戈壁地区不同土质下的路基强度变化规律与数值仿真

年 迪,杨三强

(1.新疆农业大学 交通与物流工程学院，乌鲁木齐 830052；2.河北大学 建筑工程学院，河北 保定 071002)

砾石戈壁地区由于降雨少，路基会较长时间处于干燥状态。与戈壁地区相比，绿洲灌区、湖滨平原等地区地表水较多，地下水位较高，部分土壤为粉质土或盐渍土，因此，路基通常处于中湿或潮湿状态。受季节和温度变化、土壤类型等因素影响，盆地边缘公路易发生水毁、冻胀、翻浆等病害，盆地腹部公路易发生沙埋、风蚀等病害[1-3]。

国外研究人员对不同土质下的路基强度变化进行分析。Zhao等[4]用数值分析描述了饱和多孔介质耦合流体动力框架与广义塑性模型，检验软土地基的循环加载响应，并通过不排水循环三轴试验进行标定。结果表明，随加载周期的增加，移动荷载对应的应力路径呈现出一系列心形包络线，沿该包络线的偏应力和平均有效应力均逐渐减小。当列车速度接近饱和路基的临界速度时，孔隙水压力的累积和相关的土壤变形会加剧。Niu等[5]提出了一种能够控制土样含盐量和温度，且能动态研究土样变形和弹性模量等力学参数的试验装置，从不同公路工程现场采集样品弹性模量，最后得出在多次干湿循环后，土样的弹性模量减弱，高可溶性盐含量土样的刚度低于相同初始可溶性盐含量土样的刚度。Han等[6]对加拿大7种不同压实路基土的循环模量、静态模量和强度特性进行了试验研究，并考虑压实后的含水率变化，进行了循环三轴试验和无侧限抗压试验，测定土壤的物理性质、化学和矿物学组成及土水特征。Da Silva等[7]评估了应力比效应以及压实含水量变化对路基土永久变形的影响，估算土壤塑性应变模型；对红土砂土进行了三轴反复加载试验，获得了永久变形和安定参数。研究结果表明:在规定的压实含水量范围内，应力比在永久变形中普遍存在；塑性应变率分析表明：压实含水率较应力比对永久变形的影响更大，主要发生在压实含水率范围较宽的情况下。Zhang等[8]采用冻融循环实验，分析盐、水和温度的变化对盐渍土膨胀变形的影响；经过7次冻融沉淀实验，结果表明，含1.5%可溶盐试样的变形量相较含3.0%可溶盐试样的变形量高32%，在降水影响下，高可溶性盐含量并不一定促进膨胀粗粒硫酸盐土的变形，水、盐和温度具有复杂的耦合效应。

目前，我国许多工程师和学者结合公路工程的交通荷载条件、地质水文特征、长期性能保障措施等开展了路基结构性能设计研究，分别针对路基宏观结构、中观材料参数、微观土水动力学特性等方面做了大量的模拟分析与试验研究[9-16]，并在现行规范中给出了适应中国公路建设条件的土基回弹模量建议值范围[17-18]，但国内对戈壁地区路基土强度的研究并不多见。文中对路基回弹模量的影响因素进行分析，探究随着含水量、应力、压实度的改变，路基土回弹模量的变化规律。

1 戈壁填料路基主要病害类型与特点

以我国准格尔盆地的古尔班通古特沙漠和塔里木盆地的塔克拉玛干沙漠为例，前者年降水量约为100～800 mm，年蒸发量约为1 600 mm以上；后者年降水量约30 mm，年蒸发量超过2 000 mm，属极端干旱地区。荒漠路段调查情况如表1所示。当路堑深度≤1.5 m时，路堑风沙危害表现为背风堑坡的沙沉积和迎风堑坡的风蚀两个方面，路堑越深、堑坡越陡，风沙危害也越大。当路堤高度<1 m时，无论采用怎样的横坡度，当风速超过起沙风后，就会发生风蚀，路基高度越大、边坡度越陡，风蚀就越严重。由于移动沙源较少，所以沙埋影响可以忽略不计，路基高度和风蚀深度的关系总结如图1所示。调查路段出现的病害问题普遍较小，部分路段会产生轻微的路基侧向变形和路基压缩下沉现象，发生的原因可归纳为以下两方面：一方面，路基边坡会在车辆荷载的反复作用下发生变形，向外侧歪斜，路基行车道部分发生凹陷，形成路基侧向变形；另一方面，由于路基施工时压实度不足，在行车荷载与路基自重作用下，颗粒空隙被进一步压密，相应密度增加，导致路基产生压缩下沉。

