車(chē)輛荷載作用下風(fēng)積沙和礫類(lèi)土低路堤響應(yīng)差異性研究

劉大鵬 王 婧 程強(qiáng)強(qiáng) 劉夢(mèng)溪

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州 221116）

0 引言

低路堤填筑高度小、占用土地少，可節(jié)約土地資源，且易與自然景觀融為一體，對(duì)自然生態(tài)環(huán)境影響小，符合路基的“安全耐久、節(jié)約資源、環(huán)境和諧”的設(shè)計(jì)理念。但由于路堤高度小，車(chē)輛荷載產(chǎn)生的應(yīng)力擴(kuò)散到地基時(shí)仍然較大，為保障低路堤的穩(wěn)定性，選擇合適的路堤填料尤為重要，為此需要明確不同路堤填料對(duì)低路堤響應(yīng)的影響規(guī)律。

對(duì)于交通荷載作用下路基響應(yīng)問(wèn)題開(kāi)展的研究較多，盧 正等[1]基于高速公路路基建立了三維地基分層模型，運(yùn)用Fourier 變換方法求解得到了層狀地基在交通荷載作用下的三維振動(dòng)解，并利用快速傅立葉逆變換求解得到了路基響應(yīng)數(shù)值結(jié)果。湯連生等[2]采用黏彈性運(yùn)動(dòng)方程以及復(fù)柔量表示的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，建立了層狀路基力學(xué)分析模型，通過(guò)Laplace 變換和逆變換，得到了黏彈性半空間的豎向動(dòng)應(yīng)力，分析了車(chē)輛荷載強(qiáng)度等6 個(gè)因素對(duì)動(dòng)應(yīng)力的影響規(guī)律。石 峰等[3]針對(duì)季節(jié)性凍土地區(qū)路基動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行了實(shí)測(cè)，得出了動(dòng)應(yīng)力隨深度的衰減規(guī)律。李志勇等[4]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試了重載交通作用下路基結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力，建立路基動(dòng)應(yīng)力的計(jì)算公式，得出了路基動(dòng)應(yīng)力敏感區(qū)的范圍。耿大新等[5]利用小比例路基模型試驗(yàn)，測(cè)試了不同簡(jiǎn)諧荷載作用下路基的動(dòng)應(yīng)力，得出了路基工作區(qū)深度在1.0～1.1 m，荷載的影響范圍主要在輪載正下方。對(duì)車(chē)輛荷載作用下低路堤的響應(yīng)問(wèn)題也開(kāi)展了一些相關(guān)研究，商擁輝等[6]通過(guò)數(shù)值模擬研究了低路堤的動(dòng)力特性，分析了降雨強(qiáng)度對(duì)低路堤動(dòng)力性能的影響。楊曉華等[7]通過(guò)大比例模型試驗(yàn)對(duì)礫石土低路堤的工程特性進(jìn)行了研究，得出了荷載作用頻率、荷載峰值等因素對(duì)低路堤動(dòng)力特性的影響規(guī)律。劉大鵬等[8]利用模型試驗(yàn)研究了長(zhǎng)期動(dòng)荷載作用下礫類(lèi)土低路堤的應(yīng)力和應(yīng)變響應(yīng)。趙俊明等[9]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法研究了低路堤的動(dòng)力特性，得出了動(dòng)應(yīng)力和振動(dòng)位移隨車(chē)速和車(chē)重的變化特征。為節(jié)約工程造價(jià)，路基填料一般采用天然填料，當(dāng)填料不滿足路基填筑要求時(shí)，需要對(duì)路基填料進(jìn)行改良，陳樂(lè)求等[10]和朱自強(qiáng)等[11]研究了通過(guò)水泥改良后泥質(zhì)板巖土路基的動(dòng)力響應(yīng)。

上述對(duì)路基響應(yīng)的研究主要針對(duì)一種特定的路基填料，而針對(duì)不同路基填料對(duì)路基響應(yīng)差異的研究較少。風(fēng)積沙和礫類(lèi)土是新疆綠洲-荒漠區(qū)常用的路基填料，為在新疆綠洲-荒漠區(qū)合理選擇低路堤填料，使路基填料既能滿足工程需要，又能節(jié)約工程造價(jià)，同時(shí)為其他工程選擇路基填料和填料改良時(shí)提供參考，通過(guò)1∶1 足尺模型試驗(yàn)，分別采用風(fēng)積沙和礫類(lèi)土作為低路堤填料，對(duì)低路堤在靜載、短時(shí)動(dòng)載和長(zhǎng)時(shí)動(dòng)載作用下響應(yīng)的差異性進(jìn)行研究。

