車(chē)輛運(yùn)行對(duì)道路路基填料動(dòng)力特性影響

郭學(xué)軍

（韶山市交通運(yùn)輸局，湖南 湘潭 411300）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，基建項(xiàng)目也大量建設(shè)。公路因其速度快、流量大、載重大等優(yōu)點(diǎn)，被各國(guó)大量新建。然而長(zhǎng)期服役于高速重載車(chē)輛，導(dǎo)致公路路基出現(xiàn)沉降過(guò)大、不均勻沉降、道路開(kāi)裂等不利影響，嚴(yán)重影響公路的正常服役。因此，車(chē)輛荷載對(duì)公路路基填料的影響也逐漸成為研究熱點(diǎn)之一。

越來(lái)越多的科研工作者針對(duì)該問(wèn)題開(kāi)展了一系列的研究，并取得了豐碩的成果。蘇謙等[1]基于試驗(yàn)手段分析了循環(huán)荷載作用下高鐵路基的變形，且對(duì)不同厚度級(jí)配碎石基床表層進(jìn)行探討。研究表明列車(chē)作用產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力是引起路基變形的重要因素之一。卜建清等[2]利用三軸儀器對(duì)路基粗粒土進(jìn)行試驗(yàn)，分析了凍融及細(xì)粒含量等因素對(duì)填料的力學(xué)性質(zhì)影響。研究顯示細(xì)粒含量的增多會(huì)引起越來(lái)越多的細(xì)粒包裹粗顆粒表面。宮全美等[3]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲得了路基填料動(dòng)應(yīng)力波形，以此作為加載波形，利用實(shí)驗(yàn)手段對(duì)動(dòng)荷載下路基填料的動(dòng)力特性開(kāi)展了研究。傅華等[4]基于以某公路路基填料為試樣，對(duì)粗顆粒土顆粒破碎進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，研究了實(shí)密度、圍壓等敏感參數(shù)下粗顆粒土顆粒破碎狀態(tài)。龍堯等[5]通過(guò)粗粒土的室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)，對(duì)循環(huán)應(yīng)力比、圍壓這兩個(gè)因素對(duì)粗粒土路基的影響規(guī)律進(jìn)行了研究，并依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了考慮路基圍壓和循環(huán)應(yīng)力比影響的路基累積變形模型。鄧國(guó)棟等[6]基于大三軸儀器對(duì)某公路路基填料開(kāi)展試驗(yàn)分析，探討了動(dòng)應(yīng)力比、荷載頻率、荷載幅值等因素對(duì)路基填料動(dòng)力特性的影響。孫田等[7]對(duì)砂礫土的顆粒形狀在動(dòng)力作用下的特性進(jìn)行了研究，研究表明，圓礫土比角礫土在動(dòng)力荷載作用下動(dòng)剪切模量更大。

本文以韶山市核心景區(qū)道路工程為背景，基于三軸循環(huán)試驗(yàn)儀器，對(duì)車(chē)輛荷載下紅土礫料路基填料進(jìn)行了三軸循環(huán)加載試驗(yàn)。以體應(yīng)變和軸向累積應(yīng)變?yōu)橹笜?biāo)對(duì)紅土礫料動(dòng)力特性進(jìn)行研究。

1 工程背景及試驗(yàn)方案

1.1 工程背景

韶山市核心景區(qū)各條公路由于使用均已達(dá)10年左右，路面出現(xiàn)了大量的裂紋，其中，韶峰景區(qū)公路、滴環(huán)線、韶荷線部分路段路面出現(xiàn)了大量的坑槽，嚴(yán)重影響了行車(chē)、行人安全。率先富裕，交通先行。而路基填料作為影響公路質(zhì)量的主要因素之一，有必要對(duì)景區(qū)公路路基填料開(kāi)展研究。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用料主要采用該公路路基所使用的紅土礫料填料，將其制成直徑150mm、高度300mm的試件。通過(guò)以下步驟制作并安裝試件：拌合粗粒料、安裝試件模具、放入填料、人工擊實(shí)、拆除試件模具、安裝橡皮膜、試件放入壓力室。

