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1、http:/ - 1 - 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: 摘摘 要：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：关键词：交通荷载，低路堤，沉降，孔压 1. 引言引言 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、
2、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
3、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。Andersen1 (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。Matisui2 (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
4、轴向应变。Yasuhara3 (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。Brown4 (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、参数和试验方案试验仪器、参数和试验方案 2.1 试验仪
5、器试验仪器 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： http:/ - 2 - 试样室量 表 导 杆量表架加压盖上透水板加压板加压板上护环下护环排水阀反压阀测压孔图 1 固结仪纵横剖面图 Fig. 1 Consolidometer transverse section and slit section 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1.3 s。位移传感器精度
6、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
7、下表： 表 1 沥青混凝土路基路面材料参数 Tab.1 Asphalt concrete pavement and subgrade material prarmeters 结构层 厚度/m 弹性模量 E/MPa泊松比 密度)/(3mkg沥青混凝土路面层 0.15 1200 0.25 2400 二灰稳定碎石基层 0.3 900 0.3 2200 石灰土底基层 0.35 450 0.3 2100 路堤填土 1.2 200 0.4 1900 软土地基 30 0.49 1800 固结压力P=（2400*0.15+2200*0.3+2100*0.35+1900*1.2)*9.8/1000=39.543
8、kPa，简单http:/ - 3 - 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.2 Main technical prarmeters 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KF300D 198.75 106.65 40.75 279.00 2 双186.0 127 0.55 图 2 日野 KF300D 的平面尺寸 单位(m) Fig.2 Plane dimension
9、 of KF300D unit (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.3 testing scheme 试验组别 试验荷载（kPa）超载量（kPa）频率(Hz) 超载比 一 40 0 0.01 1.0 二 40 0 0.013 1.0 三 40 0 0.02 1.0 四 48 8 0
10、.02 1.2 五 54 14 0.02 1.35 六 60 20 0.02 1.5 3. 试验结果与分析试验结果与分析 http:/ - 4 - 不同频率对应变的影响0.00%0.50%1.00%1.50%2.00%2.50%3.00%3.50%4.00%010002000300040005000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.3 Settlement with frequency 频率对应变的影响00.511.522.533.540.010.0120
11、.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.4 The relationship of settlement with frequency 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.5 Settlement with over pressure ratio h
12、ttp:/ - 5 - 超载比对应变的影响0.000.501.001.502.002.503.003.504.001.001.101.201.301.401.501.60 超载比OPR最大应变/%图 6 不同超载比对应变的影响 Fig.6 The relationship of settlement with over pressure ratio 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.7 Frequency with pore water pressure 频率0.013Hz00.
13、511.522.5010203040506070 时间/min孔压/kPa图 8 频率与孔压 Fig.8 Frequency with pore water pressure http:/ - 6 - 频率0.02Hz00.511.522.533.5010203040506070 时间/min孔压/kPa图 9 频率与孔压 Fig.9 Frequency with pore water pressure 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.1
14、0 The relationship of frequency with max pore water pressure 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.11 Over pressure ratio with pore water pressure http:/ - 7 - 超载比1.35频率0.02Hz00.20.40.60.811.21.41.61.8010203040506070时间/min孔压/kPa图 12 超载比与孔压 Fig.12 Over pressure ratio
15、with pore water pressure 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.13 Over pressure ratio with pore water pressure 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.14 The relationship of over pressure ratio with max pore water pr
16、essure 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http:/ - 8 - 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
