長期荷載下高等級路基累積塑性變形的試驗研究

摘 要：為了研究長期荷載下高等級路基累積塑性變形的規(guī)律，本文對路基土進行循環(huán)加載試驗，分析了路基動應(yīng)力、含水量、壓實度對塑性變形的影響以及路基含水量和壓實效應(yīng)。研究結(jié)果表明：循環(huán)加載次數(shù)和動應(yīng)力增加會導(dǎo)致土體的軸向累積塑性變形和永久變形值逐漸增加，含水率對路基土塑性變形有明顯影響，因此應(yīng)做好路基防水和排水措施。研究結(jié)果可以為公路運行安全提供參考。

關(guān)鍵詞：長期荷載；塑性變形；含水量；壓實度

中圖分類號：U 41" 文獻標志碼：A

隨著交通的快速發(fā)展，高速公路的建設(shè)也日益增加，公路的路基長期受車輛重載的影響，將會導(dǎo)致塑性變形增加，從而加速道路破壞[1-3]。路基的永久變形對路面的性能有重大影響，嚴重時會導(dǎo)致路基沉陷，引起重大交通事故。為了分析含水量和壓實度對路基路面結(jié)構(gòu)的影響，本文對路基土進行循環(huán)加載試驗，研究了長期荷載下高等級路基累積塑性變形的試驗，分析了路基動應(yīng)力、含水量、壓實度對塑性變形的影響以及路基含水量和壓實效應(yīng)。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

土體樣品取自某高速公路，土體樣品由土壤、沙子和礫石制成，根據(jù)《巖土工程試驗規(guī)范》（GB/T 50123—2019）中的粗粒土分類標準，將原始土樣描述為粗粒土。由于試驗條件的限制，因此粗粒土體樣品中粗顆粒的最大粒徑應(yīng)小于18mm，現(xiàn)場的粗顆粒尺寸較大，室內(nèi)試驗需要限制在試驗儀器可接受的土體樣品尺寸內(nèi)。為了保證土體的工程性質(zhì)，對原始土體樣品與試驗土體的關(guān)系進行了評估，采用最大粒徑排除法制備了粗粒土三軸樣品，在制備樣品的過程中，直接去除了粒徑大于18mm的樣品顆粒，通過土樣的篩選試驗、壓實試驗、回彈模量試驗和直剪試驗，獲得了試驗土的物理力學參數(shù)，試驗土體的參數(shù)見表1和表2。

1.2 試驗方法

利用公路工程養(yǎng)護技術(shù)工程實驗室的大型動三軸試驗系統(tǒng)對路基土進行了循環(huán)加載試驗，與儀器的特性一致，制備的樣品為圓柱形，直徑為100mm，高度為200mm。

壓實試驗測得的試驗土體的最佳含水量為7.0%，一般情況下，路基含水量是路基完工后最佳含水量的1～1.5倍?？紤]到雨季降雨頻繁，部分雨水通過路堤邊坡和路面裂縫滲入路基土體，導(dǎo)致部分路基土體含水量增加。因此，土樣含水率分別為7.0%、8.5%和9.6%，分別代表了土樣的最佳含水量、路基運營期的含水量和雨季降雨入滲時路基土（路面裂縫）的含水量。

根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015）規(guī)定，在高速公路和公路路面以下0.9m深度范圍內(nèi)，路基壓實度不應(yīng)低于97%。路面以下0.9m～1.6m的深度，路基壓實度不應(yīng)低于95%。為了提高壓實的可比性，試驗使用了97%和93%的兩種壓實水平。在本次壓實試驗中，設(shè)置試驗的圍壓為30 kPa。

設(shè)置高速公路路基頂面的車輛荷載約為35kPa～65kPa，路基頂部的車輛荷載波形可近似為半正弦脈沖波形。因此，動應(yīng)力水平被認為是35kPa、50kPa和65kPa，負載波形為半正弦脈沖負載，負載頻率為1.2Hz，負載時間為0.25s。

為了模擬車輛荷載對路基土體的長期影響，循環(huán)荷載的數(shù)量應(yīng)與實際情況相似，高速公路在道路設(shè)計期間，單個三軸車輛的標準軸重達到2.1×104kg。由于試驗的限制，無法模擬數(shù)百萬輛汽車的負載，因此，通常使用超過10000次的加載次數(shù)來反映交通負載的長期影響（表3）。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 動應(yīng)力對塑性變形的影響

在相同的土樣條件和不同的局部應(yīng)力下，分析了動應(yīng)力水平對塑性變形的影響。在不同動應(yīng)力條件下，當水分含量為7.0%時，對P1、P2和P3工況進行了分析，同時在水分含量為9.6%時，對X1、X2和X3工況進行了分析，6種工況下的累積塑性應(yīng)變曲線，如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2可知，不同動應(yīng)力作用下的永久變形曲線符合逐漸增加的基本規(guī)律，當動應(yīng)力在一定范圍內(nèi)時，隨著循環(huán)加載次數(shù)增加，土體的軸向累積變形增加，軸向累積塑性應(yīng)變率不斷降低，導(dǎo)致軸向變形接近極限值，對預(yù)加載來說，軸向變形速率更快，前2000個加載循環(huán)的累積變形約占總變形的85%。當局部應(yīng)力為35kPa時，水分含量為9.6%，10000次循環(huán)循環(huán)加載后，塑性應(yīng)變?yōu)?.08%。在以上條件下，樣本較小，當局部應(yīng)力為50kPa和65kPa時，試樣的塑性應(yīng)變分別為0.12%和0.18%，試驗結(jié)果表明，隨著動應(yīng)力增加，粗粒土的永久變形值增加，動應(yīng)力幅值對粗粒土塑性變形有明顯影響。

