降雨入渗及交通荷载耦合作用下对粉土路基的影响分析

耿大新，孟 成，王 俊，杨泽晨

(华东交通大学 土木建筑学院，江西 南昌 330013)

0 引 言

随着我国基础建设的不断发展，高速公路的数量与日俱增。以2018年为例，我国在新增高速公路里程达5 000 km。然而道路的各种病害也随之增加，其中病害形式多以坑塘及车辙呈现。而内在成因多数由降雨及循环交通荷载的作用下造成路基的承载能力减弱导致。胡欣[1]建立了不同降雨强度、不同地下水位及降雨方式下的固原黄土路基的水分渗透数值模型对湿陷性黄土路基的水分场及变形进行研究；T.ISHIKAWA等[2]通过三轴试验研究了不同饱和度下侵蚀道砟剪切强度的变化，研究表明，对于同一材料，随着饱和度增大土体剪切强度降低，降低的幅度跟土体种类有关；董超[3]通过室内模型试验分析水分的迁移规律，并在此基础上对非饱和土路基水分改变后对路基的力学性状的影响进行了分析；郑水明等[4]对谷竹高速公路27标段路基进行了竖向动应力响应试验，研究了路基在不同轴重和不同车速的交通荷载下的动响应问题；大量的学者或先或后采用数值软件对交通荷载作用下路基的变形沉降进行了分析[5-8]；商拥辉等[9]依托浙江省某低路堤高速公路为工程背景，进行了现场试验，对高速公路交通荷载与降雨环境耦合作用下低路堤复杂的动力特性进行了研究；谭琴[10]通过轴向应力破坏试验与累积塑形应变试验,研究了循环交通荷载对路基的影响。以上学者对交通荷载以及降雨对路基的动力响应以及沉降变形等方向做了大量研究，但是多数只对宏观力学层面对两种影响因素进行了单独分析，也缺乏引起宏观力学性能产生变化的细观因素的分析。笔者采用模型试验的方法分析降雨入渗及交通荷载耦合作用下对路基的应力状态及沉降变形的影响，并辅以电镜扫描试验从细观层面分析路基应力和沉降变化产生的原因。

1 模型试验

1.1 模型箱设计

模型箱尺寸按1∶3.5的比例设计为120 cm(长)×69 cm(宽)×85 cm(高)，采用5 mm厚角钢焊接而成，四周用15 mm厚钢化玻璃包围，底板采用10 mm厚钢板焊接，如图1。

图1 模型箱Fig. 1 Model box

为方便传感器引线的导出，在靠近边坡一侧用高度为30 cm钢化玻璃包围。在模型箱底预留两个5 cm×5 cm的排水洞口，并在其上制作阻隔泥土的格栅罩，为后期模拟地下水提供硬件支持。模型箱内侧四周涂抹凡士林并铺设聚四氟乙烯薄膜以减小土体和模型箱侧壁的摩擦，同时起到减小边界效应的作用。

1.2 模型试验相似比

该模型对实际的道路结构作等比例缩放，其尺寸比例系数为1∶3.5，其余物理量由量纲分析法确定。

路基结构相对单一，所涉及物理量有容重γ、弹性模量E、泊松比μ、应力σ、位移S。应力及位移的表达式分别为：

σ=f(F,E,μ,l)

(1)

S=f′(F,E,μ,l)

(2)

式中:l为路基尺寸;F为集中力。

对式(1)采用指数分析法，可得到量纲关系如式(3)：

[σ]=f(Fa,Eb,μc,ld)

(3)

量纲分析后得：

(4)

即：

(5)

由式(5)可得判断方程为：

(6)

由式(6)可得相似依据为：

(7)

式中:π1～π3为相似准则;a、b、c、d分别为常数。

由于所用模型实验材料为实际工程材料，所以土体的重度、弹性模量、泊松比等参数不变， 即CE=1、Cμ=1。其中，C为相似常数。

表1 各参数相似比例系数Table 1 Similar proportion coefficients of various parameters

1.3 交通荷载的模拟

试验采用的加载方式为数控伺服动静载试验机加载。加载设备如图2。

图2 加载设备Fig. 2 Loading equipment

交通荷载以黄河JN150两轴六轮整体式货车为荷载的施加主体。假定轮地接触面上的作用压力呈当量圆均匀分布，简化后的轮地接触面积以及压力形式分为单圆荷载和双圆荷载。由于笔者采取的试验方法为模型试验，加载方式为在伺服机激振器的加载器上连接一定规格的橡胶垫，通过伺服机以不同的频率来模拟不同速度的交通荷载，为方便试验文中所有荷载形式均采用单圆接触，如图3。单圆荷载的直径D的计算公式为：

