车辆荷载作用下风积沙和砾类土低路堤响应差异性研究

刘大鹏 王 婧 程强强 刘梦溪

（江苏建筑职业技术学院，江苏徐州 221116）

0 引言

低路堤填筑高度小、占用土地少，可节约土地资源，且易与自然景观融为一体，对自然生态环境影响小，符合路基的“安全耐久、节约资源、环境和谐”的设计理念。但由于路堤高度小，车辆荷载产生的应力扩散到地基时仍然较大，为保障低路堤的稳定性，选择合适的路堤填料尤为重要，为此需要明确不同路堤填料对低路堤响应的影响规律。

对于交通荷载作用下路基响应问题开展的研究较多，卢 正等[1]基于高速公路路基建立了三维地基分层模型，运用Fourier 变换方法求解得到了层状地基在交通荷载作用下的三维振动解，并利用快速傅立叶逆变换求解得到了路基响应数值结果。汤连生等[2]采用黏弹性运动方程以及复柔量表示的应力-应变关系，建立了层状路基力学分析模型，通过Laplace 变换和逆变换，得到了黏弹性半空间的竖向动应力，分析了车辆荷载强度等6 个因素对动应力的影响规律。石 峰等[3]针对季节性冻土地区路基动应力进行了实测，得出了动应力随深度的衰减规律。李志勇等[4]通过现场试验测试了重载交通作用下路基结构的动应力，建立路基动应力的计算公式，得出了路基动应力敏感区的范围。耿大新等[5]利用小比例路基模型试验，测试了不同简谐荷载作用下路基的动应力，得出了路基工作区深度在1.0～1.1 m，荷载的影响范围主要在轮载正下方。对车辆荷载作用下低路堤的响应问题也开展了一些相关研究，商拥辉等[6]通过数值模拟研究了低路堤的动力特性，分析了降雨强度对低路堤动力性能的影响。杨晓华等[7]通过大比例模型试验对砾石土低路堤的工程特性进行了研究，得出了荷载作用频率、荷载峰值等因素对低路堤动力特性的影响规律。刘大鹏等[8]利用模型试验研究了长期动荷载作用下砾类土低路堤的应力和应变响应。赵俊明等[9]通过现场实测的方法研究了低路堤的动力特性，得出了动应力和振动位移随车速和车重的变化特征。为节约工程造价，路基填料一般采用天然填料，当填料不满足路基填筑要求时，需要对路基填料进行改良，陈乐求等[10]和朱自强等[11]研究了通过水泥改良后泥质板岩土路基的动力响应。

上述对路基响应的研究主要针对一种特定的路基填料，而针对不同路基填料对路基响应差异的研究较少。风积沙和砾类土是新疆绿洲-荒漠区常用的路基填料，为在新疆绿洲-荒漠区合理选择低路堤填料，使路基填料既能满足工程需要，又能节约工程造价，同时为其他工程选择路基填料和填料改良时提供参考，通过1∶1 足尺模型试验，分别采用风积沙和砾类土作为低路堤填料，对低路堤在静载、短时动载和长时动载作用下响应的差异性进行研究。

1 大比例尺模型试验

为探明车辆荷载作用下风积沙低路堤和砾类土低路堤响应的差异，建立了1∶1 低路堤试验模型。试验模型采用层状结构，从上至下依次为面层、基层、路堤和地基，如图1 所示。面层材料为中粒式沥青混凝土AC-16，厚度为12 cm，基层分为3 层施工，从下至上材料分别为4%水泥稳定碎石、5%水泥稳定碎石和6%水泥稳定碎石，厚度为40 cm，路基填料采用砾类土或风积沙，厚度为80 cm，砾类土和风积沙的颗粒粒径分布如表1 所示，地基采用粉质黏土，厚度为70 cm。

表1 砾类土和风积沙的粒径分布

图1 模型结构（单位：cm）

在路基内布置5 层应力传感器和4 层应变传感器，上、下层传感器相距20 cm，应力传感器采用BY-1 型电阻式动土压力传感器，应变传感器采用内埋式应变传感器，均采用全桥接线方式。在地基范围内布置3 层应力传感器和3 层应变传感器，上、下层传感器相距20 cm。应力传感器从上到下依次编号为YL1-YL8，应变传感器从上到下依次编号为YB1-YB7，具体布置如图2 所示。

