交通荷载作用下土体动力特性研究进展

刘 俊，蔡晶垚，谭健新，黎 滔，刘慧芝

(湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000)

0 前 言

近年来，我国的交通公路基础建设快速发展，截至2019年最新数据，我国公路总里程已达484.65万km、高速公路达14.26万km，居世界第一。但我国人口众多，截至到2020年1月17日，据国家统计局发布数据显示，2019年末，我国大陆总人口140 005万人，比上年末增加467万人，人均道路交通量远远低于美国等发达国家。而交通基础建设是影响区域经济发展的重要因素，经济发展与交通基础建设密不可分，随着对经济发展的要求，也要求建设能够与之相协调的交通系统，同时，在人口密集区域，交通仍旧无法满足城市发展要求，需要建设更多的交通公路来满足城市发展需求，比如北、上、广等这些大城市，交通量密度大，容易限制城市发展，需要对其公路进行改建。综上所述，我国有较高的交通建设量和需求量。

但在交通基础建筑物使用期间，由于受交通荷载等主要因素的影响，桥梁基础、路基、挡土墙和建筑地基等基础设施的沉降和失稳已成为严重的工程安全隐患。所以，研究影响交通建设和运营中遇到的这些科学问题是十分有必要的。在我国的交通建设和运营中有着许多难以解决的技术问题，其中交通荷载引起的路基长期沉降问题仍然是一个十分棘手的技术难题。2019年我国沪昆高速公路邵阳黄桥至洞口段由东往西行车道路面沉降严重，大概有7处之多，特别是大水往洞口方向一公里左右有一处沉降达15 cm的深度，严重影响行车安全。此外，2015年京昆高速新九段(K2428+700m攀枝花金江-西昌方向)发生路面沉降，目前沉降路基还在继续扩大，下沉路面高达1.5 m，长约50 m。这些重大安全工程隐患都跟复杂的地基土在交通荷载作用下所呈现的复杂动力特性有直接关系。地基土在施工后长期处于交通荷载作用，而汽车等交通工具所产生的复杂的荷载形式使得地基土表现出不同的动力响应，逐渐产生较大沉降，甚至使地基土崩解破坏，地基土沉降与土体在交通荷载作用下的动力特性密切相关，所以越来越多的学者开始重视交通荷载作用所引起地基土动力特性方面的问题。

图1为高速公路路基工后路基沉降事故图。

1 国内外研究进展

1.1 交通荷载作用下土体的动力本构关系模型研究进展

交通荷载是一种复杂的动荷载，既不同于静荷载，又有别于地震荷载和波浪荷载，具有作用时间长、低频等特点。且交通荷载作用下土体(尤其是软弱土)的动力学行为与其他动荷载作用下的动力学行为有明显的区别，因此，对交通荷载作用下土体的动力学行为及其动本构关系模型研究是十分有必要的。许多的学者也对交通荷载作用下的动本构关系模型做了很多的研究，例如，王峻等[1]通过对不同粉煤灰掺入量时黄土动本构关系的研究，提出了其动本构关系的双曲线模型，并发现了粉煤灰掺入量是模型参数的影响因素。王婧等[2]通过利用动三轴对新疆绿洲-荒漠区的砾类土进行了实验研究，得到了其在交通循环荷载作用下的动本构关系，并研究了不同工况时砾类土的动本构关系，发现可以采用R.L.Kondner双曲线模型对砾类土的动本构关系进行描述，并得出了不同工况时模型参数。王睢[3]建立了考虑主应力轴旋转的重塑黄土的三维各向异性强度准则，基于此准则建立了考虑主应力轴旋转的各向异性本构关系模型，实现了交通荷载作用下的心形应力路径，分别探讨了含水量、循环正应力和循环剪应力对重塑黄土的累积效应影响规律。Lourenço等[4]研究了循环荷载作用下土的动力特性，提出了两种超弹性的本构模型，描述了循环作用下土的动力响应，并利用了有限元的方法进行了相关研究。现有的本构关系模型理论基本都是以连续介质力学为基础，许多本构关系都是基于此理论对其展开研究，而实际上由于土体是多相介质体，且土体具有不均匀性和各向异性，使得利用本构模型计算的理论值与实际工程的实测值存在一些差别。更高精度要求的理论应用，需要学者们进一步深入研究。

1.2 交通荷载作用下路基沉降计算方法研究进展

路基等地基土在施工期基本能保持稳定，而在工后运营阶段的地基土的沉降又会明显增加，给交通安全带来严重隐患，所以交通荷载作用下土体沉降计算一直是学者们所关心的核心科学问题，许多的学者对此进行了大量的研究，为预测工后地基土沉降提供了有效的方法。大多数的方法是基于弹塑性、粘弹塑性等模型，并综合了土动力学、有限元、数值方法等理论和实验结果建立了适用的模型，从而提出了适用其模型的沉降计算方法，例如，魏星等[5]考虑了交通荷载移动速度的影响，并利用数值积分算法计算了交通荷载引起的地基土附加动应力,并分析了移动荷载下地基中应力路径与荷载移动速度的关系,同时给出了便于工程应用的放大系数的实用图表和建立了一个适用于循环心形应力路径的饱和软土残余变形的经验模型，提出的残余变形经验公式。

(1)

式中，εq,r为竖向残余应变；a、b为材料参数；Kq、Kτ为表征动应力影响因子；Kα、Kσ为表征静应力影响因子。

在利用分层总和法计算地表沉降值时，这是一种交通荷载作用下路基沉降实用算法。

张幸幸等[6]利用了建模方法，结合一些学者开展的长周次振动三轴试验的成果，针对长期不规则交通荷载作用下路基沉降的问题，尝试提出了一种“等价粘弹塑性模型”，采用了 Ramberg-Osgood[7]的动剪切模量公式(2)、(3)和 Hardin-Drnevich[8]阻尼比公式(4)：