1 大比例尺模型試驗(yàn)

為探明車(chē)輛荷載作用下風(fēng)積沙低路堤和礫類(lèi)土低路堤響應(yīng)的差異，建立了1∶1 低路堤試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｔ囼?yàn)?zāi)Ｐ筒捎脤訝罱Y(jié)構(gòu)，從上至下依次為面層、基層、路堤和地基，如圖1 所示。面層材料為中粒式瀝青混凝土AC-16，厚度為12 cm，基層分為3 層施工，從下至上材料分別為4%水泥穩(wěn)定碎石、5%水泥穩(wěn)定碎石和6%水泥穩(wěn)定碎石，厚度為40 cm，路基填料采用礫類(lèi)土或風(fēng)積沙，厚度為80 cm，礫類(lèi)土和風(fēng)積沙的顆粒粒徑分布如表1 所示，地基采用粉質(zhì)黏土，厚度為70 cm。

表1 礫類(lèi)土和風(fēng)積沙的粒徑分布

圖1 模型結(jié)構(gòu)（單位：cm）

在路基內(nèi)布置5 層應(yīng)力傳感器和4 層應(yīng)變傳感器，上、下層傳感器相距20 cm，應(yīng)力傳感器采用BY-1 型電阻式動(dòng)土壓力傳感器，應(yīng)變傳感器采用內(nèi)埋式應(yīng)變傳感器，均采用全橋接線方式。在地基范圍內(nèi)布置3 層應(yīng)力傳感器和3 層應(yīng)變傳感器，上、下層傳感器相距20 cm。應(yīng)力傳感器從上到下依次編號(hào)為YL1-YL8，應(yīng)變傳感器從上到下依次編號(hào)為YB1-YB7，具體布置如圖2 所示。

圖2 傳感器布置（單位：cm）

采用通道伺服試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)（MTS）進(jìn)行加載，如圖3 所示，靜荷載分3 級(jí)加載，第一級(jí)從0 增加到10 KN，第二級(jí)從10 kN 增加到30 kN，第三級(jí)從30 kN增加到50 kN。由于路面不平整，車(chē)輛荷載是一種隨機(jī)動(dòng)荷，因此精確表示隨機(jī)動(dòng)荷載難度較大，根據(jù)文獻(xiàn)[3]對(duì)車(chē)輛荷載作用下路基動(dòng)應(yīng)力的實(shí)測(cè)結(jié)果，動(dòng)應(yīng)力的變化符合半正弦函數(shù)?？紤]車(chē)輛行駛速度、車(chē)距以及重載車(chē)輛與標(biāo)準(zhǔn)軸載的換算等，通過(guò)計(jì)算可求得路基任意點(diǎn)受荷頻率約為1～5 Hz，另外我國(guó)路面設(shè)計(jì)以雙輪組單軸載100 kN 作為標(biāo)準(zhǔn)軸載，一側(cè)為50 kN，因此模型試驗(yàn)中選擇峰值為50 kN，頻率為3 Hz 的半正弦波來(lái)模擬車(chē)輛動(dòng)荷載。地基含水率采用18%、23%和28%三種含水率，18%的含水率用于模擬最佳含水率狀態(tài)壓實(shí)時(shí)的地基，23%的含水率用于模擬濕度較大時(shí)的地基，28%的含水率用于模擬富水狀態(tài)的地基。具體試驗(yàn)工況如表2 所示。

表2 試驗(yàn)加載工況

圖3 MTS 加載系統(tǒng)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 礫類(lèi)土和風(fēng)積沙低路堤應(yīng)力對(duì)比