图2 传感器布置（单位：cm）

采用通道伺服试验机系统（MTS）进行加载，如图3 所示，静荷载分3 级加载，第一级从0 增加到10 KN，第二级从10 kN 增加到30 kN，第三级从30 kN增加到50 kN。由于路面不平整，车辆荷载是一种随机动荷，因此精确表示随机动荷载难度较大，根据文献[3]对车辆荷载作用下路基动应力的实测结果，动应力的变化符合半正弦函数。考虑车辆行驶速度、车距以及重载车辆与标准轴载的换算等，通过计算可求得路基任意点受荷频率约为1～5 Hz，另外我国路面设计以双轮组单轴载100 kN 作为标准轴载，一侧为50 kN，因此模型试验中选择峰值为50 kN，频率为3 Hz 的半正弦波来模拟车辆动荷载。地基含水率采用18%、23%和28%三种含水率，18%的含水率用于模拟最佳含水率状态压实时的地基，23%的含水率用于模拟湿度较大时的地基，28%的含水率用于模拟富水状态的地基。具体试验工况如表2 所示。

表2 试验加载工况

图3 MTS 加载系统

2 试验结果

2.1 砾类土和风积沙低路堤应力对比

在18%、23%和28%三种地基含水率时，对砾类土低路堤和风积沙低路堤分别施加静载，待50 kN 静载作用下传感器读数稳定后，读取YL1-YL8应力传感器的数值，绘制静载作用下砾类土低路堤和风积沙低路堤应力对比见图4。对于短时动载，其荷载峰值为50 kN，作用频率为3 Hz，作用次数为100 次，分别记录YL1-YL8 的应力峰值，取1～100 次YL1-YL8 应力峰值的平均值，绘制短时动载作用下砾类土低路堤和风积沙低路堤的应力对比见图5。对于长时动载，其荷载峰值为50 kN，作用频率为3 Hz，作用次数为10 万次，分别记录YL1-YL8 的应力峰值，取荷载作用99900～100000 次YL1-YL8 应力峰值的平均值，绘制长时动载作用下砾类土低路堤和风积沙低路堤的应力对比见图6。

图6 长时动载作用下砾类土低路堤和风积沙低路堤应力对比

如图4-图6 所示，在静载、短时动载和长时动载作用下，砾类土低路堤和风积沙低路堤应力随深度的变化曲线相似，随着地基含水率的增加，YL1-YL8 的应力均减小，地基含水率为18% 时，YL1-YL8 的值最大。随着深度的增加应力均发生非线性衰减，静载作用下，地基含水率为18%、23%和28%时，对砾类土低路堤，从YL1 到YL8 应力分别从35.39 kPa、33.66 kPa 和30.33 kPa 衰减到11.85 kPa、9.52 kPa 和6.23 kPa，衰减率分别为67%、72%和79%。而风积沙低路堤，从YL1 到YL8 应力分别从28.27 kPa、25.35 kPa 和21.51 kPa 衰减到12.03 kPa、9.87 kPa 和6.65 kPa，衰减率分别为57%、61%和69%。短时动载作用下，对砾类土低路堤，从YL1到YL8 应力分别从33.49 kPa、31.75 kPa 和28.37 kPa 衰减到9.86 kPa、8.01 kPa 和4.85 kPa，衰减率分别为71%、75% 和83%，而风积沙低路堤，从YL1到YL8 应力分别从25.86 kPa、24.02 kPa 和20.24 kPa 衰减到10.26 kPa、8.89 kPa 和5.93 kPa，衰减率分别为60%、63% 和71%。长时动载作用下，对砾类土低路堤，从YL1 到YL8 应力分别从39.15 kPa、37.36 kPa 和32.88 kPa 衰减到12.06 kPa、9.81 kPa和6.53 kPa，衰减率分别为69%、74%和80%，而风积沙低路堤，从YL1 到YL8 应力分别从30.04 kPa、27.38 kPa 和26.32 kPa 衰减到12.27 kPa、10.23 kPa和8.18 kPa，衰减率分别为59%、63%和69%。可以得出，地基含水率一定时砾类土低路堤在静载、短时动载和长时动载作用下的应力衰减率均大于风积沙低路堤的应力衰减率。

地基含水率为18%、23%和28%时，静载、短时动载和长时动载作用下，在YL1 处，砾类土低路堤的应力均大于风积沙低路堤的应力，静载作用时砾类土低路堤的应力分别是风积沙低路堤应力的1.25 倍、1.33 倍和1.41 倍，短时动载作用时砾类土低路堤的应力分别是风积沙低路堤应力的1.30 倍、1.32 倍和1.40 倍，长时动载作用时砾类土低路堤的应力分别是风积沙低路堤应力的1.30 倍、1.36 倍和1.35 倍，而在YL8 处，砾类土低路堤的应力均小于风积沙低路堤的应力，静载作用时砾类土低路堤的应力分别是风积沙低路堤应力的0.99 倍、0.96 倍和0.94 倍，短时动载作用时砾类土低路堤的应力分别是风积沙低路堤应力的0.96 倍、0.90 倍和0.82 倍，长时动载作用时砾类土低路堤的应力分别是风积沙低路堤应力的0.98 倍、0.96 倍和0.87 倍。因此，在YL1 和YL8之间必然存在分界点，分界点以上砾类土低路堤的应力大于风积沙低路堤的应力，分界点以下砾类土低路堤的应力小于风积沙低路堤的应力。从图4-图6可以得出，地基含水率为18%、23%和28%时，静载、短时动载和长时动载作用下其分界点距YL1 约为0.6～1.0 m。

