基于服役需求的机场粉土道基临界动应力研究_雷宇.pdf

第 20 卷 第 3 期2023 年 3 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 3March 2023基于服役需求的机场粉土道基临界动应力研究雷宇1，刘希重1,2，宣明敏1，余虔3,4，叶新宇1,5，张升1,5(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.中建三局集团有限公司，湖北 武汉 430074；3.民航机场规划设计研究总院有限公司，北京 101312；4.机场工程安全与长期性能交通运输行业野外科学观测研究基地，北京 100029；5.中南大学 高速铁路建造技术国家工程研究中心，湖南 长沙 410075)摘要：在循环荷载作用下土样应变发展特性的研究中，安定理论被广泛应用。通过该理论将塑性应变发展状态进行划分，可确定临界动应力。但该传统方法忽略了工程中的服役需求，其取值未考虑在临界动应力范围内，道基土体变形的持续发展，最终超过允许变形，引起道面板错缝、跑道断裂等问题。针对以上问题开展大型动三轴试验，获得道基粉土在不同压实度、围压、制样方法和动应力下变形发展规律，结合服役需求中的破坏应变，提出考虑道基服役需求的临界动应力模型，主要结论有：1)压实度和围压对最终塑性应变均有较大影响，且与应变有较好的指数关系。考虑压实度、围压和动应力幅值建立的最终应变预测模型能较好地反映试验结果；2)制样方法对塑性应变的发展有明显的影响，在动应力小于180 kPa时应变差在0.2%左右，而在动应力较大时，不同制样方法之间应变差异显著增大，最大可超过2%，远大于规范中最大允许差异沉降值0.1%0.2%。实际工程中多压实工法处理道基，可能导致道基在长期荷载作用下产生较大的差异沉降；3)基于服役需求提出的临界动应力在道基沉降值和差异沉降值上均符合规范要求，且与传统方法临界动应力计算结果相比，相同条件下动应力值约为80%，对应塑性变形增长速率仅为40%，充分考虑机场服役需求，取值更加严谨，对实际工程更具指导意义。关键词：破坏应变；压实度；围压；制样方法；临界动应力；服役需求中图分类号：TU443 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）03-0950-11Determination of critical dynamic stress for airport silt subgrade based on serviceable requirementLEI Yu1,LIU Xizhong1，2,XUAN Mingmin1,YU Qian3,4,YE Xinyu1,5,ZHANG Sheng1,5(1.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;2.China Construction Third Engineering Bureau Group Co.,Ltd.,Wuhan 430074,China;3.China Airport Planning&Design Institute Co.,Ltd.,Beijing 101312,China;4.Airport Engineering Safety and Long-term Performance Field Scientific Observation and Research Base of Transportation Industry,Beijing 100029,China;5.National Engineering Research Center of High-speed Railway Construction Technology,Central South University,Changsha 410075,China)收稿日期：2022-04-01基金项目：国家自然科学基金资助项目(52008401)；湖南省自然科学基金资助项目(2021JJ40770)；湖湘高层次人才聚集工程创新团队项目(2019RS1008)通信作者：叶新宇(1989)，男，湖南益阳人，副教授，博士，从事岩土工程方面的教学和科研工作；Email：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220639第 3 期雷宇，等：基于服役需求的机场粉土道基临界动应力研究Abstract:In the study of strain development characteristics of soil specimens under cyclic loading,the shakedown theory has been widely used.The critical dynamic stress is derived,based on the development status of plastic strain.However,this traditional method overlooks the actual serviceable conditions of the subgrade.The deformation of the subgrade continues to develop within the range of the aforementioned critical dynamic stress.In this case,the subgrade deformation may exceed the allowable values,resulting in the mismatch and crack of pavement slab.Based on the case,a series of large-scale dynamic triaxial tests were carried out,which obtained the deformation development of subgrade silt under different conditions(degree of compaction,confining pressure,sample preparation method and dynamic stress).The main conclusions are drawn as follows.(1)Both degree of compaction and confining pressure have a large influence on the final plastic deformation,and both have a good exponential relationship with the dynamic stress.(2)The sample preparation method has a remarkable influence on the increase of plastic strain,which may result in a large differential settlement when the subgrade subject to the long-term loading.The accumulated plastic strain of the static compression samples is higher than that of the compacted samples by 0.2%,before the dynamic stress is less than 180 kPa,and then the difference increases significantly,the maximum can exceed 2%,which is much more than the maximum allowable differential settlement value in the specification.(3)Compared the critical dynamic stress proposed by the serviceable performance with the traditional result,the critical stress controlled by failure strain is about 80%,which corresponds to a plastic deformation growth rate of only 40%.That indicates the critical dynamic stress in this study is more accuracy in field application.Key words:failure strain criterion;degree of compaction;confining pressure;sample preparation method;critical dynamic stress;serviceable requirement 在机场跑道服役期间，道基承受较高频次的飞机循环荷载，产生过大的变形沉降，进而造成道面板错缝、跑道断裂等问题。因此，需要正确认识粉土道基在长期循环荷载作用下的变形发展特征，选取适当的临界动应力值，才能合理地进行工程设计，提高道基长期服役性能。基于动三轴试验，很多学者对循环荷载下土体变形和强度发展情况进行了大量研究，其中 MONISMITH等12提出的指数模型因形式简单、相对准确而被广泛采用。并且，针对不同土体、荷载条件下指数模型的相关参数，亦开展了大量的研究37。在考虑累积塑性应变曲线发展特点的基础上，部分学者采用多种类型的方程表征特定土体类型的累积塑性应变预测模型812。然而，上述研究虽对模型引入相关参数或调整方程形式进行优化，但是在不同动应力幅值下，应变发展趋势有明显差异，不进行状态划分而仅建立应变预测模型的方法是不 准 确 的。为 了 对 试 样 应 变 发 展 状 态 划 分，LAREW等13在研究土的动力特性时最先提出临界动应力概念，把土体不发生结构破坏的最大循环应力比定义为临界循环应力比，以此为划分应变发展状态的标准。此概念后来被国内外学者广泛认可。TANG等14开展了饱和黏土试样的不排水动三轴试验，通过分析孔压和轴向塑性应变的发展规律，结合安定理论1516，确定了各深度处的临界循环应力比；CAI等17通过动三轴试验和共振柱试验，提出变形发展速率划分临界动应力的方法；王康宇等18开展了动三轴试验，基于临界变形增长率，进一步提出明确的经验公式预测临界动应力；聂如松等19在考虑间歇作用影响的基础上，进一步验证了变形增长速率划分临界动应力方法的准确性。此外，周文权等2021也采用变形发展状态确定临界动应力。然而，通过此类方法确定的临界动应力仅能保障道基不因迅速的变形发展而结构破坏，但在临界动应力范围内，道基土体变形仍将继续发展，超过允许变形，引起道面板错缝、跑道断裂等问题。因此，在塑性安定状态内，仍存在达到允许破坏应变的临界动应力值，该值小于951铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 3月塑性安定状态的临界动应力，更符合工程实际应用。为了解决上述问题，本文选取北京大兴机场粉土，开展了动三轴试验，分析了不同压实度、围压、制样方法和动应力幅值下的变形发展演化规律，建立了不同动应力幅值和最终累积塑性变形的关系，进而通过分层总和法获得的道基沉降，结合基于服役需求提出的破坏应变值，对临界动应力进行预测。该方法确定的临界动应力，考虑了机场道基服役需求，对实际工程设计更具有指导意义和参考价值。1 动三轴试验1.1试验设备及土样试验