突變”效應(yīng)變得不再明顯，導(dǎo)致傳至軟土中的動(dòng)應(yīng)力加劇，軟土處于中、低應(yīng)力水平的狀態(tài)概率很低；V區(qū)為高危險(xiǎn)區(qū)域：此區(qū)域內(nèi)硬、軟土層均處于中、高應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)路基的整體穩(wěn)定性極為不利。

4 結(jié) 論

(1) 首先利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)手段發(fā)現(xiàn)路基土層界面處存在“動(dòng)應(yīng)力突變現(xiàn)象”，再采用室內(nèi)模型試驗(yàn)方法對(duì)動(dòng)應(yīng)力突變系數(shù)進(jìn)行因素排序，最后借助動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果，將動(dòng)應(yīng)力突變規(guī)律應(yīng)用于路基的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)之中。三種試驗(yàn)手段的有機(jī)結(jié)合，為研究層狀路基土的動(dòng)力響應(yīng)與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)問(wèn)題提供了一種可行的研究思路。

(2) 在路基的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，其受力狀態(tài)將發(fā)生改變，在由彈性狀態(tài)向彈塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中，影響動(dòng)應(yīng)力突變的因素排序由硬殼層厚度>壓縮模量之比>車重>車速，改變?yōu)閴嚎s模量之比>硬殼層厚度>車重>車速。因此，在路基運(yùn)營(yíng)的中后期硬、軟土層壓縮模量之比將取代硬殼層厚度，成為首要影響因素，在設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)監(jiān)控階段應(yīng)對(duì)這一變化應(yīng)引起足夠重視。

(3) 雖然上硬下軟型雙層路基較均質(zhì)路基，較大程度上減小了傳遞至下臥軟土層的動(dòng)應(yīng)力大小，但是由于下臥軟土層本身臨界動(dòng)應(yīng)力值很低，其動(dòng)應(yīng)力水平仍高于硬殼層，依然是控制路基穩(wěn)定性的關(guān)鍵層。

(4) 硬、軟兩種土層動(dòng)應(yīng)力水平具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，以兩種土層的動(dòng)應(yīng)力水平構(gòu)建坐標(biāo)系，可以將路基的穩(wěn)定性狀態(tài)劃分為不同的區(qū)域，能夠直觀地判斷路基穩(wěn)定性發(fā)生的概率大小。

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Tests for interlayer dynamic stress response of a two-layer roadbed under vehicle load

CAO Haiying，ZHU Yi, LIU Yunfei, WEI Yueyan

(School of Civil Engineering and Mechanics,Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)

Aiming at dynamic response and stability evaluation problems of layered subgrade, based on an actual two-layer roadbed project, the phenomenon of dynamic stress mutation at hard-soft soil layers’ interface was revealed with field measurement data, and a coefficient of dynamic stress mutation (CDSM)was obtained.According to the data of laboratory model tests, the main factors affecting CDSM were ranked with the range analysis method.In virtue of hard and soft soils’ critical dynamic stress obtained with the dynamic triaxial tests, the relevance coefficient between two soils’ dynamic stress levels was deduced, and a “probability area”method was proposed to evaluate the long-term subgrade stability.The results showed that the ratio between two soils’ compression moduli is the primary factor affecting inter-layer dynamic stress response in stead of the thickness of hard crust layer, and the soft soil layer embedded at deeper location is the key layer to control subgrade stability.

two-layer roadbed; dynamic stress mutation; laboratory model test; layer interface; subgrade stability

國(guó)家自然科學(xué)基金資助(51308486)

2016-05-26 修改稿收到日期：2016-07-05

曹海瑩 男，博士，副教授，1979年12月生

TU416.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.05.006