对比图4-图6 可以发现，长时动载引起的风积沙和砾类土低路堤的应力最大，静载次之，短时动载最小。对于风积沙低路堤，短时动载引起的应力约为静载的0.85～0.95 倍，长时动载引起应力约为静载的1.03～1.13 倍，对于砾类土低路堤，短时动载引起的应力约为静载的0.85～0.95 倍，长时动载引起应力约为静载的1.02～1.10 倍。

从图4-图6 可以看出，在YL5-YL8 处，风积沙低路堤的应力均大于砾类土低路堤的应力，说明砾类土低路堤扩散荷载的能力大于风积沙低路堤。

2.2 砾类土和风积沙低路堤应变对比

静载、短时动载和长时动载作用下，砾类土低路堤和风积沙低路堤的YB1-YB7 应变取值规则与应力相同，地基含水率为18%、23%和28%，静载作用下砾类土低路堤和风积沙低路堤的应变对比如图7所示，短时动载作用下砾类土低路堤和风积沙低路堤的应变对比如图8 所示，长时动载作用下砾类土低路堤和风积沙低路堤的应变对比如图9 所示。

图9 长时动载作用下砾类土低路堤和风积沙低路堤应变对比

从图7-图9 可以看出，随着地基含水率的增加，静载、短时动载和长时动载作用下砾类土低路堤和风积沙低路堤YB1-YB4 的应变均减小，而YB5-YB7 的应变均增大，这与应力变化规律相对应，随着地基含水率的增加应力减小，而路基模量不变，从而使得YB1-YB4 的应变减小。地基部分由于含水率增加应力有所减小，但地基模量减小更大，因此YB5-YB7 的应变仍增大。

当地基含水率为18%、23%和28%时，静载、短时动载和长时动载作用下，风积沙低路堤的应变均大于砾类土低路堤的应变。在应力分界点以上，虽然砾类土低路堤的应力大于风积沙低路堤的应力，但由于风积沙的回弹模量比砾类土的回弹模量低[12-13]，风积沙低路堤的应变均比砾类土低路堤的应变大，风积沙低路堤的沉降大于砾类土低路堤的沉降，因此对沉降要求控制严格的低路堤应选用回弹模量大、扩散荷载能力强的填料进行填筑。

地基含水率从18%增加到28%时，静载、短时动载和长时动载作用下风积沙低路堤和砾类土低路堤YB5-YB7 处的应变差值分别从3 με 增加到64 με、5 με 增加到72 με、85 με 增加到144 με，可见，地基含水率越大，路基回弹模量越低的低路堤其地基部分的应变增加越大。

对比图7-图9 可以发现，长时动载引起的低路堤的应变最大，静载次之，短时动载最小。对于风积沙低路堤，短时动载引起的应变约为静载的0.90～0.95 倍，长时动载引起应变约为静载的2.4～3.6 倍，对于砾类土低路堤，短时动载引起的应变约为静载的0.74～0.95 倍，长时动载引起应变约为静载的1.9～3.3 倍。

3 结论

（1）砾类土低路堤和风积沙低路堤在静载、短时动载、长时动载作用下的应力-深度曲线形态相似，应力均随着深度的增加非线性衰减。路基和地基相同位置处，长时动载作用下应力最大，静载次之，短时动载最小。砾类土低路堤的应力衰减速度均比风积沙低路堤大，传递到地基的应力比风积沙低路堤小。

（2）砾类土低路堤和风积沙低路堤在相同荷载作用下的应力大小关系存在一深度分界点，分界点距路基顶面约0.6～1.0 m，分界点以上砾类土低路堤的应力较大，分界点以下风积沙低路堤的应力较大，砾类土比风积沙荷载扩散能力更强。

（3）路面下相同深度处，长时动载作用下应变最大，静载次之，短时动载最小。相同荷载作用下，同一深度处砾类土低路堤的应变小于风积沙低路堤。

（4）随着地基含水率的增加，低路堤路基段的应变减小，地基段的应变增加，且风积沙低路堤地基段应变增加值大于砾类土低路堤。