车辆荷载作用下风积沙和砾类土低路堤响应差异性研究.pdf

文章编号：1007-2993（2023）04-0443-06车辆荷载作用下风积沙和砾类土低路堤车辆荷载作用下风积沙和砾类土低路堤响应差异性研究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）【摘要】风积沙和砾类土是新疆绿洲荒漠区常用的路基填料，为探明车辆荷载作用下风积沙和砾类土低路堤应力和应变响应的差异，分别采用风积沙和砾类土作为填料建立低路堤 11 足尺模型，进行了地基含水率分别为 18%、23%和 28%的静载、短时动载和长时动载作用下低路堤模型试验。试验结果表明，长时动载作用下低路堤应力和应变最大，短时动载作用下应力和应变最小。静载、短时动载和长时动载作用下砾类土和风积沙低路堤的应力均随着深度的增加而衰减，砾类土低路堤衰减速度较快。距路基顶面 0.61.0 m 处存在应力响应分界点，路基顶面至分界点段砾类土低路堤的应力大于风积沙低路堤，分界点以下风积沙低路堤的应力大于砾类土低路堤。砾类土低路堤各结构层的应变均小于风积沙低路堤，随着地基含水率的增加风积沙低路堤地基部分应变增加值较大。【关键词】低路堤；砾类土；风积沙；应力；应变【中图分类号】U 416 【文献标识码】Adoi:10.3969/j.issn.1007-2993.2023.04.012Response Difference of Aeolian Sand and Gravel Soil Low Embankmentunder Vehicle LoadingLiu DapengWang JingCheng QiangqiangLiu Mengxi(Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology,Xuzhou 221116,Jiangsu,China)【Abstract】Aeolian sand and gravel soil are commonly used as subgrade fillers in oasis-desert area of Xinjiang.In order to findout the difference of stress and strain response of low embankment of aeolian sand and gravel soil under vehicle loading,1:1 full scalemodels of low embankment were established by using aeolian sand and gravel soil as subgrade fillers,and the model tests of low em-bankment under static load,short-term dynamic load and long-term dynamic load were carried out with the foundation moisture con-tent of 18%,23%and 28%respectively.The test results show that the stress and strain of low embankment are the largest under long-term dynamic load,and the minimum under short-term dynamic load.Under static load,short-term dynamic load and long-term dynam-ic load,the stress of gravel soil and aeolian sand low embankment decreases with the increase of depth,and the attenuation speed ofgravel soil low embankment is faster.There is a dividing point in the stress response at 0.61.0 m from the top of the subgrade.Thestress of the gravel soil low embankment from the top of the subgrade to the dividing point is greater than that of the aeolian sand lowembankment,and the stress of the aeolian sand low embankment below the dividing point is greater than that of the gravel soil low em-bankment.The strain of each structural layer of gravel soil low embankment is smaller than that of aeolian sand low embankment.Withthe increase of foundation moisture content,the strain of aeolian sand low embankment foundation increases greatly.【Key words】low embankment；gravel soil；aeolian sand；stress；strain 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。基金项目：国家自然科学基金项目（52004105）；江苏省教育厅自然科学基金重大项目（18KJA560001）；徐州市科技计划项目（KC17156）；江苏青蓝工程资助项目作者简介：刘大鹏，男，1980 年生，汉族，安徽宿州人，博士，副教授，从事道路工程方面的研究。E-mail： 第 37 卷第 4 期岩土工程技术Vol.37 No.42023 年8 月Geotechnical Engineering TechniqueAug，2023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 1.01.1 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 11 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 11 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。沥青混凝土面层水泥稳定碎石基层砾石土路基粉质黏土地基15070804012 图 1 模型结构（单位：cm）表 1 砾类土和风积沙的粒径分布粒组尺寸/mm粒组含量/%砾类土风积沙402014.5201022.610517.85213.6216.710.57.90.50.256.515.40.250.0755.881.70.0754.62.9 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YL1YL8，应变传感器从上到下依次编号为 YB1YB7，具体布置如图 2 所示。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 10KN，第二级从 10 kN 增加到 30 kN，第三级从 30 kN444岩土工程技术2023 年第 4 期增加到 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 15 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。