低路堤公路在交通荷载作用下的路基沉降室内模拟试验

低路堤公路在交通荷载作用下的路基沉降室内模拟试验刘宏河海大学岩土工程科学研究所，江苏南京（210098）E-mail:[e-mail]摘要：采用自行设计的应力控制式低频率多波形循环荷载加载装置进行低路堤公路路基沉降室内模拟试验，给出不同频率和超载比时路基沉降规律的曲线和孔压变化曲线，得出了一些有益的结论。关键词：交通荷载，低路堤，沉降，孔压1.引言自20世纪80年代中期开始，中国大陆开始兴建高速公路，20年来，陆续投入运行的主要高速公路有京石、京津唐、沈大、合宁、济青、开洛、广深、太酒、合芜、成渝、沪宁、沪杭、桂柳、呼包、哈大、泉厦、石安、安新等线路，2004年底总里程达到3.52万公里。高速公路的建设和使用，为汽车快速、高效、安全、舒适地运行提供了良好的条件，标志着我国的公路运输事业和科学技术水平进入了一个崭新的水平。但是，在公路修筑过程中，仍然有很多的疑难问题摆在我们面前，例如，路基失稳、路面破坏开裂、高速公路不均匀沉降等问题，亟待解决。由于地基处理技术和路面材料不断的发展，地基中的强度和路面开裂问题得到了解决。在大量高等级公路建设过程中和使用过程中暴露出来的问题使人们认识到，高速公路不均匀沉降尤其是低路堤情况下的不均匀沉降是最值得重视的问题之一。循环荷载作用下软粘土性状的研究已取得较多的成果，但在很多方面尚未取得一致的认识。Andersen[1](1980)等人就北海重力式石油平台建设的需要，曾对Drammen粘土(pI=26)进行了系统而广泛的研究，他认为，当加载频率在0.05-0.1Hz之间变化时，对要达到循环应变值±3%所需的加载次数，不论其超固结比的大小，都没有影响。Matisui[2](1980)对塑性指数pI=55的Senri粘土进行了应力控制式的三轴双幅循环剪切试验，所采用的频率为0.02-O.5Hz。试验结果表明，孔隙水压力和轴向应变均随循环次数的增加而增加，对于给定的循环次数而言，低频荷载产生较高的孔隙水压力和轴向应变。Yasuhara[3](1982)对Ariake粘土(pI=58)进行的应力控制式三轴试验结果也认为,加载频率(O.1Hz-1Hz)对孔压有一定影响，但结论是，频率愈高，孔压愈大，与上述结果有所不同。Brown[4](1975)等人的研究也得出类似的结论。以上的分析说明，关于加荷频率对粘性土的变形和孔压的影响还没有取得一致的认识，这可能与土的粘滞特性、测量对象的敏感程度及判断标准有关。本文对IP=26.4的土样进行试验，加载频率为0.01Hz、0.013Hz和0.02Hz，分析频率对变形和孔压的影响。2.试验仪器、参数和试验方案2.1试验仪器试验中采用的是WJ单杠杆固结仪，对装样室进行了改进，使固结仪能控制排水边界条件。具体情况如下：固结仪底座和环刀部分为一个整体铜柱中间利用车床车空，边壁抛光，底部设有孔压孔，排水孔和加压孔。该固结仪主要由三部分组成，其简图如图1：数据采集为微机数据采集系统，位移和孔压由计算机自动采集，采集间隔时间为1.3s。位移传感器精度为0.01mm，为了较好监测孔压的变化规律，本试验采用宝鸡智恒传感器有限公司所生产的ZHP-110孔压传感器，最大量程为200kPa，精度为0.1kPa。试验时将固结仪与循环荷载加压系统、微机数据采集系统相联结。竖向应变、孔压、固结压力和循环次数等数据由电脑采集处理。制备的重塑饱和淤泥质粘土试样取自粤东汕汾高速公路K19+920处，塑性指数Ip=26.4,比重sG=2.68。2.2试验参数和试验方案本文加载波形采用半正弦波形，加载频率分为三种：0.01Hz、0.013Hz和0.02Hz。路基路面参数参考王金昌[5]、梅英宝[6]以及一些设计院的实际设计参数，参数选取如下表：表1沥青混凝土路基路面材料参数Tab.1Asphaltconcretepavementandsubgradematerialprarmeters结构层厚度/m弹性模量E/MPa泊松比µ密度)/(3mkgρ沥青混凝土路面层0.1512000.252400二灰稳定碎石基层0.39000.32200石灰土底基层0.354500.32100路堤填土1.22000.41900软土地基300.491800固结压力P=（2400*0.15+2200*0.3+2100*0.35+1900*1.2)*9.8/1000=39.543kPa，简单起见，这里取40kPa作为固结压力，本文选取日野KF300D为原型，后轮轮压p=550kPa，后轮当量直径d=0.214m，其主要技术参数如下表2：表2主要技术参数Tab.2Maintechnicalprarmeters汽车型号总重（kN）载重（kN）前轴重（kN）后轴重（kN）后轴数轮组数后轮轴距（cm）轴距(cm)轮压(MPa)日野KF300D198.75106.6540.752×79.002双186.01270.55图2日野KF300D的平面尺寸单位(m)Fig.2PlanedimensionofKF300Dunit(m)文章采用BISAR3.0程序计算日野KF300D作用下路基顶面的附加应力，计算出在路基顶面（2.0m）产生的附加应力为3.982kPa，Hyodo等(1989)年做现场动力试验后发现,低路堤地基内卡车引起的竖向应力大约是其自身净重所产生应力的4～5倍；考虑最不利的情况取为5倍，即动附加应力为20kPa。