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      長期荷載下高等級路基累積塑性變形的試驗研究

      2024-12-04 00:00:00趙琦
      中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2024年10期
      關(guān)鍵詞:壓實度塑性變形含水量

      摘 要:為了研究長期荷載下高等級路基累積塑性變形的規(guī)律,本文對路基土進行循環(huán)加載試驗,分析了路基動應(yīng)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(yīng)。研究結(jié)果表明:循環(huán)加載次數(shù)和動應(yīng)力增加會導(dǎo)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(yīng)做好路基防水和排水措施。研究結(jié)果可以為公路運行安全提供參考。

      關(guān)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(fā)展,高速公路的建設(shè)也日益增加,公路的路基長期受車輛重載的影響,將會導(dǎo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)的影響,本文對路基土進行循環(huán)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(yīng)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(yīng)。

      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(jù)《巖土工程試驗規(guī)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(yīng)小于18mm,現(xiàn)場的粗顆粒尺寸較大,室內(nèi)試驗需要限制在試驗儀器可接受的土體樣品尺寸內(nèi)。為了保證土體的工程性質(zhì),對原始土體樣品與試驗土體的關(guān)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(shù),試驗土體的參數(shù)見表1和表2。

      1.2 試驗方法

      利用公路工程養(yǎng)護技術(shù)工程實驗室的大型動三軸試驗系統(tǒng)對路基土進行了循環(huán)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(dǎo)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(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30—2015)規(guī)定,在高速公路和公路路面以下0.9m深度范圍內(nèi),路基壓實度不應(yīng)低于97%。路面以下0.9m~1.6m的深度,路基壓實度不應(yīng)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(shè)置試驗的圍壓為30 kPa。

      設(shè)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(yīng)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(huán)荷載的數(shù)量應(yīng)與實際情況相似,高速公路在道路設(shè)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(shù)百萬輛汽車的負載,因此,通常使用超過10000次的加載次數(shù)來反映交通負載的長期影響(表3)。

      2 研究結(jié)果與分析

      2.1 動應(yīng)力對塑性變形的影響

      在相同的土樣條件和不同的局部應(yīng)力下,分析了動應(yīng)力水平對塑性變形的影響。在不同動應(yīng)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(yīng)變曲線,如圖1和圖2所示。

      由圖1和圖2可知,不同動應(yīng)力作用下的永久變形曲線符合逐漸增加的基本規(guī)律,當動應(yīng)力在一定范圍內(nèi)時,隨著循環(huán)加載次數(shù)增加,土體的軸向累積變形增加,軸向累積塑性應(yīng)變率不斷降低,導(dǎo)致軸向變形接近極限值,對預(yù)加載來說,軸向變形速率更快,前2000個加載循環(huán)的累積變形約占總變形的85%。當局部應(yīng)力為35kPa時,水分含量為9.6%,10000次循環(huán)循環(huán)加載后,塑性應(yīng)變?yōu)?.08%。在以上條件下,樣本較小,當局部應(yīng)力為50kPa和65kPa時,試樣的塑性應(yīng)變分別為0.12%和0.18%,試驗結(jié)果表明,隨著動應(yīng)力增加,粗粒土的永久變形值增加,動應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shù)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(yīng)力為35kPa,含水量為7.0%時,10000個樣品的塑性應(yīng)變?yōu)?.08%,當含水量增至8.5%和9.6%時,塑性應(yīng)變分別增至0.15%和0.19%,當偏應(yīng)力為50kPa時,含水量增加也導(dǎo)致塑性變形顯著增加。試驗結(jié)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力為50kPa的不同壓實土樣品的塑性變形曲線(P2,Y2)。

      根據(jù)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(yīng)變隨壓實度增加而減少。當動應(yīng)力為50kPa、壓實度為93%的土樣,在10000次循環(huán)加載后,塑性應(yīng)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(yīng)

      設(shè)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(tài)變形如圖7所示。結(jié)果表明當含水量從7.0%增至9.6%時,路基頂部的最大動態(tài)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(tài)變形。結(jié)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(tài)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(tài)變形有很大影響,路基的動態(tài)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(jié)論

      本文對路基土進行循環(huán)加載試驗,分析了路基動應(yīng)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(yīng),得出以下結(jié)論。1)隨著循環(huán)加載次數(shù)增加,土體的軸向累積變形增加,軸向累積塑性應(yīng)變率不斷降低,軸向變形接近極限值,隨著動應(yīng)力增加,粗粒土的永久變形值增加,動應(yīng)力幅值對粗粒土塑性變形有顯著影響。2)在不同動應(yīng)力條件下,隨著載荷次數(shù)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(yīng)做好防水和排水措施。3)在不同動應(yīng)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(tài)變形有顯著影響,路基的動態(tài)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

      [1]郭亞紅.改良路基土新舊路基差異沉降分析[J].交通世界,2023(23):67-69,72.

      [2]許珊珊.高緯度低海拔深季凍區(qū)公路路基含水量分布與變化規(guī)律[J].黑龍江交通科技,2023,46(7):8-10.

      [3]劉岳兵.武陵山大道拓寬工程路基的差異沉降及控制技術(shù)分析[J].黑龍江交通科技,2023,46(6):4-7.

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