高填方路基的特性分析

张站刚

摘要：弹性力学认为，材料的应力应变关系服从广义Hooke定律。但实际情况下，对于岩土材料，Hooke定律只在一定范围内适用。当应力超过一定限度以后，岩土体内部将产生部分塑性变形。因此，有必要对高填方路基的特性做出分析。

关键词：高填方路基；力学性能；压实特性

中图分类号：U213.1文献标识码： A 文章编号：

从二十世纪50年代末期开始，随着传统塑性力学、岩石力学、近代土力学及有限元等数值计算方法的发展，岩土塑性力学逐渐成为一门独立的学科，尤其是1963年Roscoe提出著名的剑桥模型以来，出现了多得难以计数的研究岩土的弹塑性本构模型，但广泛应用于岩土实际工程中的仍只有为数不多的几个。由岩土类材料压缩试验的应力应变关系曲线可以看出，压应力达到一定程度时，材料强度从峰值强度下降到残余强度，这种情况称应变软化或加工软化。软化阶段岩土材料成为不稳定材料。也就是说，岩土类材料具有剪胀(缩)性，在纯剪应力作用下材料会产生塑性体积应变(膨胀或收缩)。土的单向固结压缩试验和三向固结压缩试验也同样证明了岩土类材料的非弹塑性特性。

一，岩土类材料的基本力学性能

岩土材料最基本的力学性能，可以归纳如下:在一定范围内，材料抗剪强度和刚度随压应力的增大而增大，其抗剪强度不仅由粘聚力和内摩擦角构成，如果材料的颗粒较大，其内摩擦角则由滑动摩擦角和咬合摩擦角构成；与金属材料相比较，岩土类材料为多向材料，岩土颗粒中含有孔隙，在各向等压下将产生塑性应变；岩土类材料具有剪胀性，其体积应变与剪应力有关，在剪应力作用下，岩土材料可以产生塑性体积应变(膨胀或收缩)。

土在骨架应力的作用下，由于颗粒表面所吸附的水(气)的粘滞性，颗粒的重新排列和骨架错动需一定的时间;另一方面，土体变形受到边界约束，这种约束又抵消蠕动变形趋势，此时土体内部必须进行应力调整，该调整也与时间有关。这种土体的应力和变形与时间有关的现象称为土的流变现象。

土体受到外力作用时，颗粒向新的而较稳定的位置移动，由此而产生变形。对于两相体系的饱和土，当颗粒骨架变形，孔隙减小时，孔隙中的水分被挤出;对于三相非饱和土，孔隙间的气体首先被压缩，随后是多余的气体和孔隙水被挤出。由于固体骨架和颗粒之间的摩擦，使孔隙水和气体在排出时受到阻碍，变形延迟。可见土的应力、应变与变形均是时间的函数，土体显示的特性既不是弹性体也不是塑性体，而是具有弹性、塑性和粘滞性的弹粘塑性体。

土体的应力应变受时间的影响非常明显。即使是无粘聚性的砂土，其变形都不是瞬时产生的，而是以某种速度增长。由于应力状态不同，粘性土的变形速率有时极其缓慢，最后趋于停止，有时则逐渐增长，最后导致破坏。土体在外荷载作用下，其强度可能随时间逐渐降低，也可能随时间而逐渐增长的现象也说明路堤的变形和稳定均是时间的函数。

土体的流变特性，主要表现在以下四个方面:(1)蠕变特性，恒定应力作用下变形随时间增长的现象;(2)松弛特性，变形恒定情况下应力随时间衰减的现象;(3)流动特性，给定时间的变形速率随应力变化的现象;(4)土体的长期强度随受荷历史变化的现象。土的流变变形分为压缩变形和剪切变形两部分，沉降分析中主要考虑土体受压时的流变特性，强度问题则主要研究土受剪时的流变特性。

高填方路基的蠕变性质在其沉降过程中起着很重要的作用，其工后沉降主要由填料的蠕变变形引起。蠕变变形是一个长期而缓慢的过程，高填方路基的工后沉降也必须在一段相当长的时间里才能完成，有时甚至需要几十年的时间。土体的蠕变形量与土颗粒骨架的结构形态、颗粒间粘聚力大小、颗粒形状和大小及密实度、饱和度、渗透性等许多因素有关，路基填料不同，其变形性能也不同。土体的蠕变现象与其它材料相似，所不同的是随着荷重的增加，土体的弹塑性变形也随之增加。

研究资料表明，无论是正常固结土或是超固结土，在排水或不排水情况下，其应变速率和蠕变时间的关系在对数或半对数坐标上，均为直线关系，应变速率与应力之间也为直线关系。

二，高填方路堤填料的压实特性

高填方路堤的填料有土、石或土夹石混合料，一般要求路堤填料具有良好的水稳定性，较小的压缩性和经济与方便。土体的压实性与压实时的含水量有关，在最佳含水量时压实土体易获得最经济的压实效果，达到最大密实度。

对同一种土而言，干密度越大，孔隙比越小，土体具有最大干密度则同时具有最小孔隙率，压实的目的就是要使土体具有尽可能小的孔隙率。粘性土要求通过压实后具有较小的渗透系数、较低的压缩系数、较高的抗剪强度和对不均匀变形有较强的适应能力等，而这些指标主要取决于压实标准、压实干密度和施工含水量。诸多试验结果表明，粘性土具有下面的压实特性:最佳含水量与相应塑限的相关系数约为1，当粘性土处在塑限含水量状态时土体具有很好的适应变形能力，有利于压实；粘性土的最大干密度随着粘粒含量的增加而减少，土体的最大干密度越大，填土时的压实干密度也应相应较高，不同颗粒组成的填料，干密度也不同；最大饱和度是粘性土处在最大干密度、最佳含水量时得到的饱和度，采用同样的压实机具压实同一种土时得到的最大饱和度近似常数，其不随压实功能而变；最大干密度与天然干密度之间具有良好的线性关系，土体的天然干密度越大，其最大干密度也越大。

填料的变形特性和力学特性主要与填料的密实程度以及粗粒填料中石料的抗压强度有关，密实程度良好的填料变形小，而在密实度相近的填料中，石料强度较高的填料变形较小。对土体压实特征的了解和应用有助于获得良好的压实效果。事实证明，充分压实可以有效减少路基的工后沉降，在较短的时间内提高了填土压实质量，填土的压实程度和均匀性也得到了较大的提高，并加速了填土的固结变形，有效地减少了路基的工后沉降，缩短了施工时间，取得了较好的效果。

参考文献:

【1】李志高，高填路基稳定问题的非线性有限元分析【J】，2003,01

【2】崔晓如，高填方路基沉降变形分析与预测及控制标准研究【D】，长沙理工大学，2010