试验方案见表3表3试验方案Tab.3testingscheme试验组别试验荷载（kPa）超载量（kPa）频率(Hz)超载比一4000.011.0二4000.0131.0三4000.021.0四4880.021.2五54140.021.35六60200.021.53.试验结果与分析时间/min应变/%固结压力40kpa频率0.01HZ固结压力40kpa频率0.013HZ固结压力40kpa频率0.02HZ图3不同频率对应变的影响Fig.3Settlementwithfrequency频率对应变的影响00.511.522.533.540.010.0120.0140.0160.0180.020.022频率/Hz最大应变/%图4不同频率对应变的影响Fig.4Therelationshipofsettlementwithfrequency不同超载比对应变的影响-0.30%-0.10%0.10%0.30%0.50%0.70%0.90%1.10%1.30%1.50%010002000300040005000600070008000900010000时间/min应变/%超载比1.2超载比1.35超载比1.5图5不同超载比对应变的影响Fig.5Settlementwithoverpressureratio最大应变/%图6不同超载比对应变的影响Fig.6Therelationshipofsettlementwithoverpressureratio频率0.01Hz00.20.40.60.811.21.41.61.8010203040506070时间/min孔压/kPa图7频率与孔压Fig.7Frequencywithporewaterpressure频率0.013Hz00.511.522.5010203040506070时间/min孔压/kPa图8频率与孔压Fig.8Frequencywithporewaterpressure时间/min孔压/kPa图9频率与孔压Fig.9Frequencywithporewaterpressure频率与孔压最大值00.511.522.533.50.010.0120.0140.0160.0180.020.0220.024频率/Hz孔压/kPa图10频率对孔压最大值的影响Fig.10Therelationshipoffrequencywithmaxporewaterpressure超载比1.2频率0.02Hz00.511.522.53010203040506070时间/min孔压/kPa图11超载比与孔压Fig.11Overpressureratiowithporewaterpressure时间/min孔压/kPa图12超载比与孔压Fig.12Overpressureratiowithporewaterpressure超载比1.5频率0.02Hz00.20.40.60.811.21.41.6010203040506070时间/min孔压/kPa图13超载比与孔压Fig.13Overpressureratiowithporewaterpressure超载比与孔压最大值00.511.522.533.511.11.21.31.41.51.6超载比OPR孔压最大值/kPa图14超载对孔压最大值的影响Fig.14Therelationshipofoverpressureratiowithmaxporewaterpressure从图3-图4中明显可以看出随着频率的增大，应变的速率也随着增大，循环荷载累积应变也随着频率的增加而增加，当循环次数增加到一定次数时，应变的速率也会逐渐减少，循环荷载累积应变也趋于一个稳定值。图4图5可以推断出随着超载比的增加，循环荷载累积变形量显著减少。图7—图10为孔压随荷载频率变化曲线，从曲线中我们可以看出孔隙压力在循环荷载作用下呈半正弦曲线变化，孔隙水压力受频率的影响较大。频率越大，产生的孔隙水压力越大，当循环次数增加到一定次数时，孔隙水压力变化范围也趋于稳定。图11—图14为孔压随超载比的变化曲线，可以看出随超载比增大，孔隙水压力很快趋于稳定，而且超载比越大，产生的孔压最大值越小。4.结论(1)自行设计的循环加载设备能较好地模拟交通荷载，具有操作简单、适应性强、精度高等优点。(2)在预压荷载相同条件下，路基沉降受交通荷载作用频率影响显著。在相同的作用时间下，作用频率越大，所产生的沉降越大。这说明了对于新建于饱和软基上的公路等交通项目,开放交通后，交通流量越大，其工后沉降也越大，但随着运营期的时间的不断增加，沉降也趋于稳定。(3)在不同的预压荷载作用下，超载比越大，路基的工后沉降越小，说明超载能有效地限制工后沉降的产生。(4)循环荷载作用下，孔隙水压力也呈半正弦曲线变化，其最大值随频率的增大而增加，随超载比的增大而减少，而实际工程中,常通过各种地基处理的方法来减小其孔隙水压力，以达到减小工后沉降的目的。参考文献[1]AndersenKH,etal.Cyclicandstaticlaboratorytestsondrammenclay[J].GeotechEngrgDiv,ASCE,1,1980,106(5):499-529[2]MatisuiT,etal.Cyc