图1 路基高度和风蚀深度的关系

2 戈壁填料分布特征与物理力学参数

2.1 戈壁填料分布特征

我国各类型沙漠面积分别为：流动型为44.74万km2；半流动型为10.58万km2；固定型为10.3万km2。第四系松散堆积物的各种土类分布在我国塔里木和准格尔两大盆地及山间盆地。戈壁天然砂砾石主要为巨粒土和粗粒土，大部分分布在盆地边缘，细粒土主要分布在绿洲和沙漠,风积沙广泛分布在盆地腹部[19-20]。

在我国戈壁地区公路建设中，以塔克拉玛干沙漠和古尔班通古特沙漠公路为例：天然砂砾土主要分布在准噶尔和塔里木两大盆地边缘；粉质土多分布于山前倾斜平原、河流尾闾湖下部和湖萎缩形成的湖积平原下部以及绿洲平原区；风积沙多形成于塔里木盆地、准噶尔盆地的戈壁沙漠区[21]。部分地区还存在特殊土。

2.2 戈壁填料的物理力学参数

为合理反映我国戈壁地区代表性土质的强度指标，为土基强度划分提供依据，需要对戈壁地区土壤质量进行分析。所选取的代表性土质主要有盐渍土、低液限粉土及天然砂砾(砾石土)3种土质。表2为土质的工程物理特性。

表2 戈壁填料代表性土质工程物理特性

所取土质的物理性质指标试验结果如表3所示。

表3 土质的物理性质指标

3 戈壁料路基强度性能试验与变化规律

3.1 试验材料的基本性质

土的类型不同，其工程性质各异。选取我国轮台、伊犁、哈密和乌拉泊的路基土质进行室内试验，含水量与干密度曲线如图2所示，测得4种土质的基本性质参数如表4所示。为方便，将取自轮台、伊犁、哈密以及乌拉泊的土质进行编号，分别为1#、2#、3#、4#。

图2 4种土质含水量与干密度曲线

表4 典型路基土的性质参数

3.2 试验方案

回弹模量试验考虑了应力状况、含水量和压实度3个影响因素。应力状态的测试水平反映在应力加载顺序上，其余2个因素的试验水平安排如表5所示，每种工况要求3个平行试件。

按照RLT(重复加载三轴试验)方法测试土基回弹模量。所取4种材料的具体模量试验方案如表6所示。

3.3 试验结果与分析

通过对选定的4种土质的回弹模量进行测试，得到路基在含水量和压实度变化下的回弹模量值，形成MR(回弹模量)散点图。

1)1#的模量测试结果如图3所示。从以下4个散点图中可以看出：当围压应力、压实度增加，同时,含水量减少时，回弹模量显著增长；当含水量较低时，偏应力和体应力发生变化，回弹模量的反应并不敏锐；当含水量较高时，伴随偏应力和体应力的增加，回弹模量显著下降。

表5 各材料的两种试验水平安排

表6 回弹模量试验方案

图3 1#回弹模量变化曲线(轮台土质)

2)2#的模量测试结果如图4所示。从以下4个散点图中可以看出：当围压应力、压实度增加时，回弹模量增长，此时随着含水量的增加，压实度对回弹模量的影响逐渐减弱；当含水量达到最佳值时，回弹模量处于最大状态；当含水量较低时，随着偏应力和体应力的增加，回弹模量先呈缓慢减小趋势，随后略有提高或无明显变化；当含水量较高时，随着偏应力和体应力的增加，回弹模量降低。

