長期荷載下高等級路基累積塑性變形的試驗研究

摘 要：為了研究長期荷載下高等級路基累積塑性變形的規律，本文對路基土進行循環加載試驗，分析了路基動應力、含水量、壓實度對塑性變形的影響以及路基含水量和壓實效應。研究結果表明：循環加載次數和動應力增加會導致土體的軸向累積塑性變形和永久變形值逐漸增加，含水率對路基土塑性變形有明顯影響，因此應做好路基防水和排水措施。研究結果可以為公路運行安全提供參考。

關鍵詞：長期荷載；塑性變形；含水量；壓實度

中圖分類號：U 41" 文獻標志碼：A

隨著交通的快速發展，高速公路的建設也日益增加，公路的路基長期受車輛重載的影響，將會導致塑性變形增加，從而加速道路破壞[1-3]。路基的永久變形對路面的性能有重大影響，嚴重時會導致路基沉陷，引起重大交通事故。為了分析含水量和壓實度對路基路面結構的影響，本文對路基土進行循環加載試驗，研究了長期荷載下高等級路基累積塑性變形的試驗，分析了路基動應力、含水量、壓實度對塑性變形的影響以及路基含水量和壓實效應。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

土體樣品取自某高速公路，土體樣品由土壤、沙子和礫石制成，根據《巖土工程試驗規范》（GB/T 50123—2019）中的粗粒土分類標準，將原始土樣描述為粗粒土。由于試驗條件的限制，因此粗粒土體樣品中粗顆粒的最大粒徑應小于18mm，現場的粗顆粒尺寸較大，室內試驗需要限制在試驗儀器可接受的土體樣品尺寸內。為了保證土體的工程性質，對原始土體樣品與試驗土體的關系進行了評估，采用最大粒徑排除法制備了粗粒土三軸樣品，在制備樣品的過程中，直接去除了粒徑大于18mm的樣品顆粒，通過土樣的篩選試驗、壓實試驗、回彈模量試驗和直剪試驗，獲得了試驗土的物理力學參數，試驗土體的參數見表1和表2。

1.2 試驗方法

利用公路工程養護技術工程實驗室的大型動三軸試驗系統對路基土進行了循環加載試驗，與儀器的特性一致，制備的樣品為圓柱形，直徑為100mm，高度為200mm。

壓實試驗測得的試驗土體的最佳含水量為7.0%，一般情況下，路基含水量是路基完工后最佳含水量的1～1.5倍?？紤]到雨季降雨頻繁，部分雨水通過路堤邊坡和路面裂縫滲入路基土體，導致部分路基土體含水量增加。因此，土樣含水率分別為7.0%、8.5%和9.6%，分別代表了土樣的最佳含水量、路基運營期的含水量和雨季降雨入滲時路基土（路面裂縫）的含水量。

根據《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）規定，在高速公路和公路路面以下0.9m深度范圍內，路基壓實度不應低于97%。路面以下0.9m～1.6m的深度，路基壓實度不應低于95%。為了提高壓實的可比性，試驗使用了97%和93%的兩種壓實水平。在本次壓實試驗中，設置試驗的圍壓為30 kPa。

設置高速公路路基頂面的車輛荷載約為35kPa～65kPa，路基頂部的車輛荷載波形可近似為半正弦脈沖波形。因此，動應力水平被認為是35kPa、50kPa和65kPa，負載波形為半正弦脈沖負載，負載頻率為1.2Hz，負載時間為0.25s。

為了模擬車輛荷載對路基土體的長期影響，循環荷載的數量應與實際情況相似，高速公路在道路設計期間，單個三軸車輛的標準軸重達到2.1×104kg。由于試驗的限制，無法模擬數百萬輛汽車的負載，因此，通常使用超過10000次的加載次數來反映交通負載的長期影響（表3）。

2 研究結果與分析

2.1 動應力對塑性變形的影響

在相同的土樣條件和不同的局部應力下，分析了動應力水平對塑性變形的影響。在不同動應力條件下，當水分含量為7.0%時，對P1、P2和P3工況進行了分析，同時在水分含量為9.6%時，對X1、X2和X3工況進行了分析，6種工況下的累積塑性應變曲線，如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2可知，不同動應力作用下的永久變形曲線符合逐漸增加的基本規律，當動應力在一定范圍內時，隨著循環加載次數增加，土體的軸向累積變形增加，軸向累積塑性應變率不斷降低，導致軸向變形接近極限值，對預加載來說，軸向變形速率更快，前2000個加載循環的累積變形約占總變形的85%。當局部應力為35kPa時，水分含量為9.6%，10000次循環循環加載后，塑性應變為0.08%。在以上條件下，樣本較小，當局部應力為50kPa和65kPa時，試樣的塑性應變分別為0.12%和0.18%，試驗結果表明，隨著動應力增加，粗粒土的永久變形值增加，動應力幅值對粗粒土塑性變形有明顯影響。