立柱反力梁作动器加载板面层基层路基地基(a)加载装置(b)加载设备 图 3 MTS 加载系统 表 2 试验加载工况地基含水率/%静载/kN短时动载长时动载峰值/kN频率/Hz作用次数峰值/kN频率/Hz作用次数185050310050310万235050310050310万285050310050310万 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 50kN 静载作用下传感器读数稳定后，读取 YL1YL8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 YL1YL8 的应力峰值，取 1100 次 YL1YL8 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 YL1YL8 的应力峰值，取荷载作用 99900100000 次YL1YL8 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。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 面层基层路基动土压力传感器动应变传感器地基YL1YB1YB2YB3YB4YB5YB6YB71020202020202020202012153030303015YL2YL3YL4YL5YL6YL7YL8 图 2 传感器布置（单位：cm）刘大鹏等：车辆荷载作用下风积沙和砾类土低路堤响应差异性研究445YL8 的应力均减小，地基含水率为 18%时，YL1YL8 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 11.85kPa、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 12.03kPa、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 28.37kPa 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 20.24kPa 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0.61.0 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 0.850.95 倍，长时动载引起应力约为静载的 1.031.13 倍，对于砾类土低路堤，短时动载引起的应力约为静载的 0.850.95 倍，长时动载引起应力约为静载的 1.021.10 倍。从图 4图 6 可以看出，在 YL5YL8 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 1.41.21.00.80.60.40.2005101520253035404550砾类土低路堤,地基含水率 18%风积沙低路堤,地基含水率 18%砾类土低路堤,地基含水率 23%风积沙低路堤,地基含水率 23%砾类土低路堤,地基含水率 28%风积沙低路堤,地基含水率 28%应力/kPa距离路基顶面深度/m 图 4 静载作用下砾类土低路堤和风积沙低路堤应力对比 1.41.21.00.80.60.40.2005101520253035404550应力/kPa距离路基顶面深度/m砾类土低路堤,地基含水率 18%风积沙低路堤,地基含水率 18%砾类土低路堤,地基含水率 23%风积沙低路堤,地基含水率 23%砾类土低路堤,地基含水率 28%风积沙低路堤,地基含水率 28%图 5 短时动载作用下砾类土低路堤和风积沙低路堤应力对比 1.41.21.00.80.60.40.205101520253035404550应力/kPa距路基顶面的深度/m砾类土低路堤,地基含水率 18%风积沙低路堤,地基含水率 18%砾类土低路堤,地基含水率 23%风积沙低路堤,地基含水率 23%砾类土低路堤,地基含水率 28%风积沙低路堤,地基含水率 28%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446岩土工程技术2023 年第 4 期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 YB1YB7 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。1.41.21.00.80.60.40.20100200300400500600距离路基顶面深度/m砾类土低路堤,地基含水率 18%风积沙低路堤,地基含水率 18%砾类土低路堤,地基含水率 23%风积沙低路堤,地基含水率 23%砾类土低路堤,地基含水率 28%风积沙低路堤,地基含水率 28%应变(106)图 7 静载作用下砾类土低路堤和风积沙低路堤应变对比 1.41.21.00.80.60.40.20100200300400500600距离路基顶面深度/m砾类土低路堤,地基含水率 18%风积沙低路堤,地基含水率 18%砾类土低路堤,地基含水率 23%风积沙低路堤,地基含水率 23%砾类土低路堤,地基含水率 28%风积沙低路堤,地基含水率 28%应变(106)图 8 短时动载作用下砾类土低路堤和风积沙低路堤应变对比 1.41.21.00.80.60.40.205001000150020002500距路基顶面的深度/m砾类土低路堤,地基含水率 18%风积沙低路堤,地基含水率 18%砾类土低路堤,地基含水率 23%风积沙低路堤,地基含水率 23%砾类土低路堤,地基含水率 28%风积沙低路堤,地基含水率 28%应变(106)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 YB1YB4 的应变均减小，而 YB5YB7 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 YB1YB4 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YB5YB7 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1213，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 YB5YB7 处的应变差值分别从 3 增加到 64、5 增加到 72、85 增加到 144，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 0.900.95 倍，长时动载引起应变约为静载的 2.43.6 倍，对于砾类土低路堤，短时动载引起的应变约为静载的 0.740.95 倍，长时动载引起应变约为静载的1.93.3 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 0.61.0 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，低路堤路基段的应刘大鹏等：车辆荷载作用下风积沙和砾类土低路堤响应差异性研究447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。参考文献 卢正，姚海林，骆行文，等.公路交通荷载作用下分层地基的三维动响应分析J.岩土力学，2009，30（10）：2965-2970.1 汤连生，林沛元，吴科，等.交通荷载下路基土中动应力响应特征分析J.岩土工程学报，2011，33（11）：1745-1749.2 石峰，刘建坤，房建宏，等.季节性冻土地区公路路基动应力测试J.中国公路学报，2013，25（5）：15-20.3 李志勇，陈晓斌，凌建明，等.重载交通路基结构动应力测试与分布规律分析J.公路工程，2021，46（10）：1-9.4 耿大新，杨泽晨，王宁，等.交通动荷载引起的公路路基应力响应试验研究J.公路，2021，66（12）：1-7.5 商拥辉，徐林荣，王敏，等.低路堤路基动力特性及长期性能技术措施研究J.公路交通科技，2018，35（2）：33-40.6 杨晓华，万琪，刘大鹏.新疆砾石土低路堤动力特性 7 J.交通运输工程学报，2019，19（3）：1-9.LIU D P，WANG J，DU F.Study on the dynamicresponse ofgravel soil low embankment under a 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