軟弱黃土地基路基殘余變形的預(yù)估方法研究

謝經(jīng)保

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

0 前言

飽和黃土屬于軟土，這類路基的原狀土一般處于飽和或近飽和狀態(tài)，呈軟塑或流塑狀，含水量高，孔隙比大，且具有顯著的觸變性和較高的壓縮性。低路基條件下，修建道路工程以后，在行車荷載的作用下，路基將產(chǎn)生顯著的永久殘余變形，表現(xiàn)為較大的工后沉降和不均勻沉降，并逐步反映到路面，進(jìn)而造成路面損壞，影響路面結(jié)構(gòu)的服務(wù)水平和使用壽命。

本文通過理論分析與室內(nèi)試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了行車荷載作用下軟弱黃土路基殘余變形的變化規(guī)律，建立了軟弱黃土路基殘余變形的預(yù)估方法，并在實(shí)體工程得到了驗(yàn)證，具有重要的理論意義和實(shí)用價值。

1 行車荷載作用下軟弱黃土路基殘余變形的預(yù)估方法

1.1 行車荷載作用下軟弱黃土路基的應(yīng)力分布特征

以公路工程典型路基路面結(jié)構(gòu)為研究對象，采用多層彈性體系理論，對標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下路基頂面及路基土中的豎向應(yīng)力的計(jì)算分析表明：（1）典型高等級瀝青路面結(jié)構(gòu)條件下，標(biāo)準(zhǔn)軸載作用引起的輪組中心處路基頂面豎向應(yīng)力水平不高，一般在5～8 kPa之間；（2）路基頂面豎向應(yīng)力影響范圍為距輪組中心徑向距離的0～4 m，主要分布范圍集中在0～1.8 m；（3）路基土中豎向附加應(yīng)力沿路基深度呈非線性減小，標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下路基土中豎向附加應(yīng)力的影響范圍可取5 m，如圖1、圖2所示。

1.2 室內(nèi)動三軸試驗(yàn)?zāi)M

圖1 路基頂面豎向附加應(yīng)力橫向分布曲線圖

圖2 路基土中豎向應(yīng)力分布曲線圖

凌建明[2]、周健[3]等研究動荷載作用下軟粘土殘余變形的動力作用模式，認(rèn)為行車荷載作用下軟粘土路基的殘余變形由兩部分組成：行車荷載作用下路基殘余應(yīng)變引起的變形，以及殘余孔壓的消散所產(chǎn)生的固結(jié)變形，并基于試驗(yàn)建立了軟粘土路基殘余變形的預(yù)估方法。

為揭示軟弱黃土與軟粘土路基殘余變形的變化規(guī)律，該項(xiàng)目采用室內(nèi)動三軸試驗(yàn)?zāi)M研究行車荷載作用下軟弱黃土路基的殘余應(yīng)變和殘余孔壓作用模式。依托工程底基層為水泥石灰土，可視為不透水層，試驗(yàn)時主要考慮不排水條件下路基土的變形特性。試驗(yàn)儀器采用C.K.C動三軸儀，加載波形采用三角波，加載頻率1 Hz。

試驗(yàn)土樣為取自山西某高速公路工程現(xiàn)場的重塑土，其主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1所列。

表1 路基土物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

1.3 殘余應(yīng)變預(yù)估

殘余應(yīng)變與循環(huán)應(yīng)力比有著密切的關(guān)系，循環(huán)應(yīng)力比的定義為：

式中：τd=σd/2，σd為偏應(yīng)力；cu為土體不排水抗剪強(qiáng)度，根據(jù)土體的取樣實(shí)驗(yàn)確定。

循環(huán)應(yīng)力比分別取0.2、0.38、0.60和0.72，加載頻率1 Hz，飽和黃土路基土的殘余應(yīng)變與加載次數(shù)的關(guān)系如圖3所示。

圖3 不排水條件下軟弱黃土路基土的應(yīng)變特性曲線圖

擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，路基土的殘余應(yīng)變與循環(huán)應(yīng)力比和加載次數(shù)呈半對數(shù)關(guān)系，即：

