土工格室加固風積沙路基動應力響應現(xiàn)場試驗研究

張冰冰，劉 杰，阿肯江·托呼提，王 斌，艾鈺皓

(1.新疆交通規(guī)劃勘察設計研究院有限公司, 新疆 烏魯木齊 830006；2.新疆大學 建筑工程學院,新疆 烏魯木齊 830047；3.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

0 引言

沙漠地區(qū)自采筑路材料較為匱乏，運輸成本較高，并且風積沙顆粒細小、穩(wěn)定性差，建設難度大[1]。土工格室對風積沙具有良好加固的效果，可有效提高路基穩(wěn)定性，減小不均勻沉降，可為沙漠修建公路提供一條新路徑。與以往路基結構不同，土工格室加固風積沙可以達到級配礫石填料強度性能的同時，還可以避免礫石填料高額的遠距離運輸成本，降低工程造價，是一種非常有前途的路基結構形式。目前，已有學者對以土工格室-填料復合結構在交通荷載下的性能進行了探討[2-4]。王炳龍等[5]通過鐵道軌下不同格室高、焊距及埋置深度條件下，動應力衰減布均規(guī)律進行了研究，表明換填厚度的大小與整治方法密切相關。高昂等[6-7]通過模型試驗探究了土工格室加筋路堤在循環(huán)荷載及靜載作用下的加筋特性，發(fā)現(xiàn)加筋增加了土體的整體性和剛度，減小了路堤的沉降量，能夠顯著提高路基極限承載力。Dash等[8]通過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)土工格室可以顯著改善荷載界面的摩擦特性，從而有效地抑制荷載的側(cè)向擴散，提高了路基的承載力及穩(wěn)定性。Leshchinsky等[9]進行了一系列不同層數(shù)土工格室加固路堤模型的模型試驗，發(fā)現(xiàn)土工格室能夠很好地約束軟弱土層，對于不良結構土層路基處理是一種顯著的解決方案。Indraratna等[10]采用模型試驗對循環(huán)動荷載作用下土工格室—土復合體的動彈性模量衰減規(guī)律進行了研究，發(fā)現(xiàn)了土工格室加速了動彈性模量的衰減，對降低填土層厚度有著很好的效果。楊郴等[11]通過比較模型試驗和計算模擬在豎向動應力和動位移沿深度方向的衰變規(guī)律，提出了基于豎向路基動應力分布規(guī)律確定路基工作區(qū)域深度的方法。但是，目前針對交通荷載下土工格室加固風積沙路基的研究較少，因此，研究土工格室加固風積沙路基的動力性能具有重要的理論價值和實際意義。

S21線阿勒泰-烏魯木齊高速公路全長均為新建高速公路，起點位于福?？h南的黃花溝，至終點烏魯木齊市，路線總長229.19 km，其中穿越荒漠及古爾班通古特沙漠路段長達150.09 km。古爾班通古特沙漠是中國的第二大沙漠，有著面積最大的固定、半固定沙漠，以古爾班通古特沙漠腹地的土工格室加固風積沙路基試驗段(K233+600～K233+750)作為研究對象，分別改變測試車重和速度2個變量，對不同路基深度下交通荷載作用下的動應力衰減規(guī)律進行分析，得出了土工格室加固風積沙路基等代工作區(qū)域厚度的計算方法，并采用路基工作區(qū)域厚度驗算本試驗段的容許承載力。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

1.1.1 風積沙

試驗段路基填料采用的是新疆古爾班通古特沙漠風積沙及級配礫石。通過篩分比試驗測定，沙粒粒徑主要集中在0.074～1.180 mm，級配礫石粒徑主要集中在0.096～16.30 mm。顆粒級配曲線及物理性質(zhì)指標如圖1和表1所示。

圖1 路基填料的顆粒級配曲線

表1 路基填料的物理性質(zhì)指標

1.1.2 土工格室

試驗路采用的高強土工格室型號為TG-400-150，高度150 mm，網(wǎng)格尺寸400 mm×400 mm，性能指標如表2所示。土工格室條帶厚度為0.57 mm的聚丙烯樹脂(PP)材質(zhì)，插焊節(jié)點用U型鋼釘插接編織而成，U型釘直徑≥2.5 mm，具體力學指標詳見表2。

