高速公路软土地基的沉降试验探讨

薛玉海

(山西平阳路桥有限公司，山西 临汾 041000)

1 荷载作用下软土层的特点

软土地基受到荷载作用后其变形可以分为两类:一种是受到诸如地震等短期加载，地基发生瞬间变形，此时粘土层可视为不排水状态;另外一种则是受到诸如交通荷载的长期循环荷载作用，此时粘土层可视为部分排水。岩土材料在受到周期荷载后，其强度与变形的性状各不相同，基于荷载条件下多种因素均会对粘性土的变形特性产生影响，比如土的扰动程度及性质、试验方法、加载波形与加载频率、固结围压水平、超固结状态、各向异性性质以及剪应力水平等。本文所提出的高速公路软土地基的沉降特性是基于模拟交通荷载作用的软土变形过程。

2 试验内容与方法

2.1 循环荷载加载波形

为了在试验环境下模拟实际的交通荷载作用，特采用自制循环荷载加载系统产生的矩形波循环荷载，具体参数如下:Psys为所加的循环荷载;P为固结压力;ta为循环荷载作用时间;td为循环荷载间隔时间。具体荷载作用示意图如图1所示。

图1 作用荷载示意图

2.2 循环荷载试验设备

基于单面排水与侧限条件下测量循环荷载作用过程中，可以以常规固结压缩仪为基础进行改造，测量土样压缩变形与土样底部孔压的变化情况。经过改造研制出的固结压缩仪可以对底部孔压进行测量，结合循环荷载的机械加载系统进行试验。整个系统包括三个部分:

首先是循环荷载加压系统，该系统采用杠杆式加压，利用固结仪自身的砝码采用杠杆施加固结应力，并且在加载系统中，加载频率与加卸载时间比可以进行调节，加载波形为矩形冲积荷载。具体而言，循环荷载的施加流程如下:可调速电机通过变速器与调速器，使得电机飞轮频率等于所加载频率;接下来再通过等速螺形突形轮以及滑杆的作用，把圆周运动转换为直线往复运动，接着利用滑轮与传力装置把矩形循环荷载施加至土样中即可。其次为数据采集系统，直接利用计算机可以将位移与孔压等相关数据自动采集起来，最大数据采集量可以达到2 000个。最后一部分为固结仪，本试验采用的是改进了装样室的单杠杆固结仪，可以实现对排水边界条件的有效控制。固结仪底座与环刀部分为一个整体铜柱，中间车空后抛光边壁，底部设孔压孔、排水孔以及加压孔。

2.3 试样制备过程

具体而言，试样制备过程如下:首先把取自于某高速公路上的淤泥质粘土进行风干处理，然后碾碎、过筛;将粉状干土加入适量的水均匀搅拌，制成膏状，土膏静置数日后再将其充分浸水，饱和后把土膏装入固结仪，加护环，需要注意土样要适当的高于固结仪;进行分级加荷，直至达到试验设计荷载，固结稳定后将护环取下，土样削平;最后把土样与固结仪同时放入饱和器中进行抽气饱和，即完成试样的制备。

2.4 试验步骤

具体试验步骤如下:首先把上述过程制备好的试样装入固结仪，然后安装好排水阀、反压管、孔压传感器、位移传感器等设施，打开反压阀排出孔压传感器中的气泡，将其充满水再套上护环，为防止漏水要把护环用橡皮膜箍紧，在护环内加水后试验可浸入水中，保持饱和状态。然后加上固结荷载完成土样的固结，模拟土层受到的上覆有效压力;接下来调节循环荷载系统的加载频率，并对循环荷载的大小进行控制，保证其与设计要求相符;打开数据采集系统与加载系统，即可进行实验;注意将采集数据及时保存下来，试验过程中为了保证加载系统维持特定的工作状态，要对加载系统进行不断调节;最后对试验数据进行整理与分析。

