動荷載作用下路基土壓力傳遞規(guī)律研究

摘要 動荷載作用會對路基產生一定影響。文章以某地區(qū)公路為研究對象，開展現場試驗，結合理論計算，分析動荷載作用下路基的土壓力傳遞規(guī)律。結果表明：埋深對不同土動應力峰值的影響具有差異性；路基的土動應力峰值與其路基埋深間呈負相關關系；不同行駛速度對路基覆土壓力存在一定的影響。

關鍵詞 車輛荷載；土壓力傳遞規(guī)律；現場試驗；理論計算

中圖分類號 U416.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）08-0113-03

0 引言

公路路基常受到車輛等移動荷載作用。在動荷載作用下，公路路基的土壓力傳遞規(guī)律對分析公路路基的穩(wěn)定性至關重要。近年來，許多專家學者針對動荷載作用下的路基穩(wěn)定性開展相關研究。

耿大新等人[1]以某公路工程為研究對象，開展模型試驗，分析交通荷載作用下其路基應力響應規(guī)律，研究不同因素對路基動應力的影響。結果表明，當加載頻率較大時，路基的動應力較小。該文以某公路為研究對象，開展現場試驗，結合理論計算，分析動荷載作用下公路路基的土壓力傳遞規(guī)律及荷載移動速度和加載量等因素對路基力學性能的影響規(guī)律。

1 工程概況

某公路工程修筑起點樁號為K1+010.725，終點樁號為K2+998.530，全長約987.805 km，道路等級為城市次干路，設計速度40 km/h，標準段道路紅線寬度40 m，雙向六車道標準。采用護面墻菱形護坡，擋土墻防護。該公路所在地區(qū)地勢較為平緩，地貌上表現為中丘丘陵地貌，水文地質條件良好，未發(fā)現軟弱土層。

2 現場試驗方案

2.1 計算理論

理論計算采用Boussinesq法與分布角法，分析土壓力變化規(guī)律，對比兩種方法得出的結果差異性。Boussinesq法和分布角法計算豎向應力的公式分別如式（1）（2）所示。

式中，σb——附加豎向應力（kN/m2）；P——集中輪壓（kPa）；R——集中輪壓半徑（m）；θ——集中輪壓與垂直方向的夾角（°）。

式中，σf——附加豎向應力（kN/m2）；μ——動載系數；Q——輪壓標準值；H——路面至測點的垂直距離（m）；a、b——車輛動荷載的相關系數。

2.2 試驗方案

公路路基常受到車輛等移動荷載作用，該文開展現場試驗，結合理論計算，研究動荷載作用下荷載移動速度、加載量等因素對路基力學性能的影響規(guī)律。采用滿載（520 kN）、半載（350 kN）、空載（180 kN）自卸卡車為加載工具，分別以10 km/h、20 km/h、30 km/h的速度通過該公路路基，以土壓力盒傳感器測定卡車左輪正下方不同埋深應力，分析路基土壓力傳遞規(guī)律。

3 結果分析

車輛動荷載作用下，設定卡車為空載狀態(tài)，行駛速度為30 km/h，埋深為0.2 m的土壓力盒得出的時間－土動應力曲線見圖1。當時間為1.0 s時，時間－土動應力曲線出現第一個峰值，其值為?12.5 kPa；當時間為1.5 s時，時間－土動應力曲線出現第二個峰值，其值為?25 kPa；當時間為1.65 s時，時間－土動應力曲線出現第三個峰值，其值為?49 kPa。隨著時間的增大，路基的土動應力的峰值逐漸增大，時間－土動應力的峰值分別對應卡車由前軸輪胎、后軸前輪、后軸后輪駛過監(jiān)測點的時間，卡車的動力與裝載量集中于卡車后部，故當卡車后輪駛過監(jiān)測點時，其時間－土動應力曲線的峰值較大；當卡車駛離試驗范圍后，路基的時間－土動應力曲線逐漸趨于平緩，其土動應力波動范圍在?1～1 kPa之間。

當埋深為0.4 m時，土壓力盒得出的路基時間－土動應力曲線見圖2。埋深為0.4 m的時間－土動應力曲線與埋深為0.2 m的曲線變化趨勢具有一致性，均存在3個土動應力峰值，但曲線出現峰值的時間略微滯后，3個峰值對應的時間分別為1.2 s、1.6 s、1.75 s，說明隨著路基深度的變化，土體的力學響應具有滯后性。當卡車為駛入及駛離監(jiān)測點時，路基的時間－土動應力曲線波動范圍大于埋深為0.2 m的曲線波動范圍，其波動范圍在?1～1 kPa之間。對比不同埋深的土動應力峰值可得，當埋深為0.4 m時，3個土動應力峰值分別為?12 kPa、?20 kPa、

?44 kPa，小于埋深為0.2 m的土動應力峰值，這是由于埋深增大時，路基所承受的應力會發(fā)生衰減現象。不同埋深下，第三個峰值的土動應力差值最大，兩種埋深下的土動應力差值為5 kPa，說明埋深對不同土動應力峰值的影響具有差異性，埋深對第三個峰值的土動應力差值影響最大，當后軸后輪駛過監(jiān)測點時，不同埋深的土動應力差距較大。