表2 土工格室性能指標

1.2 傳感器布置

土工格室對路基的加固效果主要看車輛通過時，均化動應力峰值、減小動應力沿深度的傳遞、降低路床下部承受的動應力水平。為了探究路基下動應力的大小分布及衰減規(guī)律，試驗選取應變式動土壓力盒(型號：JMYJ-1410)來監(jiān)測路基層中的動應力值，如圖2所示。將動土壓力盒預埋進路基指定位置中，先用跳夯將其周圍壓實，再使用壓路機將試驗壓實，保證壓實度達到98% 以上，待路基封頂層填筑完畢后，以不同測試車速、測試車重通過時，利用16通道動態(tài)采集模塊(型號：JMDY-1016)測出動應變值，通過動土壓力盒電阻標定系數(shù)將動應變值轉(zhuǎn)換為動應力值，如圖3所示。

圖2 現(xiàn)場傳感器埋設

圖3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

試驗段橫斷面動土壓力盒主要布置在右側(cè)車道的車輪下及車道中心位置處，用于監(jiān)測交通荷載作用下路基不同深度處的水平動土壓力及垂直動土壓力。水平動土壓力盒布置在兩側(cè)車輪下及車道中心的路基層頂面，0.18，0.33，0.63 m深度處，垂直動土壓力盒布置在車道輪下路基層頂面，0.18，0.33，0.63，1.13，1.63 m深度處，如圖4所示。

圖4 路基橫斷面動土壓力盒位置(單位:cm)

1.3 試驗步驟

本次現(xiàn)場試驗共開展9組現(xiàn)場試驗，分別以測試車重為2.5 t(小型客車)、18 t(大型客車)、30 t(中型貨車)，測試車速為20，40，60 km/h 通過試驗段傳感器布置車道。測試前，精確測得車輛的軸重，并在試驗段預留足夠長的加速車道，使測試車輛經(jīng)過加速車道加速后，以指定速度勻速通過試驗段傳感器位置。每組試驗重復采集12次，去除最大值、最小值，取路基下測得各檢測點平均動應力值數(shù)據(jù)，具體測試方案見表3。

表3 不同測試車速和車重組合的測試步驟

2 測試結果與分析

2.1 動應力測試結果

交通荷載作用下影響路基動應力大小的因素較多，尤其是車輛軸重、行車速度等[12]。S21線為客貨混運線，客車車輛軸重較小，行車速度較快，因此影響路基動應力的最不利因素主要是由行車速度引起。對于貨車車輛，雖然行車速度引起的路基動應力比客車車輛小一些，但受車輛軸重引起的動應力較大，同時，線路狀況對路基動應力的影響較大，但試驗段長度僅為150 m，且線路為直線，可認為線路狀況相似，故本次試驗忽略線路狀況對測試結果的影響。采取高速公路通行量最大的車型為研究對象，即小型客車(2.5 t)、大型客車(18 t)為主，以測試車速60 km/h通過檢測端面，監(jiān)測不同深度處動應力的變化規(guī)律。

圖5、圖6分別是測試車重2.5 t和18 t以測試車速60 km/h通過監(jiān)測斷面時的路基動應力時程曲線實測值，可看出動應力波形接近于半正弦波，但一個周期中有2個波峰，第1個波峰略小于第2波峰，這是由于車前輪軸載略小于后輪軸載。隨著路基深度的增加，動應力在路基填料中衰減后不斷減?。浑S著測試車重的增加，動應力峰值出現(xiàn)了大幅的增長，測試車重2.5 t引起的動應力周期為0.15 s左右，測試車重18 t時動應力周期提高了1倍左右。此外，隨著深度的增加，動應力周期響應出現(xiàn)了一定的滯后性。