由图2可以看出，文献[10]的蚁群遗传算法及本文改进的遗传算法收敛于全局最优解的速度均快于基本遗传算法，虽然本文提出的算法在授课数较少时未能比文献[10]的蚁群遗传算法有明显优势，但随着授课数的增加，则有一定程度的改善，且更加稳定。图3中两种改进的算法中个体的适应度值也是明显高于基本遗传算法，本文改进的遗传算法对于文献[10]的蚁群遗传算法略有提高。

3)3#模量的测试结果如图5所示。从2个散点图可以看出：观察曲线的整体趋势可以发现，回弹模量随着围压应力和体应力的增加而显著增大；回弹模量随偏应力的增加呈缓慢增长趋势；回弹模量随含水量的减少而增大。

4)4#的模量测试结果如图6所示。从2个散点图可以看出：随着围压应力和体应力的增加，回弹模量增大；随着偏应力的增加，回弹模量缓慢增大，但处于低应力时，回弹模量的大小呈先略有下降再缓慢增加趋势；随着含水量的增加，回弹模量降低。

对表7试验数据进行分析，可以得到1#、2#、3#、4#土质的含水率与回弹模量的相关关系,算式为

E0=3.543ω2+84.525ω-

259.193，R2=0.894 05

(1)

E0=2.941ω2+81.147ω-

434.313，R2=0.832 37

(2)

图4 2#回弹模量变化曲线(伊梨土质)

图5 3#回弹模量变化曲线(哈密土质)

E0=-1.864ω2+14.239ω-93.579，

R2=0.920 44

(3)

E0=-0.913ω2-5.635ω+145.378，

(4)

从图7可以看出，4种土质的含水率和土基回弹模量具有较好的线性关系，其中低液限粉土随着含水量的增加，土基回弹模量先增加到最大值，然后开始减小；而粉质中液限黏土、低液限粉土、含细粒土砾3种土质的回弹模量随含水率增加而减小。从式(1)-式(4)的拟合度可以发现，二次项回归的效果较好。

表7 土质MR、ω试验数据

图7 含水率与回弹模量的关系曲线

经过试验与分析可知，土壤类型、应力状况、含水量和压实度等对路基模量均有显著影响。就应力状况而言，围压应力对粉质中液限黏土、低液限粉土、级配良好砾石土的回弹模量影响力要高于偏应力，而对含细粒土砾的回弹模量影响力要低于偏应力；就围压应力的敏感度而言，粉质中液限黏土与低液限粉土的敏感度相仿，良好级配砾石土与含细粒土砾相仿，但前两者的敏感度明显小于后两者。

4 结 论

结合室内试验模拟，通过不同土质的类型、湿度状态变化对粒料回弹模量进行影响方面的研究，得到以下结论：

1)粉质中液限黏土、低液限粉土、级配良好砾石土、含细粒土的砾石土4种土的含水率与回弹模量的相关系数R2均大于0.8，拟合程度较好，即二者相关性较好。

2)受环境影响，粉质中液限黏土的含水率达到最佳，当密实度降低5%时，模量衰减幅度超过13%；含水率增大3%、密实度不变时，模量衰减幅度超过50%。

3)低液限粉土作为路基土含水率达到最佳，当密实度降低5%时，模量衰减幅度超过16%；受环境影响含水率增大3%，密实度不变的情况下，模量衰减幅度超过40%。

4)级配良好砾和含细粒土砾作为路基土时，受环境影响路基湿度增大2%，在密实度不变情况下，模量衰减幅度超过15%。

5)新疆粉质土具有砂的部分特性，通过击实试验可发现一旦超过最佳含水量，干密度会急剧下降。

文中试验主要针对戈壁地区不同土质的回弹模量与压实度、含水率、围压应力关系，为进一步完善路基强度变化规律，未来研究中对不同土质土体本身开展深入研究，如在静荷载和循环荷载作用下，对粗粒土的应力变化做具体分析，测试土体的抗变形能力，争取为路基施工中的填料选择提供充足的室内试验经验。