(8)

式中:P为上部荷载;p为胎压；π为圆周率。

图3 双轮组单圆Fig. 3 Single circle diagram of double wheel set

根据调研发现，货车装载货物时通常会将胎压增大以增大拉货能力，实际中常有司机将胎压增大至13个大气压。以假定货车轮胎的触地当量圆直径不变，轴载与胎压的关系遵守式(8)。取轴载为140 kN，胎压为0.977 MPa，可得出单圆的当量圆直径D，轮载各参数见表2。

表2 轮载参数Table 2 Wheel load parameters

隋孝民等[11]提出路基顶部的车辆荷载沿路基深度的传递规律趋向于沿45°(应力扩散角)向下传递。笔者加载面积的方法如图4，通过在激振器的施荷部位制作直径17.7 cm的应力扩散圆的方式施加荷载。

图4 应力扩散Fig. 4 Stress diffusion

刘准[12]在进行现场动应力测试时发现20 t车辆荷载在路面层以下基床表面的动应力约为55 kPa，5 t车辆荷载在路面层以下基床表面的动应力约为7 kPa。采用差分法计算笔者相应的加载大小，相关参数如表3。

表3 荷载形式及大小Table 3 Load form and size

1.4 降雨工况的模拟

当路面结构发生水损破坏时，路面处通常伴有积水状态。通过现场取芯时发现，无水损坏区域取芯密实完整，为不透水结构，而在水损区域取芯发现无法取出完整试样，结构层松散呈透水状态。所以，笔者将降雨入渗简化为雨水既不随着排水设施排除也不受水损坑洞的影响造成雨水汇聚，即降雨表现为雨水直接入渗。

表4 降雨量设计Table 4 Rainfall design

2 试验方案

2.1 试验装置及测量系统

试验用土取自江西省高速公路取土场，模型试验所用传感器为BW-0.1型土压力盒以及自制微型沉降板外接百分表用以测量路基不同位置处土压力及沉降值。纵向上传感器每间隔14.3 cm布置1组，水平向每隔9 cm布置1组。由于模型的路基土体内嵌有套管，且模型箱尺寸较小，套管集中埋设会对路基土体的强度及测量结果造成干扰，因此，在布置不同深度处沉降板时，将各个测点错开布置各个传感器的布置方式，如图5。

图5 传感器布置(单位：cm)Fig. 5 Sensor arrangement

其中，沉降板为尺寸5 cm×5 cm×1 cm的钢板埋入待测区域后接上钢绞线，为防止钢绞线与土体之间的摩擦，在钢绞线外侧套上1根套管，并在套管内部抹上润滑油，进一步减小摩擦。钢绞线与沉降板连接后通过后文所述定制的沉降板导线架将钢绞线引向模型箱侧边，并接上机电百分表，如图6。

2.2 试验步骤

1)基层及土基层填筑：将填土分层铺筑，每层厚度为5 cm，之后用小型激振器对各层填土进行分层夯实。在路基土体填筑完成之后，在路基填土表层铺上5 cm厚的碎石水稳层，压实后再次在其上铺上1层5 cm厚且粒径较小的碎石。为防止加载头对基床表层施加的力分布不均匀，在加载头下部用细砂填充加载区域碎石的孔隙。待土基层、基层铺设完毕，对基层上表层预加载1 t的荷载，对路基结构进一步夯实。

图6 土压力盒及沉降板设置Fig. 6 Earth pressure box and settlement plate setting

2)依据JTGE40—2007《公路土工试验规程》，对填土进行了室内基本物性指标测定。为严格控制模型试验中各层土体质量和压实情况，笔者采用削尖后的PVC管击入土基层中，通过测量管内壁直径与所取土柱的高度及质量换算出土体的压实度。试验中路基填筑与传感器的埋设穿插进行，填筑过程中进行分层摊铺、分层压实，压实时采用小型激振器对路基土体分层振捣并通过在路基土体表面覆盖钢板后MTS加载的方式使得模型试验所用土体满足压实度要求。路基土各基本参数见表5。

表5 土基层主要物理指标Table 5 Main physical indicators of soil base

3)分层埋设压力传感器及沉降板：在路基填土填到制定高度并用激振器振捣密实之后，在加载设备的正下方标记好第1批的传感器的位置，随后在平行于路基横断面的方向确定第2列及第3列的传感器测点位置。土层的填筑与设备布置交替进行。