1.3 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)所使用的試驗(yàn)儀器為三軸循環(huán)試驗(yàn)儀。該儀器系統(tǒng)主要由激振器、位移傳感器、試樣圍壓控制系統(tǒng)，以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及信號(hào)調(diào)節(jié)裝置組成，能夠滿足公路路基填料動(dòng)力特性試驗(yàn)所需。為了更好地研究不同細(xì)粒含量下的該公路填料的動(dòng)力特性，對(duì)該公路路基填料實(shí)施分級(jí)加載，每級(jí)加載的循環(huán)次數(shù)為10000次。在每級(jí)加載中，保持圍壓σ3不變，只增大路基填料所受到的動(dòng)偏應(yīng)力qampl。又由于道路路基填料在服役期間所受到的交通荷載頻率在0.1Hz～10Hz之間，加載荷載選擇了其中的兩個(gè)頻率（1Hz，3Hz）進(jìn)行研究，具體試驗(yàn)工況如表1。表中的細(xì)粒含量為細(xì)顆粒干質(zhì)量占粗顆粒干質(zhì)量的百分比。

表1 試驗(yàn)方案表

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 體應(yīng)變發(fā)展規(guī)律

圖1為1Hz荷載頻率下的不同細(xì)粒含量試樣的體應(yīng)變發(fā)展曲線圖。圖2為3Hz荷載頻率下的不同細(xì)粒含量試樣的體應(yīng)變發(fā)展曲線圖。由圖1和圖2可知，不同荷載頻率下，試樣的體應(yīng)變發(fā)展規(guī)律類(lèi)似：即保持試樣圍壓不變，試樣的體應(yīng)變隨著動(dòng)偏應(yīng)力的增大而增大。在動(dòng)偏應(yīng)力施加初期，體應(yīng)變累積速率較大，體應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)迅速，隨著動(dòng)偏應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增大，試樣的體應(yīng)變累積速率不斷減小，體應(yīng)變曲線最后趨于穩(wěn)定。但隨著動(dòng)偏應(yīng)力的增加，試樣趨于穩(wěn)定所需的循環(huán)次數(shù)也增加，在動(dòng)偏應(yīng)力為100kPa時(shí)，兩種荷載頻率下的試樣在30000次循環(huán)作用后，都未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其體應(yīng)變?nèi)栽诶^續(xù)增大。

細(xì)粒含量對(duì)于體應(yīng)變的影響較大，當(dāng)細(xì)粒含量從0%增大到3%時(shí)，可以明顯看出試樣的體應(yīng)變也相應(yīng)增大，但當(dāng)細(xì)粒含量從3%增大到6%時(shí)，體應(yīng)變隨著細(xì)粒含量的增加，其值明顯變小，尤其是當(dāng)荷載加載頻率為3Hz時(shí)，其6%細(xì)粒含量下的試樣的體應(yīng)變大小甚至小于無(wú)細(xì)粒含量的試樣。這主要是由于細(xì)粒含量在試樣骨架中的作用導(dǎo)致，細(xì)粒含量較小的時(shí)候，其主要起到潤(rùn)滑作用，減少了粗顆粒之間的摩擦阻力，使得試樣更容易被壓縮，導(dǎo)致體應(yīng)變較大，而細(xì)粒含量較大時(shí)，其填充于粗粒孔隙之中，加強(qiáng)了粗顆粒的骨架支撐，導(dǎo)致不易被壓縮，體應(yīng)變也隨之變小。

圖3為所有荷載循環(huán)加載結(jié)束后的細(xì)粒含量與試樣體應(yīng)變終值的關(guān)系圖。由圖中可知，試樣的體應(yīng)變隨著細(xì)粒含量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的現(xiàn)象。在這三種細(xì)粒含量下，試樣的體應(yīng)變都在3%時(shí)達(dá)到最大，當(dāng)細(xì)粒含量為6%時(shí)，其體應(yīng)變顯著減小。并且不同荷載頻率下，細(xì)粒含量對(duì)于體應(yīng)變的影響也不一樣。當(dāng)荷載頻率較大時(shí)，其體應(yīng)變受細(xì)粒含量影響的程度不同，3Hz時(shí)的體應(yīng)變變化速率明顯大于1Hz時(shí)的試樣體應(yīng)變變化速率。