2.2 含水量對塑性變形的影響

為了準確地顯示含水量對塑性變形的影響，對不同含水量的土樣在相同壓實度和局部應力下的塑性變形進行了比較。圖3為不同含水量（P1、Q1和X1條件）的土體樣品在壓實度為97%、局部應力為35kPa時的塑性變形曲線，圖4為不同含水量（P2、Q2和X2條件）的土體樣品在壓實度為97%、局部應力為50kPa時的塑性變形曲線。

圖3和圖4顯示，6組工況的塑性變形隨著載荷次數增加而增加，變化趨勢基本相同，塑性變形隨著試樣含水量增加而顯著增加。當局部應力為35kPa，含水量為7.0%時，10000個樣品的塑性應變為0.08%，當含水量增至8.5%和9.6%時，塑性應變分別增至0.15%和0.19%，當偏應力為50kPa時，含水量增加也導致塑性變形顯著增加。試驗結果表明，含水率對路基土塑性變形的影響較大，當路基土體含水量增加時，土體的有效應力降低，孔隙水壓力增加，土體的承載力降低，從而增加了路基土的塑性變形。不同干濕條件下，路基和土體上的車輛荷載變化較大，應做好防水和排水措施。

2.3 壓實度對塑性變形的影響

考慮壓實度對塑性變形的影響，對相同含水量和局部應力的土樣的塑性變形值進行了比較。圖5為含水量為7.0%、局部應力為35kPa的不同壓實土樣品的塑性變形曲線（P1，Y1），圖6為含水量為7.0%、局部應力為50kPa的不同壓實土樣品的塑性變形曲線（P2，Y2）。

根據圖5和圖6顯示的累積塑性變形曲線，考慮93%和97%的壓實度對塑性變形的影響，塑性應變隨壓實度增加而減少。當動應力為50kPa、壓實度為93%的土樣，在10000次循環加載后，塑性應變比壓實度為97%的土樣增加了56.2%，因此壓實度對塑性變形的影響較大，壓實度越大，土的整體性能越好，抗外部變形能力越強。

2.4 路基含水量及壓實效應

設置路基的車道寬度為3.75m，在壓實度為97%、軸載為120kN的情況下，路基在不同含水量條件下的動態變形如圖7所示。結果表明當含水量從7.0%增至9.6%時，路基頂部的最大動態變形從0.82mm增至2.35mm，增加了1.87倍。

比較不同壓實條件下路基的動態變形。結果表明，當壓實度從97%降至93%時，路基的最大動載荷從0.82mm增至2.11mm，增加了1.57倍，路基的變形是在一條車道（3.75m）寬的車輛荷載下考慮的，動態變形曲線是對稱的，形狀大致為“W”，變形的最大值位于車輪正下方，隨著與距車輪距離增加，變形量減少，軸向荷載、路基含水量和車輛壓實度對路基的動態變形有很大影響，路基的動態變形隨軸向荷載和含水量增加而增加，隨壓實度增加而減少。

3 結論

本文對路基土進行循環加載試驗，分析了路基動應力、含水量、壓實度對塑性變形的影響以及路基含水量和壓實效應，得出以下結論。1）隨著循環加載次數增加，土體的軸向累積變形增加，軸向累積塑性應變率不斷降低，軸向變形接近極限值，隨著動應力增加，粗粒土的永久變形值增加，動應力幅值對粗粒土塑性變形有顯著影響。2）在不同動應力條件下，隨著載荷次數增加，路基塑性變形隨之增加，在不同含水量條件下，含水率對路基土塑性變形有明顯影響，當路基含水率增加時，塑性變形隨著含水量增加而顯著增加，由于在不同干濕條件下路基和土體上的車輛荷載變化較大，因此路基應做好防水和排水措施。3）在不同動應力條件下，塑性變形隨壓實度增加而減少，壓實度越大，土的整體性能越好，抗外部變形能力越強，而路基變形的最大值位于車輪正下方，隨著與距車輪距離增加，變形量減少，同時軸向荷載、路基含水量和車輛壓實度對路基的動態變形有顯著影響，路基的動態變形隨軸向荷載和含水量增加而增加，隨壓實度增加而減少。

參考文獻

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