在18%、23%和28%三種地基含水率時(shí)，對(duì)礫類(lèi)土低路堤和風(fēng)積沙低路堤分別施加靜載，待50 kN 靜載作用下傳感器讀數(shù)穩(wěn)定后，讀取YL1-YL8應(yīng)力傳感器的數(shù)值，繪制靜載作用下礫類(lèi)土低路堤和風(fēng)積沙低路堤應(yīng)力對(duì)比見(jiàn)圖4。對(duì)于短時(shí)動(dòng)載，其荷載峰值為50 kN，作用頻率為3 Hz，作用次數(shù)為100 次，分別記錄YL1-YL8 的應(yīng)力峰值，取1～100 次YL1-YL8 應(yīng)力峰值的平均值，繪制短時(shí)動(dòng)載作用下礫類(lèi)土低路堤和風(fēng)積沙低路堤的應(yīng)力對(duì)比見(jiàn)圖5。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)動(dòng)載，其荷載峰值為50 kN，作用頻率為3 Hz，作用次數(shù)為10 萬(wàn)次，分別記錄YL1-YL8 的應(yīng)力峰值，取荷載作用99900～100000 次YL1-YL8 應(yīng)力峰值的平均值，繪制長(zhǎng)時(shí)動(dòng)載作用下礫類(lèi)土低路堤和風(fēng)積沙低路堤的應(yīng)力對(duì)比見(jiàn)圖6。

圖6 長(zhǎng)時(shí)動(dòng)載作用下礫類(lèi)土低路堤和風(fēng)積沙低路堤應(yīng)力對(duì)比

如圖4-圖6 所示，在靜載、短時(shí)動(dòng)載和長(zhǎng)時(shí)動(dòng)載作用下，礫類(lèi)土低路堤和風(fēng)積沙低路堤應(yīng)力隨深度的變化曲線相似，隨著地基含水率的增加，YL1-YL8 的應(yīng)力均減小，地基含水率為18% 時(shí)，YL1-YL8 的值最大。隨著深度的增加應(yīng)力均發(fā)生非線性衰減，靜載作用下，地基含水率為18%、23%和28%時(shí)，對(duì)礫類(lèi)土低路堤，從YL1 到Y(jié)L8 應(yīng)力分別從35.39 kPa、33.66 kPa 和30.33 kPa 衰減到11.85 kPa、9.52 kPa 和6.23 kPa，衰減率分別為67%、72%和79%。而風(fēng)積沙低路堤，從YL1 到Y(jié)L8 應(yīng)力分別從28.27 kPa、25.35 kPa 和21.51 kPa 衰減到12.03 kPa、9.87 kPa 和6.65 kPa，衰減率分別為57%、61%和69%。短時(shí)動(dòng)載作用下，對(duì)礫類(lèi)土低路堤，從YL1到Y(jié)L8 應(yīng)力分別從33.49 kPa、31.75 kPa 和28.37 kPa 衰減到9.86 kPa、8.01 kPa 和4.85 kPa，衰減率分別為71%、75% 和83%，而風(fēng)積沙低路堤，從YL1到Y(jié)L8 應(yīng)力分別從25.86 kPa、24.02 kPa 和20.24 kPa 衰減到10.26 kPa、8.89 kPa 和5.93 kPa，衰減率分別為60%、63% 和71%。長(zhǎng)時(shí)動(dòng)載作用下，對(duì)礫類(lèi)土低路堤，從YL1 到Y(jié)L8 應(yīng)力分別從39.15 kPa、37.36 kPa 和32.88 kPa 衰減到12.06 kPa、9.81 kPa和6.53 kPa，衰減率分別為69%、74%和80%，而風(fēng)積沙低路堤，從YL1 到Y(jié)L8 應(yīng)力分別從30.04 kPa、27.38 kPa 和26.32 kPa 衰減到12.27 kPa、10.23 kPa和8.18 kPa，衰減率分別為59%、63%和69%?？梢缘贸?，地基含水率一定時(shí)礫類(lèi)土低路堤在靜載、短時(shí)動(dòng)載和長(zhǎng)時(shí)動(dòng)載作用下的應(yīng)力衰減率均大于風(fēng)積沙低路堤的應(yīng)力衰減率。

