循环荷载作用下浸水路堤的变形规律试验研究

钟书，曹堂，刘坤伦

（云南建设投资控股集团有限公司国际工程部，云南昆明650000）

1 工程背景

万万高速公路是老挝磨丁口岸至万象高速公路中的万荣至万象段，该高速公路起于万象市，终于万荣市，向北经琅勃拉邦对接中国磨憨口岸，顺接G8511昆明至磨憨高速公路；向南连接老挝—泰国边境的老泰友谊大桥，连接泰国廊开区境内的高速公路，是亚洲昆曼国际大通道的重要构成部分，此高速公路的设计全长达460余公里，其中第一段万象至万荣高速公路的全长为109.1km。

由于万万高速地处热带雨林地区，该高速公路穿行地段高温多雨，年平均气温处于25℃~28℃之间，全年雨季长，年降水量大，可达2000mm以上。万万高速公路南段地处万象平原地带，地势平缓，河道稀疏，排水条件差；此外，万万高速公路与中老铁路并肩而行，当雨季来临的时候，铁路与公路之间会产生大量雍水，尽管公路和铁路均设有排水涵洞，但涵洞间距较远，且两侧地势平缓，排水效果较差。在典型的热带雨林区，高温多雨是其明显的气候特征，导致其高速公路在建设期和运营期存在大量的雨水。水会对土质路基的强度和变形产生重要的影响，是导致路基病害的关键因素，长期浸水的高速公路路基很容易受到水的侵蚀和软化，水的综合影响将危及高速公路路基的安全，常常引发公路路基土体的软化、颗粒流失，并进一步导致路基的翻浆冒泥、整体失稳、边坡垮塌等一系列的病害，对行车安全产生重大危害，甚至会阻断道路交通，造成巨大的经济与安全损失。因此有必要对循环荷载下浸水路堤的变形特征开展试验研究。

2 万万高速公路路基填料物理力学性质试验

为了研究万万高速公路浸水路堤填土的动态应力应变关系，探究其在循环荷载作用下的动态力学特性等，要先进行诸如颗粒比重试验、颗粒分析试验、液塑限试验、击实试验和常规静三轴试验等，确定万万高速公路路堤填土的基本物理力学性质指标。

2.1 颗粒比重试验

采用比重瓶法所需的试验设备主要包括：100mL比重瓶、JA2003N分析天平、蒸馏水、DK-1.5电沙浴等。试验结果如表1所示。

表1 比重（比重瓶）试验结果

2.2 土颗粒分析试验

由于万万高速公路路基填料颗粒粒径大于0.075mm，因此采用筛分试验方法进行其颗粒分析试验。取200g土样，过圆孔筛过筛，将土样倒入以此选好的细筛最上层中，进行筛分，震摇时间为15min。按顺序取下各孔径筛，将留在筛上的土样分别称重量，重量应准确至0.1。试验结果表明粒组情况：巨粒组（>60mm）含量0%；粗粒组（0.075~60mm）含量91.54%，其中砾粒组（2~60mm）含量60.35%，砂粒组（0.075~2mm）含量31.19%；细粒组（<0.075mm）含量8.46%，土的分类及代号：含细粒土砾/GF。

2.3 液塑限试验

本试验的取土位置为万万高速公路K9+300左侧2km的取土坑，取土深度为7.5m，土样制备过0.5mm筛，闷土时间大于18h，试验结果表明土体的液限为32%，塑限为24%，塑性指数为8。

2.4 击实试验

对土的含石率与最大干密度的关系进行试验并归置，可得到试验结果如表2所示。

表2 土含石率与最大干密度的关系

经过土颗粒级配筛分试验，大于5mm的颗粒百分比为33.36%，土样的最大干密度为2.06g/m3，土样的最佳含水率为8.6%。计算出土样的液限为32%，其塑限为24%，塑性指数为8。经计算最大干密度的误差为0.01g/m3<0.03g/m3，最佳含水率的误差为0.7%<2.0%，土体满足作为路基填筑材料的要求。

3 循环荷载下浸水路堤的变形规律试验

3.1 试验仪器与试验方案

本研究的试验仪器采用GDS动三轴仪器，并采用常水头马氏瓶实现三轴试验的自动补水。本次试验共完成了4组42个试样，其中有两组12个试样，另两组各有9个试样；根据已有研究，公路路基频率一般分布在0.1~10Hz，结合万万高速公路的车流量预测以及仪器的最大加载频率限制，本试验选取荷载频率分别为：0.5Hz、1.0Hz、2.0Hz、3.0Hz四种频率进行加载；根据万万高速公路路基高度情况，选择围压为20kPa。试验第一步按照土样的固结压力设定围压值，施加围压完成土样固结；第二步根据预先设定的偏应力qampl分级施加偏应力。为消除土样不同部位含水率的差异、孔隙水压力差异带来的影响，三轴试验的第一级加载均采用缓慢加载的方式，荷载大小f=0.01Hz，确保土样在施加荷载的初始阶段存在的性质差异，荷载的加载方式采用半正弦波进行连续加载。