又三年过去，当她的脚跟上再一次多出一道伤疤，她终于相信这绝不是偶然。她还相信这些伤疤肯定因为秦川。秦川向她隐瞒了太多。

4)施加交通荷载及降雨入渗：按照1.3节、1.4节中所述的方法进行交通荷载的加载和降雨的模拟。其中，在降雨入渗及交通荷载耦合的实验中，当交通荷载加载到2万次约6 h通过洒水器洒水来模拟降雨工况。降雨过程分为3次，每次持续约6 h，每次降雨之间不间断。第1次洒水量为3.17 L，第2次加水至11.09 L，第3次加水至22.18 L，分别模拟小雨、中雨、大雨。

5)数据采集：采用DH5922 N动态信号测试分析系统将BW-0.1型动态土压力盒和位移计与桥盒相连，分别记录路基与基层的动土压力及累计沉降。

3 模型试验结果分析

为便于对各个土层不同深度、水平范围内应力沉降的描述，对每个测点进行编号(图3)。因为实验中发现9号测点上方基本无应力反应，对该测点进行撤除。由于数据量巨大为了方便观察点线图中采用跳点的形式进行标注。

3.1 交通荷载作用下对路基承载性能的变化

图7、图8为交通荷载循环作用10万次过程中，路基中各个测点的应力和沉降的变化情况。由图7可知，在10万次峰值为1.37 kN的循环荷载作用下，路基中各个测点动应力基本维持在 45.54～48.70 kPa之间。2号测点动应力基本维持在19 kPa，除4号测点外，其余测点由于在上层受荷区的边缘，由于受荷不稳定均以维持在0～10 kPa之间。此外，路基各测点的沉降在刚开始有逐渐增大的趋势，且增长速率较快，当在短时间内加荷次数达到6万次时，各测点的沉降值开始逐渐趋向平稳，最后基层上表面的沉降基本稳定在1.75 mm左右。

图7 循环交通荷载作用下路基动应力峰值变化Fig. 7 Peak value change of subgrade dynamic stress under cyclic traffic load

因此，对应实际工况的节假日期间高速公路有大流量的车辆通行，路基结构在短时间内有交通荷载的作用下，路基各层的动应力保持基本稳定，路基没有发生受荷软化现象，路基承载特性良好。

3.2 降雨入渗及交通荷载耦合作用下对路基承载性能的影响

由图9可知，在降雨前即前2万次加载的过程中，路基各测点的动应力峰值基本维持稳定，其中1号测点的动应力峰值为47 kPa，2号测点为18 kPa，3号测点为5.43 kPa。在持续的6 h的小雨过程中，随着水分的入渗，路基各个测点的动应力峰值有着4 h的减小过程，其中基层上表面的地应力较为明显，约4 h之后稳定在44.5 kPa。在随后的中雨及大雨中，1号测点最终稳定的动力幅值约为39 kPa，2号测点约为14 kPa，3号测点动应力约为4.34 kPa。

图10为路基各测点位随交通荷载次数、降雨强度的变化而产生的累计沉降的变化情况。由图10可知，在初始阶段由于压实度等原因沉降的变化较快，但加载到2万次时，由于在小雨的作用下，沉降进一步加快，以1号测点为例，峰值约为1.89 mm，直到小雨停止，沉降有小程度的反弹，稳定在1.75 mm左右。但在随后中雨、大雨的工况中，由于小雨状态的含水率已有进一步的提高，后续的沉降变化有减缓的趋势，最终的沉降值约为2.1 mm。

通过与无降雨状态下路基动应力和沉降随交通荷载作用变化的对比不难发现，在降雨入渗和交通荷载的耦合作用下路基的承载能力有明显的弱化现象。其中，基层上表面的动应力减少约17%，沉降增大20%左右。因此，针对运营道路的管养，保持路面结构层的不透水性尤为重要。

图10 降雨入渗及交通荷载耦合作用下路基沉降的变化Fig. 10 Subgrade settlement change under the coupling action of rainfall infiltration and traffic load

4 细观试验研究

4.1 SEM电镜试验概况

针对在降雨入渗和交通荷载耦合作用下土体的应力减小且沉降增大的现象，从微观角度探究土体宏观力学性能改变的原因，对初始状态路基、循环交通荷载作用下的路基、降雨入渗及交通荷载耦合作用下的路基原状土土样作电镜扫描，如图11。