地基含水率為18%、23%和28%時(shí)，靜載、短時(shí)動(dòng)載和長(zhǎng)時(shí)動(dòng)載作用下，在YL1 處，礫類(lèi)土低路堤的應(yīng)力均大于風(fēng)積沙低路堤的應(yīng)力，靜載作用時(shí)礫類(lèi)土低路堤的應(yīng)力分別是風(fēng)積沙低路堤應(yīng)力的1.25 倍、1.33 倍和1.41 倍，短時(shí)動(dòng)載作用時(shí)礫類(lèi)土低路堤的應(yīng)力分別是風(fēng)積沙低路堤應(yīng)力的1.30 倍、1.32 倍和1.40 倍，長(zhǎng)時(shí)動(dòng)載作用時(shí)礫類(lèi)土低路堤的應(yīng)力分別是風(fēng)積沙低路堤應(yīng)力的1.30 倍、1.36 倍和1.35 倍，而在YL8 處，礫類(lèi)土低路堤的應(yīng)力均小于風(fēng)積沙低路堤的應(yīng)力，靜載作用時(shí)礫類(lèi)土低路堤的應(yīng)力分別是風(fēng)積沙低路堤應(yīng)力的0.99 倍、0.96 倍和0.94 倍，短時(shí)動(dòng)載作用時(shí)礫類(lèi)土低路堤的應(yīng)力分別是風(fēng)積沙低路堤應(yīng)力的0.96 倍、0.90 倍和0.82 倍，長(zhǎng)時(shí)動(dòng)載作用時(shí)礫類(lèi)土低路堤的應(yīng)力分別是風(fēng)積沙低路堤應(yīng)力的0.98 倍、0.96 倍和0.87 倍。因此，在YL1 和YL8之間必然存在分界點(diǎn)，分界點(diǎn)以上礫類(lèi)土低路堤的應(yīng)力大于風(fēng)積沙低路堤的應(yīng)力，分界點(diǎn)以下礫類(lèi)土低路堤的應(yīng)力小于風(fēng)積沙低路堤的應(yīng)力。從圖4-圖6可以得出，地基含水率為18%、23%和28%時(shí)，靜載、短時(shí)動(dòng)載和長(zhǎng)時(shí)動(dòng)載作用下其分界點(diǎn)距YL1 約為0.6～1.0 m。

對(duì)比圖4-圖6 可以發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)時(shí)動(dòng)載引起的風(fēng)積沙和礫類(lèi)土低路堤的應(yīng)力最大，靜載次之，短時(shí)動(dòng)載最小。對(duì)于風(fēng)積沙低路堤，短時(shí)動(dòng)載引起的應(yīng)力約為靜載的0.85～0.95 倍，長(zhǎng)時(shí)動(dòng)載引起應(yīng)力約為靜載的1.03～1.13 倍，對(duì)于礫類(lèi)土低路堤，短時(shí)動(dòng)載引起的應(yīng)力約為靜載的0.85～0.95 倍，長(zhǎng)時(shí)動(dòng)載引起應(yīng)力約為靜載的1.02～1.10 倍。

從圖4-圖6 可以看出，在YL5-YL8 處，風(fēng)積沙低路堤的應(yīng)力均大于礫類(lèi)土低路堤的應(yīng)力，說(shuō)明礫類(lèi)土低路堤擴(kuò)散荷載的能力大于風(fēng)積沙低路堤。

2.2 礫類(lèi)土和風(fēng)積沙低路堤應(yīng)變對(duì)比

靜載、短時(shí)動(dòng)載和長(zhǎng)時(shí)動(dòng)載作用下，礫類(lèi)土低路堤和風(fēng)積沙低路堤的YB1-YB7 應(yīng)變?nèi)≈狄?guī)則與應(yīng)力相同，地基含水率為18%、23%和28%，靜載作用下礫類(lèi)土低路堤和風(fēng)積沙低路堤的應(yīng)變對(duì)比如圖7所示，短時(shí)動(dòng)載作用下礫類(lèi)土低路堤和風(fēng)積沙低路堤的應(yīng)變對(duì)比如圖8 所示，長(zhǎng)時(shí)動(dòng)載作用下礫類(lèi)土低路堤和風(fēng)積沙低路堤的應(yīng)變對(duì)比如圖9 所示。

圖9 長(zhǎng)時(shí)動(dòng)載作用下礫類(lèi)土低路堤和風(fēng)積沙低路堤應(yīng)變對(duì)比

從圖7-圖9 可以看出，隨著地基含水率的增加，靜載、短時(shí)動(dòng)載和長(zhǎng)時(shí)動(dòng)載作用下礫類(lèi)土低路堤和風(fēng)積沙低路堤YB1-YB4 的應(yīng)變均減小，而YB5-YB7 的應(yīng)變均增大，這與應(yīng)力變化規(guī)律相對(duì)應(yīng)，隨著地基含水率的增加應(yīng)力減小，而路基模量不變，從而使得YB1-YB4 的應(yīng)變減小。地基部分由于含水率增加應(yīng)力有所減小，但地基模量減小更大，因此YB5-YB7 的應(yīng)變?nèi)栽龃蟆?/p>