當埋深為0.8 m時，土壓力盒得出的路基時間－土動應力曲線見圖3。相較于埋深為0.2 m與0.4 m的曲線而言，埋深為0.8 m的時間－土動應力曲線波動較大，且其土動應力峰值對應的時間明顯滯后，3個峰值對應的時間分別為2.3 s、2.7 s、3 s，說明當埋深較大時，路基的滯后效應會更加明顯。對比不同埋深下的土動應力峰值可得，當埋深為0.8 m時，土動應力峰值分別為?8 kPa、?13.5 kPa、?18 kPa，遠小于埋深為0.2 m與0.4 m的土動應力峰值，說明隨著埋深的增大路基的土動應力衰減現象會更加明顯。綜合以上分析可得，路基的土動應力峰值與其路基埋深間呈負相關關系，隨著深度的增大，其土動應力峰值逐漸減小，且當深度較大時，土動應力峰值減小趨勢較為明顯，減小率較大。

為分析不同理論計算方法得出的路基土壓力傳遞規(guī)律的差異性，車輛動荷載作用下，設定卡車為滿載狀態(tài)，行駛速度為30 km/h，分別采用Boussinesq法與分布角法計算路基不同深度下的附加應力，其計算結果如表1所示。

由表1可知，路基的附加應力與其覆土埋深間呈負相關關系，且隨著覆土埋深的增大，附加應力存在應力衰減現象，當埋深較大時，衰減現象較為明顯，與現場試驗結果一致。對比Boussinesq法與分布角法的計算結果可得，采用Boussinesq法的附加應力計算結果均小于分布角法的計算結果，說明不同計算方法得出的路基附加應力結果具有一定的差異性，這是由于采用分布角法計算時，設定其應力擴散角度為定值，但在實際工程中，受到路基結構與材料的影響，其應力擴散角度具有一定的差異性。

為分析不同載重量卡車及卡車行駛速度對路基土壓力傳遞規(guī)律的影響，分別開展現場試驗及理論計算，得出空載卡車的埋深－覆土壓力曲線見圖4。理論計算與現場試驗得出的結果具有一致性，埋深與路基覆土壓力間呈負相關關系，當埋深較小時，路基覆土壓力下降趨勢顯著，隨著埋深的增大，其埋深－覆土壓力曲線逐漸趨于平緩。在同一埋深下，采用理論計算得出的路基覆土壓力大于現場試驗得出的覆土壓力，且采用分布角法得出的覆土壓力最大。不同卡車行駛速度下的覆土壓力差異并不明顯，當埋深小于1.2 m時，其間的覆土壓力差值約為1 kPa，隨著埋深的增大，不同行駛速度間的覆土壓力不足0.3 kPa，說明在卡車空載狀態(tài)下，行駛速度對路基覆土壓力的影響較小，且隨著埋深的增大，其影響效果較為微弱。

半載卡車的埋深－覆土壓力曲線見圖5。其曲線變化趨勢與空載的曲線變化趨勢具有一致性，但現場試驗的最大覆土壓力大于空載的最大覆土壓力，說明卡車的載重狀態(tài)會影響路基土壓力傳遞規(guī)律。相較于空載狀態(tài)的埋深－覆土壓力曲線，在同一埋深下，不同行駛速度的覆土壓力差距較為明顯，其中，行駛速度為30 km/h時，覆土壓力最大，行駛速度為10 km/h時，覆土壓力最小。

滿載卡車的埋深－覆土壓力曲線見圖6。當埋深大于0.6 m時，試驗得出的覆土壓力結果與采用Boussinesq法計算得出的結果差距較小，說明采用Boussinesq法對路基的土壓力傳遞規(guī)律預測的準確性較高。對比不同行駛速度下的覆土壓力可得，當埋深小于0.6 m時，其間的差異較為明顯，說明不同行駛速度對路基覆土壓力存在一定的影響，且當卡車滿載及埋深較小時，行駛速度對路基覆土壓力的影響較為明顯。

4 結論

該文以某公路為研究對象，開展現場試驗，并結合理論計算，得出以下結論：

（1）當埋深為0.2 m時，隨著時間的增大，路基的土動應力的峰值逐漸增大，其時間－土動應力的峰值分別對應卡車由前軸輪胎、后軸前輪、后軸后輪駛過監(jiān)測點的時間，當卡車駛離試驗范圍后，路基的時間－土動應力曲線逐漸趨于平緩，土動應力波動范圍在?1～1 kPa之間。

（2）當埋深小于1.2 m時，其間的覆土壓力差值約為1 kPa，隨著埋深的增大，不同行駛速度間的覆土壓力不足0.3 kPa，說明在卡車空載狀態(tài)下，行駛速度對路基覆土壓力的影響較小，且隨著埋深的增大，其影響效果較為微弱。

（3）當埋深大于0.6 m時，試驗得出的覆土壓力結果與采用Boussinesq法計算得出的結果差距較小，采用Boussinesq法對路基的土壓力傳遞規(guī)律進行預測的準確性較高。

參考文獻

[1]耿大新， 楊澤晨， 王寧， 等. 交通動荷載引起的公路路基應力響應試驗研究[J]. 公路， 2021（12）： 1-7.