式中：ε——?dú)堄鄳?yīng)變，%；

a、b——試驗(yàn)待定系數(shù)，可由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析確定；

N——加載次數(shù)。

不同循環(huán)應(yīng)力比條件下的ε-N關(guān)系式中的a、b試驗(yàn)參數(shù)如表2所列。

表2 試驗(yàn)參數(shù) a、b一覽表

擬合表2數(shù)據(jù)，a、b與循環(huán)應(yīng)力比呈現(xiàn)出良好的拋物線關(guān)系，通過回歸可以得到與循環(huán)應(yīng)力比的關(guān)系：

則不排水條件下，不同循環(huán)應(yīng)力比和加載次數(shù)時試樣的應(yīng)變可用下式表示：

式中：殘余應(yīng)變ε取0～5%，循環(huán)應(yīng)力比rc取0.20～0.72，當(dāng)rc小于0.2時，線性內(nèi)插。

1.4 孔隙水壓力變化情況

對依托工程的現(xiàn)場取樣的軟弱黃土，動三軸試驗(yàn)結(jié)果表明，其殘余孔隙水壓力增長緩慢，可能與軟弱黃土屬粉質(zhì)土，滲透系數(shù)相對較大有關(guān)。

1.5 軟弱黃土路基殘余變形的預(yù)估方法

室內(nèi)動三軸試驗(yàn)表明，軟弱黃土的殘余孔壓增長緩慢，所引起的路基殘余變形量較小，因此，計(jì)算路基殘余變形總量時，可以不考慮或適當(dāng)考慮，而是通過對殘余應(yīng)變引起的殘余變形修正獲得，從而將計(jì)算路基的殘余變形轉(zhuǎn)化為計(jì)算殘余應(yīng)變引起的殘余變形，即：

式中：m為修正系數(shù)，可取1.0～1.10，或根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定；

Sr1為由殘余應(yīng)變引起的殘余變形，由下式確定：

式中：εi——第i層土層的應(yīng)變值，由標(biāo)定后的式（2）確定；

hi——相應(yīng)土層的厚度，m。

2 行車荷載作用下軟弱黃土路基殘余變形預(yù)估方法的工程應(yīng)用

2.1 依托工程殘余變形預(yù)估

依托工程開放交通2 a后，一個車道的標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)取600萬次，利用上述方法預(yù)測殘余應(yīng)變引起的殘余變形結(jié)果如表3所列。

表3 依托工程殘余變形Sr1計(jì)算表

若取修正系數(shù)為1.05，則軟弱黃土路基的殘余變形則為：

2.2 現(xiàn)場測試與分析

對依托工程進(jìn)行路基頂面沉降監(jiān)測，如圖4所示，隨著荷載的增加和時間的推移，路基沉降量在不斷增加，并且開始階段增加較快，后來漸趨平緩，逐漸穩(wěn)定于某一沉降值；至觀測日，路基殘余變形約4 cm，預(yù)估結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合較好。

圖4 依托工程路基（路5）沉降歷時曲線圖

3 結(jié)論

本文通過理論研究與室內(nèi)動三軸試驗(yàn)，揭示了行車荷載作用下軟弱黃土路基殘余變形的變化規(guī)律，建立了路基殘余變形的計(jì)算理論與預(yù)估方法，并在實(shí)體工程中得到了驗(yàn)證，取得了良好的工程應(yīng)用效果，為相關(guān)工程提供了理論支持和決策依據(jù)，因此，本文的研究成果具有一定的實(shí)用性和推廣應(yīng)用價值。

[1]謝經(jīng)保，等.行車荷載作用下軟弱黃土路基的豎向應(yīng)力特征[J].城市道橋與防洪，2006(3):87-90.

[2]凌建明，等.行車荷載作用下濕軟路基殘余變形的研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，2002,30(11):1315-1320.

[3]周健，等.動力荷載作用下軟粘土的殘余變形計(jì)算模式[J].巖土力學(xué)，1996,17(1):54-60.