软弱黄土地基路基残余变形的预估方法研究

谢经保

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

0 前言

饱和黄土属于软土，这类路基的原状土一般处于饱和或近饱和状态，呈软塑或流塑状，含水量高，孔隙比大，且具有显著的触变性和较高的压缩性。低路基条件下，修建道路工程以后，在行车荷载的作用下，路基将产生显著的永久残余变形，表现为较大的工后沉降和不均匀沉降，并逐步反映到路面，进而造成路面损坏，影响路面结构的服务水平和使用寿命。

本文通过理论分析与室内试验，系统研究了行车荷载作用下软弱黄土路基残余变形的变化规律，建立了软弱黄土路基残余变形的预估方法，并在实体工程得到了验证，具有重要的理论意义和实用价值。

1 行车荷载作用下软弱黄土路基残余变形的预估方法

1.1 行车荷载作用下软弱黄土路基的应力分布特征

以公路工程典型路基路面结构为研究对象，采用多层弹性体系理论，对标准轴载作用下路基顶面及路基土中的竖向应力的计算分析表明：（1）典型高等级沥青路面结构条件下，标准轴载作用引起的轮组中心处路基顶面竖向应力水平不高，一般在5～8 kPa之间；（2）路基顶面竖向应力影响范围为距轮组中心径向距离的0～4 m，主要分布范围集中在0～1.8 m；（3）路基土中竖向附加应力沿路基深度呈非线性减小，标准轴载作用下路基土中竖向附加应力的影响范围可取5 m，如图1、图2所示。

1.2 室内动三轴试验模拟

图1 路基顶面竖向附加应力横向分布曲线图

图2 路基土中竖向应力分布曲线图

凌建明[2]、周健[3]等研究动荷载作用下软粘土残余变形的动力作用模式，认为行车荷载作用下软粘土路基的残余变形由两部分组成：行车荷载作用下路基残余应变引起的变形，以及残余孔压的消散所产生的固结变形，并基于试验建立了软粘土路基残余变形的预估方法。

为揭示软弱黄土与软粘土路基残余变形的变化规律，该项目采用室内动三轴试验模拟研究行车荷载作用下软弱黄土路基的残余应变和残余孔压作用模式。依托工程底基层为水泥石灰土，可视为不透水层，试验时主要考虑不排水条件下路基土的变形特性。试验仪器采用C.K.C动三轴仪，加载波形采用三角波，加载频率1 Hz。

试验土样为取自山西某高速公路工程现场的重塑土，其主要物理力学指标如表1所列。

表1 路基土物理力学性质参数表

1.3 残余应变预估

残余应变与循环应力比有着密切的关系，循环应力比的定义为：

式中：τd=σd/2，σd为偏应力；cu为土体不排水抗剪强度，根据土体的取样实验确定。

循环应力比分别取0.2、0.38、0.60和0.72，加载频率1 Hz，饱和黄土路基土的残余应变与加载次数的关系如图3所示。

图3 不排水条件下软弱黄土路基土的应变特性曲线图

拟合试验数据，路基土的残余应变与循环应力比和加载次数呈半对数关系，即：

式中：ε——残余应变，%；

a、b——试验待定系数，可由试验数据分析确定；

N——加载次数。

不同循环应力比条件下的ε-N关系式中的a、b试验参数如表2所列。

表2 试验参数 a、b一览表

拟合表2数据，a、b与循环应力比呈现出良好的抛物线关系，通过回归可以得到与循环应力比的关系：

则不排水条件下，不同循环应力比和加载次数时试样的应变可用下式表示：

式中：残余应变ε取0～5%，循环应力比rc取0.20～0.72，当rc小于0.2时，线性内插。

1.4 孔隙水压力变化情况

对依托工程的现场取样的软弱黄土，动三轴试验结果表明，其残余孔隙水压力增长缓慢，可能与软弱黄土属粉质土，渗透系数相对较大有关。

1.5 软弱黄土路基残余变形的预估方法

室内动三轴试验表明，软弱黄土的残余孔压增长缓慢，所引起的路基残余变形量较小，因此，计算路基残余变形总量时，可以不考虑或适当考虑，而是通过对残余应变引起的残余变形修正获得，从而将计算路基的残余变形转化为计算残余应变引起的残余变形，即：

式中：m为修正系数，可取1.0～1.10，或根据试验结果确定；

Sr1为由残余应变引起的残余变形，由下式确定：

式中：εi——第i层土层的应变值，由标定后的式（2）确定；

hi——相应土层的厚度，m。

2 行车荷载作用下软弱黄土路基残余变形预估方法的工程应用

2.1 依托工程残余变形预估

依托工程开放交通2 a后，一个车道的标准轴载作用次数取600万次，利用上述方法预测残余应变引起的残余变形结果如表3所列。

表3 依托工程残余变形Sr1计算表

若取修正系数为1.05，则软弱黄土路基的残余变形则为：

2.2 现场测试与分析

对依托工程进行路基顶面沉降监测，如图4所示，随着荷载的增加和时间的推移，路基沉降量在不断增加，并且开始阶段增加较快，后来渐趋平缓，逐渐稳定于某一沉降值；至观测日，路基残余变形约4 cm，预估结果与实测结果吻合较好。

图4 依托工程路基（路5）沉降历时曲线图

3 结论

本文通过理论研究与室内动三轴试验，揭示了行车荷载作用下软弱黄土路基残余变形的变化规律，建立了路基残余变形的计算理论与预估方法，并在实体工程中得到了验证，取得了良好的工程应用效果，为相关工程提供了理论支持和决策依据，因此，本文的研究成果具有一定的实用性和推广应用价值。

[1]谢经保，等.行车荷载作用下软弱黄土路基的竖向应力特征[J].城市道桥与防洪，2006(3):87-90.

[2]凌建明，等.行车荷载作用下湿软路基残余变形的研究[J].同济大学学报，2002,30(11):1315-1320.

[3]周健，等.动力荷载作用下软粘土的残余变形计算模式[J].岩土力学，1996,17(1):54-60.