图11 SEM电镜扫描Fig. 11 SEM scanning

为保证路基土体不受扰动，采用钻芯取样的方式对填筑完成之后洒水固结半月的路基土体、交通荷载及降雨入渗耦合作用中心区域的路基土体、交通荷载及降雨入渗耦合作用边缘区域的土体进行分层取样。将长度为30 cm的PVC管削尖，并在PVC管内部涂抹上凡士林既能使PVC管更容易贯入，也有利于后期将土体脱模取出，之后用铁锤将PVC管向下击入，试验过程中由于击入一定深度之后PVC管便无法深入，将第1根管取出后重新取1根管重复上述步骤对路基的中部及下部土体取样，土样取出之后，使用钢锯将PVC管锯成长度小于2 cm的圆柱，再将土样从管中推出，将土样用小刀加工成厚度小于1 cm的圆饼状，去除土样表面浮土，将试样静置于干燥空气中。

由于SEM电镜扫描对试件要求干燥，在试件测试的前两天将土样放置于干燥箱内烘干，为防止温度过高对土样结构造成扰动及破坏，将烘箱温度设置为40°。由于土体为不导电物质，在试样试验前对其表面进行渡金处理并抽真空。

4.2 电镜扫描结果分析

在150倍的放大倍数图样下用来判断所选区域是否为扰动状态，有裂缝区域应该在下一轮放大中舍弃。

在1 000倍的放大倍数下，可明显观察到土体局部孔隙形态、结构类型及单元体形态，并且在此倍数下，可以观察到土体的接触形式，判断土体骨架接触形式为角-边接触、角-角接触、边-边接触，而不同的接触方式能反映出土样的强度及变形特性。

如图12，在初始状态下，土样的各个结构排列分布均匀，土颗粒多以面面接触、面边接触为主，无明显可见孔隙，各个颗粒组团排列均匀，各颗粒间的黏聚力良好，小颗粒黏结在大颗粒上大颗粒与小颗粒组团形成良好的交叉排布状，在宏观力学上表现出较好的承载性能，应力传递连续，变形较小。

图12 SEM电镜扫描结果Fig. 12 SEM scanning results

由土形成的骨架结构较为稳定，而骨架中集聚体之间的孔隙吸水后孔隙增大。在降雨后且在加载中心区域可观察到大部分的土颗粒呈明显的片状形式分布，片状组团之间有较多的角面、角边接触，且各片状组团排列松散。各颗粒组团之间有明显可见的孔隙结构，说明颗粒组团连接不稳定，在受力状态下角边接触角面接触易发生损坏，能量转换为颗粒之间的重组。宏观力学行为是应力传递不连续，在在同等外力作用下，此种状态的土体有更大的压缩变形，工程上表现为沉降较大。

综上所述，通过电镜扫描探究了在细观状态下土颗粒之间的组团排布和孔隙结构，发现在降雨入渗和交通荷载耦合作用下土颗粒会发生重组，呈不稳定的片状分布。这也证实了模型试验中土体的应力会有一定的衰减，且沉降量增加的原因。

5 结 论

采用模型试验分别分析了路基在循环交通荷载作用下以及在降雨入渗和交通荷载的耦合作用下路基的应力状态及沉降发展情况，从宏观层面上研究了降雨及交通荷载对路基的承载性能的影响。并通过电镜扫描试验对初始状态的路基、循环交通荷载作用下的路基、降雨入渗及交通荷载耦合作用下的路基分别取样扫描，从细观结构层面研究了路基承载性能减弱的原因。研究结论为：

1)路基结构在短时间内通过大量交通荷载时，路基各层的动应力基本稳定，路基没有发生受荷软化现象，路基承载性能表现良好。

2)降雨入渗及交通荷载耦合作用下可以明显弱化路基的承载能力，具体表现为基层上表面的动应力减少约17%，沉降增大约20%。

3)降雨后加载中心区域路基土体细观结构无明显变化，与模型试验中路基动应力基本维持稳定相吻合，即在循环交通荷载的单独作用下，路基的承载性能无明显减弱。

4)在降雨入渗和交通荷载耦合作用下，路基土颗粒呈明显的片状形式分布，片状组团之间有较多的角面、角边接触，且各片状组团排列松散，各颗粒组团之间有明显可见的孔隙结构，与模型试验中路基的动应力减少沉降增大相吻合。