3 试验结果

3.1 循环累计应变与循环次数的关系

由试验结果可知，受到循环荷载应力作用时，循环次数与循环应力越大，循环荷载累积应变就越大，如果加载至土样的循环应力与初始固结应力的比值不大于1，则循环累积应变的变化速率就会慢慢减小，并且随着循环次数的不断增加，循环累积应变会慢慢趋于稳定，而软土的循环累积应变也会慢慢增加。如果是低路堤下的软土地基，车流量与载重汽车的载重量越多，则路基受到荷载作用后所产生的沉降就会越明显。在交通荷载作用下，当荷载时间与荷载次数达到一定程度，软土地基的沉降会逐渐趋于稳定，并且交通次数越多还会在一定程度上增加地基的强度，此时一旦达到可以抵抗交通荷载的强度，就不会继续产生循环累积应变，即可忽略交通荷载对地基沉降的影响。在半对数坐标中循环次数逐渐增加，循环累积应变与循环次数对数的关系即可用线性近似描述出来。当应变εP与循环荷载作用次数N对数呈线性关系，则可用下式表示:

其中，α为循环荷载水平及加载频率相关的参数;b为土体性质相关的参数;N为循环荷载作用次数，N=f×t，因此上式可转化为:

该式两边对时间t求导，设应变速率εP/dt=up，则:

再利用试验中的应变速率将与土性相关的参数b求取出来即可。

3.2 底部孔压随循环次数变化关系

在循环荷载作用初期软土的渗透系数相对较小，排水不畅，循环荷载作用会导致孔压积聚，孔压就会迅速升高。循环次数不断增加，致使孔压积聚达到最高值，孔压慢慢消散，这个过程中沉降会随之发展。一旦循环荷载作用次数达到一定的量，试样底部孔压的最小值就会为负值，试样在孔压变化方面就表现出超固结土的特性。循环次数逐渐增加，则在单个周期内试样底部孔压值的最大值与最小值会处于一个不变的稳定水平，循环次数不再对其产生影响。由上述分析可知，低路堤下软土地基在受到交通荷载作用的初级阶段，地基中的孔压积聚会产生超静孔压，当达到一定时间后，积聚的超静孔压就会慢慢消散，地基在受到交通荷载作用后所产生的压力，慢慢会从加载初期的超静孔压向土骨架上转移;交通荷载作用次数越来越多，直至交通荷载所产生的应力全部转变为地基的有效应力，交通荷载作用导致的孔压就不会积聚。地基在受到交能荷载作用后，这个过程中产生的孔压会在一个正负区间内不断变化，这种变化呈现出相对稳定性，地基沉降慢慢趋于稳定。此外，在循环荷载所产生的应力逐渐转化为土的有效应力后，孔压的最大值就会远远低于加载初期阶段的孔压值，由此可见，软土地基超载可以有效消除交通荷载作用于地基时所产生的附加沉降，并且交通荷载作用下的一部分超静孔压也可以有效的消除。此外，在分析孔压消散数据后可知，基于单个周期内的循环荷载作用下，循环作用的次数不会对试样中产生的最大孔压与最小孔压之间的差值产生影响，即循环作用次数增加，二者之间的差值也不会发生变化。并且在土样应力不断增加的过程中，孔压的最大值会逐渐下降，慢慢趋于一个稳定值，单个周期内的最小孔压值变化情况与其相同。所以可知，软土地基超载可以在一定程度上将循环荷载作用产生的孔压消除，但是单个周期内的孔压变化差值却没有因此而减少。

4 结语

文中对交通荷载作用进行模拟，试验饱和软粘土基于循环荷载作用条件下的变形与孔压变化情况，全面分析循环荷载作用条件下土体的循环累积应变、孔压与循环荷载次数的关系，可以得出如下几点结论:首先，在单个循环周期内，受到循环荷载作用时，软土路基的变形包括弹性应变与塑性应变两种。其次，粘土的应变速率基于循环荷载作用条件下会随着时间的逐渐增加而慢慢减少，可以用线性描述应变速率与时间对数的关系;如果循环荷载之比小于1，土体在受到循环荷载作用时循环次数慢慢增加，土体变形会慢慢处于稳定状态;在受到循环荷载作用时，应变速度与循环应力之比与加载频率成正比关系，即加载频率越大，应变也就越大。再次，在长期循环荷载条件下，所加循环荷载的大小会对软粘土的变形特性产生直接的影响，如果循环荷载与固结压力的比值相对较小，则土体受到循环荷载作用时其变形接近于小荷载比下软土的固结变形特性。最后，当循环荷载作用于软土地基时，加载初期会迅速积聚循环荷载产生的超静孔压，不过当循环次数逐渐增加到一定次数后，孔压会慢慢消散，并在某个稳定的正负区间内维护稳定的孔压变化值。

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