當(dāng)?shù)鼗蕿?8%、23%和28%時(shí)，靜載、短時(shí)動(dòng)載和長(zhǎng)時(shí)動(dòng)載作用下，風(fēng)積沙低路堤的應(yīng)變均大于礫類(lèi)土低路堤的應(yīng)變。在應(yīng)力分界點(diǎn)以上，雖然礫類(lèi)土低路堤的應(yīng)力大于風(fēng)積沙低路堤的應(yīng)力，但由于風(fēng)積沙的回彈模量比礫類(lèi)土的回彈模量低[12-13]，風(fēng)積沙低路堤的應(yīng)變均比礫類(lèi)土低路堤的應(yīng)變大，風(fēng)積沙低路堤的沉降大于礫類(lèi)土低路堤的沉降，因此對(duì)沉降要求控制嚴(yán)格的低路堤應(yīng)選用回彈模量大、擴(kuò)散荷載能力強(qiáng)的填料進(jìn)行填筑。

地基含水率從18%增加到28%時(shí)，靜載、短時(shí)動(dòng)載和長(zhǎng)時(shí)動(dòng)載作用下風(fēng)積沙低路堤和礫類(lèi)土低路堤YB5-YB7 處的應(yīng)變差值分別從3 με 增加到64 με、5 με 增加到72 με、85 με 增加到144 με，可見(jiàn)，地基含水率越大，路基回彈模量越低的低路堤其地基部分的應(yīng)變?cè)黾釉酱蟆?/p>

對(duì)比圖7-圖9 可以發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)時(shí)動(dòng)載引起的低路堤的應(yīng)變最大，靜載次之，短時(shí)動(dòng)載最小。對(duì)于風(fēng)積沙低路堤，短時(shí)動(dòng)載引起的應(yīng)變約為靜載的0.90～0.95 倍，長(zhǎng)時(shí)動(dòng)載引起應(yīng)變約為靜載的2.4～3.6 倍，對(duì)于礫類(lèi)土低路堤，短時(shí)動(dòng)載引起的應(yīng)變約為靜載的0.74～0.95 倍，長(zhǎng)時(shí)動(dòng)載引起應(yīng)變約為靜載的1.9～3.3 倍。

3 結(jié)論

（1）礫類(lèi)土低路堤和風(fēng)積沙低路堤在靜載、短時(shí)動(dòng)載、長(zhǎng)時(shí)動(dòng)載作用下的應(yīng)力-深度曲線形態(tài)相似，應(yīng)力均隨著深度的增加非線性衰減。路基和地基相同位置處，長(zhǎng)時(shí)動(dòng)載作用下應(yīng)力最大，靜載次之，短時(shí)動(dòng)載最小。礫類(lèi)土低路堤的應(yīng)力衰減速度均比風(fēng)積沙低路堤大，傳遞到地基的應(yīng)力比風(fēng)積沙低路堤小。

（2）礫類(lèi)土低路堤和風(fēng)積沙低路堤在相同荷載作用下的應(yīng)力大小關(guān)系存在一深度分界點(diǎn)，分界點(diǎn)距路基頂面約0.6～1.0 m，分界點(diǎn)以上礫類(lèi)土低路堤的應(yīng)力較大，分界點(diǎn)以下風(fēng)積沙低路堤的應(yīng)力較大，礫類(lèi)土比風(fēng)積沙荷載擴(kuò)散能力更強(qiáng)。

（3）路面下相同深度處，長(zhǎng)時(shí)動(dòng)載作用下應(yīng)變最大，靜載次之，短時(shí)動(dòng)載最小。相同荷載作用下，同一深度處礫類(lèi)土低路堤的應(yīng)變小于風(fēng)積沙低路堤。

（4）隨著地基含水率的增加，低路堤路基段的應(yīng)變減小，地基段的應(yīng)變?cè)黾?，且風(fēng)積沙低路堤地基段應(yīng)變?cè)黾又荡笥诘[類(lèi)土低路堤。