2.2 軸向累積應(yīng)變

圖4和圖5分別為1Hz和3Hz下的粗粒土試樣在各個(gè)加載階段的軸向累積應(yīng)變發(fā)展曲線。從圖可知，當(dāng)動(dòng)偏應(yīng)力較小時(shí)（20kPa和60kPa），軸向累積應(yīng)變隨加載循環(huán)次數(shù)的發(fā)展曲線都是初期迅速增大，隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，其累積應(yīng)變?cè)鏊贉p小，直至趨于穩(wěn)定。而當(dāng)動(dòng)偏應(yīng)力為100kPa時(shí)，不同細(xì)粒含量以及不同加載頻率下的試樣的軸向累積應(yīng)變規(guī)律不同。當(dāng)細(xì)粒含量為0%時(shí)，100kPa循環(huán)荷載下的土樣在兩種加載頻率下的軸向累積變化規(guī)律都是先增大，后趨于穩(wěn)定。但當(dāng)細(xì)粒含量為3%以及6%時(shí)，其軸向累積變形都不能趨于穩(wěn)定，隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增大，試樣將會(huì)發(fā)生破壞。

為了更好更直觀地體現(xiàn)出各循環(huán)應(yīng)力作用下細(xì)粒含量對(duì)于試樣軸向累積應(yīng)變的影響，圖6給出了所有加載階段完成后的軸向累積應(yīng)變值隨細(xì)粒含量的變化規(guī)律圖。由圖可知，當(dāng)循環(huán)動(dòng)偏應(yīng)力為20kPa時(shí)，細(xì)粒含量的增加會(huì)使得試樣的累積應(yīng)變?cè)龃螅至Ｍ恋睦鄯e應(yīng)變?cè)?%情況下達(dá)到最大，當(dāng)細(xì)粒土含量為6%時(shí)，其軸向累積應(yīng)變變小。當(dāng)動(dòng)偏應(yīng)力為100kPa時(shí)，3Hz情況下的6%細(xì)粒含量的試樣軸向累積應(yīng)變較小速率明顯小于1Hz情況下的減小速率。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以韶山市核心景區(qū)道路工程為背景，基于三軸循環(huán)試驗(yàn)儀器，對(duì)車(chē)輛荷載下紅土礫料路基填料進(jìn)行了三軸循環(huán)加載試驗(yàn)。以體應(yīng)變和軸向累積應(yīng)變?yōu)橹笜?biāo)對(duì)紅土礫料動(dòng)力特性進(jìn)行研究。獲得以下幾個(gè)主要結(jié)論：

（1）公路上的荷載頻率、循環(huán)動(dòng)載值以及路基粗粒填料中的細(xì)粒含量對(duì)于路基填料的長(zhǎng)期服役性能都有較大影響，尤其是當(dāng)粗粒填料處于高循環(huán)動(dòng)應(yīng)力以及高頻率作用下時(shí)，其路基粗粒填料更容易出現(xiàn)孔壓累積現(xiàn)象，導(dǎo)致粗粒路基在長(zhǎng)期交通荷載作用下不能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，出現(xiàn)破壞。

（2）細(xì)粒含量的增加對(duì)于粗粒土體應(yīng)變的影響存在一個(gè)最優(yōu)值。在試驗(yàn)中，3%的細(xì)粒含量時(shí)，粗粒試樣的體應(yīng)變達(dá)到最大，超過(guò)3%后，其體應(yīng)變開(kāi)始減小。

（3）當(dāng)動(dòng)偏應(yīng)力較小時(shí)，軸向累積應(yīng)變隨加載循環(huán)次數(shù)的發(fā)展曲線都是先迅速增大，然后累積應(yīng)變?cè)鏊贉p小，直至趨于穩(wěn)定。當(dāng)動(dòng)偏應(yīng)力增大一定程度，細(xì)粒含量對(duì)軸向累積應(yīng)變的影響不同。