圖5 2.5 t車輛以60 km/h行駛時路基動應力時程曲線

圖6 18 t車輛以60 km/h行駛時路基動應力時程曲線

2.2 路基中不同位置的動應力分布

2.2.1 橫向動應力分布

圖7為測試車重18 t(左)、2.5 t(右)以測試車速60 km/h通過試驗段的橫斷面動應力分布圖。可以看出，兩側(cè)車輪下的動應力分布規(guī)律基本一致，車道中心處動應力低于兩側(cè)車輪下的動應力，并且隨著測試車重增大車道中心處動應力減小越明顯。車輛通過路基頂面時動應力首先在18 cm厚級配礫石層出現(xiàn)衰減；當動應力穿過土工格室-風積沙加固層后，車輪下兩側(cè)動應力幅值出現(xiàn)了明顯的降低，說明土工格室加固下風積沙層具有良好的耗能特性，加速了動應力的橫向衰減，同時土工格室-風積沙層道路中心處動應力衰減變慢，說明該層整體性強，可促進動應力值的橫向衰減和重分布；隨后動應力進入風積沙層，動應力的橫向衰減變得不明顯。

圖7 不同測試車重和測試車速下橫向動應力分布曲線

2.2.2 豎向動應力分布

圖8(a)為測試車重2.5 t以測試車速20，40，60 km/h通過試驗段時豎向動應力分布圖?？梢钥闯觯徽摵畏N測試車速通過，路基各深度處動應力分布基本一致，隨著深度的增加，動應力值呈現(xiàn)出了減小的趨勢。圖8(b)為測試車重2.5，18，30 t以測試車速60 km/h通過試驗段時豎向動應力分布圖，可以看出隨著測試車重的增加，各深度處動應力值出現(xiàn)較大增長，說明過大的軸載會導致汽車荷載在路堤內(nèi)產(chǎn)生的動應力超過填料的強度，地基產(chǎn)生較大的塑性變形，引起路面的破壞。

圖8 不同測試車重和測試車速下豎向動應力分布曲線

從圖8中發(fā)現(xiàn)動應力經(jīng)過土工格室-風積沙層衰減后，動應力值的衰減率出現(xiàn)了大幅提高，說明土工格室-風積沙加固層對動應力衰減效果較好，從而可以有效地降低礫類土上路床厚度和路基高度。

2.3 不同測試車重通過時動應力分析

王樺等[13]、盧正等[14]、Maljaars等[15]針對不同軸載對動應力值的影響，得出了基本類似的結論，通過車輛車重越大引起的動應力值越大。衡量路基承載力性能的一個關鍵因素為路基層動應力衰減幅度，動應力取值按車輛通過時的平均值來考慮，動應力衰減系數(shù)為：

(1)

式中，σ上為路基層頂面動應力；σ下為路基層底面動應力；h為路基層厚度。

具體動應力衰減系數(shù)如表4所示。

表4 不同軸載下各測點動應力衰減系數(shù)

從圖9中可以看出，級配礫石層、土工格室-風積沙層及風積沙層各層內(nèi)單位厚度動應力衰減系數(shù)基本一致，其平均值分別為1.23，1.53，0.91；相同測試車速時測試車重越大，動應力衰減越大，且土工格室-風積沙層單位厚度動應力衰減系數(shù)最大，說明土工格室-風積沙層有著良好的動應力衰減效果，可以有效地降低路基高度；車輛軸載對路基中動應力衰減系數(shù)影響不大，路基層各類填料類型對動應力衰減系數(shù)起決定作用，且每種路基填料類型的動應力衰減系數(shù)都趨于一個定值。

圖9 不同測試車重下動應力衰減系數(shù)曲線

表5 不同車速下各測點動應力衰減系數(shù)

2.4 不同測試車速通過時動應力分析

圖10為相同車重、不同車速時，路基各層動力衰減系數(shù)計算值的分布規(guī)律。從圖10可以看出，不同測試車速的車輛通過時，土工格室-風積沙層的動應力衰減系數(shù)最大，級配礫石層次之，風積沙層最??；各路基層內(nèi)單位厚度動應力衰減系數(shù)基本一致，其平均值分別為1.18，1.50，0.91，與相同測試車重條件下的動應力衰減系數(shù)基本一致，說明動應力衰減系數(shù)和路基填料類型有關，車速對動應力衰減系數(shù)的影響不顯著。