(2)

(3)

(4)

式中，G0为初始剪切模量；γd为动剪应变大小；A、B和γ0为模型参数；一般无黏性土的λmax通常在 10～20。

张幸幸等[6]通过以上的理论公式和振动三轴试验结果，提出了估算长期交通荷载作用下的路基沉降残余应变的经验公式(5)：

(5)

式中，pc为静球应力大小；kr、c1、c2和N0为模型参数；pa为标准大气压强；ηd为动应力幅值；Ne为等效荷载作用次数；N0为一个便于数据拟合和计算引入的基准值。

刘维正等[9]模拟与分析了天然软土循环三轴实验结果，并证明了根据人工结构性土建立的稳定型和破坏型累积应变预测模型的有效性，也研究了应力灵敏度与临界动应力的关系，从而建立了适用的预测模型。然后，利用了有限元数值方法研究了考虑动荷载速率效应的动应力空间分布，结合累积应变经验模型与分层总和法，提出了交通荷载作业下结构性软土地基长期沉降的实用计算方法，并利用工程实例验证了其计算方法的实用性(见图2)。

图2 实例中交通荷载作用下黏土的累计应变曲线[9]

但总的来看，以上研究都是利用了经验公式和方法，考虑交通荷载产生的影响因素，建立实用的计算模型，提出了适用于对应模型的累积沉降计算方法。现有的研究中，也同样存在着理论与实际上的缺陷，从理论缺陷上来解决其交通荷载作用下累积沉降的研究很少，现有的计算公式通常都是基于大量的实验，研究其应力与应变的关系，再对已有的经验公式进行修改，而本身实验就存在不可控的误差，比如，交通荷载的模拟加载形式上的缺陷或其他误差。与此同时，现有的研究中对于交通荷载引起的超长循环周次的加卸载作用下土体的变形，尚没有很好的方法进行描述，这类实验的精度问题和计算方法研究也较少。

1.3 交通荷载作用下土体动力特性的室内实验研究进展

与现场实验不同，室内实验具有便捷性，性价比高等特点，其实验结果在一定程度上具有参考意义，所以室内实验的研究也是十分常用且有效的研究方法。国内外关于交通荷载作用下土体动力特性方面的室内实验研究有许多，比如,崔宏环等[10]针对张家口地区冲积扇粉质黏土，通过利用动力学三轴试验、有限元理论和敏感性数据分析方法，量化分析了引起路基在交通荷载作用下发生沉降的各因素。崔兵等[11]通过利用自主研制的大型交通荷载动力模型槽设备，研究了软黏土地基在交通荷载作用下动土压力和孔隙水压力的规律，从而发现了低路堤软黏土地基在交通荷载作用下的动力特性发展规律。王瑞等[12]利用了室内动三轴试验，研究了静偏应力对压实黄土动应力-应变关系的影响规律和动模量随加载振次的变化规律。熊焕等[13]研究交通荷载应力路径下地基土单元排水变形特性,利用动态空心圆柱仪对K0固结下饱和砂土进行了一系列“苹果型”动力循环应力路径以及普通动力循环应力路径试验。综合大量学者所做的研究分析，室内研究实验研究成果十分丰富，大部分的实验都是取材于某处的地基土，通过利用了动三轴、数值分析等手段开展系列研究，从一定程度上反映了交通荷载对所处的地基土产生的动力特性，具有一定的工程应用参考价值。随着室内实验研究的深入，对于交通荷载作用下加筋地基土的研究也成为了研究趋势。由于其加筋条件和加载方式的影响，加筋地基土对交通荷载所反映出的动力特性也会发生变化，很多学者已经做了许多研究。但结合广泛存在的地区性路基土的研究并不很完善，其中交通荷载作用下橡胶加筋土的动力特性实验研究就是一个例子，加载方式、加橡胶方式和橡胶尺寸效应等变量因素也会使橡胶混合土产生不同的动力特性[14-15]。特别对于在我国广泛分布的红砂岩，橡胶加筋红砂岩土的研究更为缺少。

2 结 语

1)连续介质力学理论是大多数本构模型建立的基础理论，而实际上土体是多相介质体，所建立的本构模型与实际土体动力响应并非完全一致，但也有部分研究通过有限元模拟和数值模型验证提高所建立本构模型的精度。

2)路基沉降计算经验公式能避免建立本构模型的缺陷，现有的沉降计算公式通常是基于大量的实验，研究其应力与应变的关系，再建立适用的计算公式或对已有的经验公式进行改进，但实验本身就存在不可控的误差，比如，交通荷载的模拟加载形式上的缺陷等其他误差，关于交通荷载作用的加载方式也是尚值得进一步系统地研究，提高实验的精度。与此同时，现有的研究中对于交通荷载引起、超长循环周次的加卸载作用下土体的变形，尚没有很好的方法进行描述，这类实验的精度问题和计算方法研究也较少。

3)室内实验研究成果十分丰富，具有一定的工程应用参考价值。随着室内研究的深入，对于交通荷载作用加筋地基土的研究也成为了一种研究趋势，对此很多学者已经做了许多研究，但结合广泛存在的地区性路基土的研究并不是很完善，特别是关于交通荷载作用下橡胶加筋土(橡胶加筋红砂岩土)的室内实验研究比较缺乏。

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