3.2 试验结果分析

基于室内动三轴土工试验，按照试验方案分级加载，并将试验获得的数据进行采集与处理，基于数据分析结果研究土样的动力湿化变形规律。

（1）轴向应变随振动次数的变化规律。基于研究的需要，针对不同初始含水率的土样，对应不同荷载下的动应力幅值、压实度等参数进行了室内动三轴模拟试验，得到相应的试验数据，在整理分析基础上得到如图1~图3的土样变形规律。

如图1所示，当土样的初始含水率与初始压实度保持一定数值时，随着动应力幅值的增大，土样的轴向应变同步增大，此外随振动次数的增加，图样的应变也同步增大。当土样未浸水时，在相同的动应力幅值时，前500次土样产生的应变值较小，表现为N=100与N=500之间的差距不大；而当土样开始浸水以后，土样产生的应变显著增大，此时N=1000次与N=500次之间应变差突然变大，说明土样在浸水以后产生了显著的应变软化效应。随着振动次数的增加，试验的轴向动应变也随之增大，但增加的幅度逐步缩小。

图1 轴向应变与偏应力数值的关系

如图2所示，土样应变与初始含水量之间的函数关系随振动次数的不同而发生变化。振动次数增加，在初始含水量增加幅度一定的情况下，轴向应变的增加幅度变大；当振动次数不断增加时，在相同振动次数时，三种初始含水率对应的应变值差异不大。说明当土样的初始含水率大于最佳含水率时，初始含水量的变化对轴向应变产生了较大影响，其影响显著大于压实度和动应力幅值变化的作用。

图2 轴向应变与初始含水率的关系

如图3所示，土样的应变与压实度之间存在显著的相关性，试验曲线表明了土样的压实度越大，其应变越小。此外，土样的压实度越大，土体的可压缩性显著降低。原因在于随着土体的压实度增大，土体的孔隙比越小，土样的可压缩性降低。由此可见，要提高路基的水稳性，增加土体的压实度是非常有效的工程措施。

图3 轴向应变与土体压实度的关系

此外，实验数据还表明，土样的应变与振动频率之间存在显著的相关性，振动频率越高，应变的变化幅度随之增大，且随着振动频率的不断增大，应变所产生的变形越大。其原因是车流密度加大以后，土体的疲劳强度逐步降低，车流密度较低时，频率变化对应变的影响较小。

（2）土样的回弹特性研究。根据土样的回弹试验，整理数据后得到如图4~图5所示的滞回曲线。如图4描绘了振动频率0.5Hz、1.0Hz、2.0Hz、3.0Hz时，偏应力—轴向应变滞回曲线。随着振动频率增加，而向右发生偏移，斜率减小，这种现象表明了土样随着振动频率的增加试样发生软化，试样易发生形变，使得滞回圈随着循环荷载以及浸水作用而发生向右偏移；在频率2.0Hz和3.0Hz的滞回圈相对于频率1.0Hz的滞回圈更加远离前者，这表明试样随着振动频率的增大土体的软化速度加快，到一定的频率时，土体开始产生塑性变形。

图4不同振动频率偏应力—轴向应变滞回曲线

图5 描绘了土体的压实度分别为90、93、95时，偏应力—轴向应变滞回曲线。

图5 不同压实度偏应力—轴向应变滞回曲线

如图5所示，图中分别描述了三条滞回曲线，三条曲线分别描述了K=0.9、K=0.93、K=0.95三种情况下的土样变化特征，从图5中可知，当土样的压实度变大时，随着浸水时间变化，土样滞回圈右向倾斜的速率减缓。究其原因，主要体现为土体的压实度越高，土体的孔隙率就越小，此时土体的弹性模量增加，塑性降低，因此土体在水的作用下，软化效应降低。

4 结语

本文对万万高速公路路基填料进行了室内动三轴循环荷载下的动力湿化试验，对试验数据进行了整理分析，得出的结论如下：

（1）土样存在显著浸水软化现象，在相同荷载下，未浸水的土样应变较小，而浸水的土样随着振次的增加其应变快速增大。此外，试验数据还表明，当振动次数保持不变时，土体的偏应力越大，土样的应变也同步随之增大。而当土体大含水率小于最佳含水率时，初始含水率越大，压实度增加对土体变形的影响同步降低。在振次与偏应力的组合作用下，振动的频率增加，土样的应变也增大，说明随着交通荷载和交通量的增加，土体的应变软化变得更显著。由此可知，提高土体的压实度是增加路基水稳性的有效措施，而随着道路交通量的不断增加，路基在降雨作用下失稳的概率也会增大。

（2）试验数据表明，振动次数越多，土体的滞回圈会发生显著的右向偏移，斜率也随之同步减小，说明土体在交通荷载作用下具有显著应变软化效应。此外土体浸水以后会加剧土样的软化效应；而增加土体的压实度可以减缓土体的软化作用。由此可见，交通荷载和水的综合作用会降低土体的强度，而增加土体的压实度可显著提高路基的整体稳定性。