圖10 不同測試車速下動應力衰減系數(shù)曲線

2.5 不同因素對動應力衰減系數(shù)分析

Alexandra等[16]、何忠明等[17]、Behak等[18]對比了不同車速與車重對路基破壞程度，認為車輛車重比車速的破壞更嚴重，車速的提高對路基層動應力影響不大，車重的提高引起路面的動應力會大幅增加，從而引起路基負載增加，會給路基造成不同程度破壞。

圖11為本次試驗中不同測試車速與車重的動應力實測值衰減系數(shù)，測試車重分別為2.5，18，30 t，測試車速分別為20，40，60 km/h，可以看出，測試車速和測試車重的大小，對動應力衰減系數(shù)有一定的影響，而路基填料的類型是動應力衰減系數(shù)的關鍵影響因素，這是因為不同路基填料有著不同的阻尼，阻尼大的路基填料對路基層耗能有著較好的效果，從而加劇了動應力的衰減。

圖11 不同測試車速與車重動應力衰減系數(shù)圖

土工格室加固風積沙路基與傳統(tǒng)的級配礫石換填路基相比，土工格室-風積沙組合層動應力衰減較快，可有效地降低動應力傳遞深度，從而減小路基工作區(qū)厚度。不同車速和車重通過時也對動應力衰減有著明顯差異，車重對動應力衰減影響最大，車速對動應力衰減也有著一定的影響，在路基設計中應注重均勻化路基的動應力峰值、減小動應力沿深度的傳遞、降低基床下部承受的動應力水平，或采用土工格室加固路基工作區(qū)增加路基工作區(qū)的強度和剛度。

3 土工格室加固路基工作區(qū)厚度分析

當公路路基填筑高度較低時，由于汽車動荷載在路基本體中得不到有效的擴散，其工作區(qū)作用深度在地基中的較大，當路基高度小于路基工作區(qū)深度時，會導致路基持力層承載力不滿足容許承載力要求，如圖12所示，路基工作區(qū)域厚度設計過大時會增加工程造價，導致浪費。采用土工格室-風積沙組合層相匹配的設計厚度，理論上，經(jīng)路基各工作層衰減后的動應力與靜應力之和應滿足路基持力層的容許承載力要求，即：

圖12 路基工作區(qū)域厚度示意圖

σS+σD≤[f0]，

(2)

式中，σD為持力層頂部動應力值；σS為持力層頂部靜應力值；[f0]為持力層容許承載力。

3.1 動應力等代路基工作區(qū)域厚度設計

根據(jù)試驗測試結果，動應力取值按路基工作區(qū)域各層頂部實測動應力的平均值σ，單位厚度動應力衰減常量。

Ψ=ζ·σ，

(3)

式中，ζ為動應力衰減系數(shù)；h為動應力衰減厚度。利用動應力衰減的相關參數(shù)，換算出土工格室-風積沙組合層等代路基層厚度hx為：

hx=(Ψg·hg)/Ψx，

(4)

式中，Ψg為風積沙層單位厚度動應力衰減常量；hg為土工格室-風積沙組合層厚度；Ψx為其他路基層單位厚度動應力衰減常量。

通過試驗發(fā)現(xiàn)，測試車速對單位厚度動應力的衰減常數(shù)Ψ影響不大，表6中單位厚度動應力的衰減常數(shù)Ψ取同一測試車重下不同測試車速的均值。由表6可見，如若以動應力衰減來分析路基的性能，研究發(fā)現(xiàn)級配礫石層與土工格室-風積沙層的單位厚度動應力的衰減常數(shù)Ψ基本相同，因此可以用土工格室加固風積沙來代替級配礫石，以節(jié)省沙漠中修筑道路工程所需級配礫石的高額運輸成本。而風積沙層的單位厚度動應力的衰減常數(shù)Ψ只有土工格室-風積沙層的一半左右，說明土工格室在均化動應力峰值、減小動應力沿深度的傳遞、降低路基下部承受的動應力水平等方面具有顯著的加固效果，根據(jù)動應力等代路基工作區(qū)域厚度法，土工格室加固風積沙可以替代上路床礫類土。