2.2 含水量對塑性變形的影響

為了準確地顯示含水量對塑性變形的影響，對不同含水量的土樣在相同壓實度和局部應(yīng)力下的塑性變形進行了比較。圖3為不同含水量（P1、Q1和X1條件）的土體樣品在壓實度為97%、局部應(yīng)力為35kPa時的塑性變形曲線，圖4為不同含水量（P2、Q2和X2條件）的土體樣品在壓實度為97%、局部應(yīng)力為50kPa時的塑性變形曲線。

圖3和圖4顯示，6組工況的塑性變形隨著載荷次數(shù)增加而增加，變化趨勢基本相同，塑性變形隨著試樣含水量增加而顯著增加。當局部應(yīng)力為35kPa，含水量為7.0%時，10000個樣品的塑性應(yīng)變?yōu)?.08%，當含水量增至8.5%和9.6%時，塑性應(yīng)變分別增至0.15%和0.19%，當偏應(yīng)力為50kPa時，含水量增加也導(dǎo)致塑性變形顯著增加。試驗結(jié)果表明，含水率對路基土塑性變形的影響較大，當路基土體含水量增加時，土體的有效應(yīng)力降低，孔隙水壓力增加，土體的承載力降低，從而增加了路基土的塑性變形。不同干濕條件下，路基和土體上的車輛荷載變化較大，應(yīng)做好防水和排水措施。

2.3 壓實度對塑性變形的影響

考慮壓實度對塑性變形的影響，對相同含水量和局部應(yīng)力的土樣的塑性變形值進行了比較。圖5為含水量為7.0%、局部應(yīng)力為35kPa的不同壓實土樣品的塑性變形曲線（P1，Y1），圖6為含水量為7.0%、局部應(yīng)力為50kPa的不同壓實土樣品的塑性變形曲線（P2，Y2）。

根據(jù)圖5和圖6顯示的累積塑性變形曲線，考慮93%和97%的壓實度對塑性變形的影響，塑性應(yīng)變隨壓實度增加而減少。當動應(yīng)力為50kPa、壓實度為93%的土樣，在10000次循環(huán)加載后，塑性應(yīng)變比壓實度為97%的土樣增加了56.2%，因此壓實度對塑性變形的影響較大，壓實度越大，土的整體性能越好，抗外部變形能力越強。

2.4 路基含水量及壓實效應(yīng)

設(shè)置路基的車道寬度為3.75m，在壓實度為97%、軸載為120kN的情況下，路基在不同含水量條件下的動態(tài)變形如圖7所示。結(jié)果表明當含水量從7.0%增至9.6%時，路基頂部的最大動態(tài)變形從0.82mm增至2.35mm，增加了1.87倍。

比較不同壓實條件下路基的動態(tài)變形。結(jié)果表明，當壓實度從97%降至93%時，路基的最大動載荷從0.82mm增至2.11mm，增加了1.57倍，路基的變形是在一條車道（3.75m）寬的車輛荷載下考慮的，動態(tài)變形曲線是對稱的，形狀大致為“W”，變形的最大值位于車輪正下方，隨著與距車輪距離增加，變形量減少，軸向荷載、路基含水量和車輛壓實度對路基的動態(tài)變形有很大影響，路基的動態(tài)變形隨軸向荷載和含水量增加而增加，隨壓實度增加而減少。

3 結(jié)論

本文對路基土進行循環(huán)加載試驗，分析了路基動應(yīng)力、含水量、壓實度對塑性變形的影響以及路基含水量和壓實效應(yīng)，得出以下結(jié)論。1）隨著循環(huán)加載次數(shù)增加，土體的軸向累積變形增加，軸向累積塑性應(yīng)變率不斷降低，軸向變形接近極限值，隨著動應(yīng)力增加，粗粒土的永久變形值增加，動應(yīng)力幅值對粗粒土塑性變形有顯著影響。2）在不同動應(yīng)力條件下，隨著載荷次數(shù)增加，路基塑性變形隨之增加，在不同含水量條件下，含水率對路基土塑性變形有明顯影響，當路基含水率增加時，塑性變形隨著含水量增加而顯著增加，由于在不同干濕條件下路基和土體上的車輛荷載變化較大，因此路基應(yīng)做好防水和排水措施。3）在不同動應(yīng)力條件下，塑性變形隨壓實度增加而減少，壓實度越大，土的整體性能越好，抗外部變形能力越強，而路基變形的最大值位于車輪正下方，隨著與距車輪距離增加，變形量減少，同時軸向荷載、路基含水量和車輛壓實度對路基的動態(tài)變形有顯著影響，路基的動態(tài)變形隨軸向荷載和含水量增加而增加，隨壓實度增加而減少。

參考文獻

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