循环动荷载作用下路基变形研究

摘要：基于我国公路的路面设计荷载常采用静力荷载进行替代计算，但是随着车流量、载重量及行驶速度的不断增加，这种计算方法明显与实际情况有所出入，存在着较大的不足。文章通过探讨常规路基土体在循环动荷载作用下的变形规律及力学性状的变化规律，从而更好地指导公路的设计和施工。

关键词：循环动荷载；路基变形；静力荷载；路面设计荷载；车流量；载重量 文献标识码：A

中图分类号：TU452 文章编号：1009-2374（2016）01-0091-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.01.046

目前，我国都将公路的路面设计荷载假定为静载，设计指标也是参考静载作用下公路的表面弯沉及面层和基层底部的拉应力。这种设计方法在荷载不大、行驶平顺以及路面状况较好的条件下基本是合理的，但是随着交通量、行车速度、荷载重量等的不断增加，这种理想状况下的静力荷载模式已经与现实状况下交通荷载对路面的实际作用差距越来越大。由此导致的路基不均匀沉降、失稳、崩塌及路面断板、开裂等病害的时常发生，已严重影响到了公路的行车安全和运输效能，阻碍了公路事业的发展。若在公路结构分析、设计和施工中仍只片面考虑静载作用，必然会与实际情况出入较大，因此通过循环三轴试验，探讨在循环动荷载作用下常规路基土体的变形规律及力学性状的变化规律。

1 汽车动荷载的特性分析

在一般公路结构设计中，常考虑把交通荷载就简单假定为静止的集中荷载，通过对交通荷载进行静力学原理的替代计算从而获得相应的设计参数。由于不同类型的车辆所施加给公路的荷载是不同的，为了统一标准化，规范特别采用了双轮组单轴轴载100kN作为标准轴载，将此定义为车辆荷载之间的轴载换算关系，并且根据各不同类型车辆对路基损坏作用的不同程度，给出了各自车型所对应的数率因子，在此基础上换算出了等效标准轴载的作用次数。但考虑到这种换算方式并未涉及车辆荷载的动力作用，而在很多试验中显示当车辆在高速行驶的过程中会因为路面的不平整从而造成路基产生的竖向附加应力值会远超静力荷载所产生的应力值，由此可见，仅用静力等替代计算方法难以满足目前公路交通的实际情况。再者由于在行驶过程中车辆荷载会因为轮胎振动、发动机的偏心转动以及路面不平整等因素，造成路基受到随机变化的垂直动荷载作用，而这种随机作用一直存在且处于不断变化状态，需要考虑车辆速度、车辆荷载以及路面平整度等随机因素，具有很强的不规则性和随机性。

2 循环加载作用下路基试验研究

公路交通荷载通常是一种长期循环荷载，在循环荷载作用下路基的变形性质已取得了较多的成果，但在一些方面还未得到充分的认识。Yashuara通过对一系列砂质黏土循环三轴压缩试验结果的总结，得出循环荷载作用的条件下排水固结会影响地基变形，将在此影响下的地基总变形分为可恢复的变形和不可恢复的变形两部分，并且两者的所占成分和循环次数N的对数存在关系。路基的过大残余变形会影响公路的运营安全和舒适度，进而影响路面结构的使用性能和使用寿命，故通过对路基土体的室内循环荷载试验研究其长期变形特性及土体力学性状的变化，以便合理地预测路基在长期荷载作用下的效应。

3 循环三轴试验内容及步骤

表1 试验土样的物理力学参数

土样

类型 含水率

W（%） 比重

Gs 孔隙比

ε 液限Wl（%） 塑限Wp（%） 塑性指标

Ip（%）

土样1 18.5 2.75 1.226 26.8 9.8 16.7

土样2 18.5 2.75 1.358 26.8 9.8 16.7

土样3 18.5 2.75 1.483 26.8 9.8 16.7

表2 循环三轴试验参数及结果

试验

样本 固结

压力 循环应力幅 循环应

力比 加载

周数 轴向累

积应变 备注

CY1 13 77 3.80 999 4.25 破坏

CY2 18 17 0.60 999 0.58

CY3 28 11 0.20 999 0.20

交通荷载对路基是一种长期作用，对于一般的高等级公路来说，通常在设计年限内通过的车辆标准轴载数都在107以上，在实验室条件下很难实现如此多的加载周数。因此当试验加载的循环周期达到104以上，即认为已经是一种长期作用荷载，能真实地反映出公路的疲劳效应。本试验所采用的仪器是多功能静动三轴仪，可进行静应力路径三轴、动扭剪、动三轴的试验，以便充分地模拟出路基土在交通荷载长期作用下复杂的应力状态。在整个试验过程中，可以利用计算机人工控制三轴室围压值、静荷载值以及荷载施加的速率、频率、作用时间等试验参数，自动地采集试验土体的竖向位移、孔压、体变等试验数据。为尽可能接近自然条件下的路基土样，按其不同的分层压实度，分别制备了不同干密度的试验土样，制备完毕后立即放入饱和器内进行抽气饱和。

4 试验结果及分析

为研究循环三轴试验中土体力学性状的变化规律，这里引入周建的改进软化指数概念的定义，对Idriss软化指数δ进行了修正，修正后的软化指数δ为：

式中：为轴向动应力；、εSN为1周期及N周期的轴向动应变；、ESN为1周期及N周期的割线模量。

本文从试验中分别获取3种试验土样在不同循环应力比下的轴向累积应变（εp）与加载循环周数（N）的对应关系曲线以及改进的软化指数δ与加载循环周数（N）的对应关系曲线，用以研究土样附加累积变形及力学性状的变化规律。如图1所示：

图1 对应关系图

从上述试验结果中可以看出，循环应力比的取值对试验土体的轴向累积应变及修正后的软化指数具有明显的影响作用。其中εp-N关系曲线表明：CY1试样的轴向累计应变增长迅速，在第四个循环周数时就发生了破坏。CY2、CY3的循环应力比值较CY1小，随着循环应力比的增加，轴向累积应变也相应的增加，但增加的趋势较CY1平缓。CY2、CY3在加载初期轴向累计应变增长迅速，后期随着加载的不断进行，轴向累计应变增长较缓直至稳定，意味着两种试验土样逐渐进入到了稳定状态，即轴向累计应变的增加很小；δ-N关系曲线表明：CY1在加载初期就迅速软化，土体强度很快降低，发生破坏。CY2、CY3循环应力比较低时，随着循环周数的增加，土体的强度和刚度逐渐提高，呈现逐渐硬化的状态。

5 结语

试验结果表明，路基土确实存在着临界动应力值，它将累积变形分为成稳定型和破坏型两种。路基附加动应力决定着循环应力比的大小，也是导致附加变形产生的原因，而载重越大的车所引起的附加动应力也就越大，在行驶过程中对公路路基的危害也就更大，因此应杜绝重车超载现象的发生。由于浅层路基承受的循环应力比较大，在此作用下更易发生疲劳软化效应，为此在设计施工环节更应加强浅层路基的质量，提高其强度、刚度。

参考文献

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[4] 周建，龚晓南.循环荷载作用下饱和软粘土应变软化研究[J].土木工程学报，2000，33（5）.

作者简介：华文龙（1988-），男，浙江金华人，供职于金华市公路管理局，硕士，研究方向：公路、桥梁、隧道等工程技术。

（责任编辑：秦逊玉）