表6 動應力衰減參數(shù)

3.2 路基工作區(qū)域內(nèi)應力計算

路基持力層頂部動應力及靜應力計算取值：

(1)路基持力層頂面靜應力σS見式(5)，包括上部結構層、土工格室-風積沙組合層、下部路基層。

σS=σs+γg·hg+∑γi·hi,

(5)

式中,σs為上部結構層(瀝青層、水泥穩(wěn)定層、天然礫石底基層)傳至土工格室-風積沙組合層頂面的靜應力；γg為土工格室-風積沙組合層重度，取平均值16.4 kN/m；hg為土工格室-風積沙組合層厚度；γi為其他路基層重度；∑hi為持力層以上其他路基層工作區(qū)域厚度。

(2)土工格室-風積沙組合層頂面動應力經(jīng)路基工作區(qū)衰減至持力層頂面動應力σD為：

σD=σd-Ψg·hg-∑Ψi·hi，

(6)

式中，σd為上部結構層處動應力實測值；Ψg為單位厚度土工格室-風積沙組合層的動應力衰減常量;hg為土工格室-風積沙組合層厚度；Ψi為其他路基層單位厚度動應力衰減常量，見表6；∑hi為持力層以上其他路基層工作區(qū)域厚度。

3.3 路基工作區(qū)域厚度設計

將式(5)、(6)代入式(1)，可得

σs+γg·hg+∑γi·hi+σd-Ψg·hg-

∑Ψi·hi≤[f0]。

(7)

結合圖12中的尺寸關系，可得路基工作區(qū)域厚度∑hi的具體表達式為：

∑hi≥[σs+σd+hg(γg-Ψg)-[f0]]/∑(Ψi-γi)。

(8)

通過土工格室-風積沙組合層加固后，還需要填筑的路基工作區(qū)厚度∑hi，應根據(jù)工程實際狀況，乘以1.1～1.2的安全系數(shù)，以提高路基安全儲備。土工格室加固路基的設計厚度計算方法，可為工程設計提供一定的參考價值。

3.4 路基工作區(qū)域厚度驗算

以測試車重30 t、測試車速60 km/h為例，經(jīng)試驗測得級配礫石平均重度取值22 kN/m3，土工格室-風積沙組合及風積沙平均重度均為16.4 kN/m3。文獻[19]曾實測風積沙的臨界塑性地基承載力為68 kPa，安全起見，其容許承載力[f0]取值60 kPa，文獻[20-21]實測30 t車輛的后軸靜應力σ0均值為20 kPa。

試驗段上部結構層未鋪設，測試傳感器埋設位置較淺，動應力響應更明顯，易于精確分析路基工作區(qū)域厚度。利用計算公式(7)從路基封頂層開始對試驗段路基工作區(qū)域厚度進行計算，結合實際測量數(shù)據(jù)值，驗算試驗段路基工作區(qū)域厚度是否滿足的要求，結果見表7。

表7 路基工作區(qū)域厚度驗算

4 結論

通過現(xiàn)場試驗研究了土工格室加固風積沙、級配礫石和風積沙路基在交通荷載作用下動應力響應特性。結論如下：

(1)土工格室加固風積沙，可促進動應力值衰減和重分布，從而有效地降低動應力傳遞深度，減小路基工作區(qū)厚度。隨著路基深度的增加，車輛荷載在路基中傳遞出現(xiàn)了滯后性，且波峰趨于不明顯。不同測試方案的車輛通過檢車斷面時，測試車重比測試車速引起的動應力對路基響應大。

(2)不同軸載和車速的車輛通過時，動應力衰減系數(shù)基本都趨于與路基填料的材料類型有關的一個常量值。土工格室-風積沙層的動應力衰減系數(shù)最大，級配礫石層次之，風積沙層最小。

(3)根據(jù)動應力衰減系數(shù)提出了等代路基層厚度計算方法，可換算出土工格室加固風積沙與礫石土填筑層之間的厚度關系，利用路基工作區(qū)域厚度承載力驗算法，以本試驗為例進行計算分析，路基動應力傳遞到風積沙層時即滿足風積沙承載力要求。