车辆运行对道路路基填料动力特性影响

郭学军

（韶山市交通运输局，湖南 湘潭 411300）

0 引言

随着经济的快速发展，基建项目也大量建设。公路因其速度快、流量大、载重大等优点，被各国大量新建。然而长期服役于高速重载车辆，导致公路路基出现沉降过大、不均匀沉降、道路开裂等不利影响，严重影响公路的正常服役。因此，车辆荷载对公路路基填料的影响也逐渐成为研究热点之一。

越来越多的科研工作者针对该问题开展了一系列的研究，并取得了丰硕的成果。苏谦等[1]基于试验手段分析了循环荷载作用下高铁路基的变形，且对不同厚度级配碎石基床表层进行探讨。研究表明列车作用产生的动应力是引起路基变形的重要因素之一。卜建清等[2]利用三轴仪器对路基粗粒土进行试验，分析了冻融及细粒含量等因素对填料的力学性质影响。研究显示细粒含量的增多会引起越来越多的细粒包裹粗颗粒表面。宫全美等[3]通过现场实测获得了路基填料动应力波形，以此作为加载波形，利用实验手段对动荷载下路基填料的动力特性开展了研究。傅华等[4]基于以某公路路基填料为试样，对粗颗粒土颗粒破碎进行实验分析，研究了实密度、围压等敏感参数下粗颗粒土颗粒破碎状态。龙尧等[5]通过粗粒土的室内动三轴试验，对循环应力比、围压这两个因素对粗粒土路基的影响规律进行了研究，并依据实验结果提出了考虑路基围压和循环应力比影响的路基累积变形模型。邓国栋等[6]基于大三轴仪器对某公路路基填料开展试验分析，探讨了动应力比、荷载频率、荷载幅值等因素对路基填料动力特性的影响。孙田等[7]对砂砾土的颗粒形状在动力作用下的特性进行了研究，研究表明，圆砾土比角砾土在动力荷载作用下动剪切模量更大。

本文以韶山市核心景区道路工程为背景，基于三轴循环试验仪器，对车辆荷载下红土砾料路基填料进行了三轴循环加载试验。以体应变和轴向累积应变为指标对红土砾料动力特性进行研究。

1 工程背景及试验方案

1.1 工程背景

韶山市核心景区各条公路由于使用均已达10年左右，路面出现了大量的裂纹，其中，韶峰景区公路、滴环线、韶荷线部分路段路面出现了大量的坑槽，严重影响了行车、行人安全。率先富裕，交通先行。而路基填料作为影响公路质量的主要因素之一，有必要对景区公路路基填料开展研究。

1.2 试验材料

试验用料主要采用该公路路基所使用的红土砾料填料，将其制成直径150mm、高度300mm的试件。通过以下步骤制作并安装试件：拌合粗粒料、安装试件模具、放入填料、人工击实、拆除试件模具、安装橡皮膜、试件放入压力室。

1.3 试验方案

本次试验所使用的试验仪器为三轴循环试验仪。该仪器系统主要由激振器、位移传感器、试样围压控制系统，以及试验数据采集及信号调节装置组成，能够满足公路路基填料动力特性试验所需。为了更好地研究不同细粒含量下的该公路填料的动力特性，对该公路路基填料实施分级加载，每级加载的循环次数为10000次。在每级加载中，保持围压σ3不变，只增大路基填料所受到的动偏应力qampl。又由于道路路基填料在服役期间所受到的交通荷载频率在0.1Hz～10Hz之间，加载荷载选择了其中的两个频率（1Hz，3Hz）进行研究，具体试验工况如表1。表中的细粒含量为细颗粒干质量占粗颗粒干质量的百分比。

表1 试验方案表

2 试验结果分析

2.1 体应变发展规律

图1为1Hz荷载频率下的不同细粒含量试样的体应变发展曲线图。图2为3Hz荷载频率下的不同细粒含量试样的体应变发展曲线图。由图1和图2可知，不同荷载频率下，试样的体应变发展规律类似：即保持试样围压不变，试样的体应变随着动偏应力的增大而增大。在动偏应力施加初期，体应变累积速率较大，体应变增长迅速，随着动偏应力循环次数的增大，试样的体应变累积速率不断减小，体应变曲线最后趋于稳定。但随着动偏应力的增加，试样趋于稳定所需的循环次数也增加，在动偏应力为100kPa时，两种荷载频率下的试样在30000次循环作用后，都未达到稳定状态，其体应变仍在继续增大。

细粒含量对于体应变的影响较大，当细粒含量从0%增大到3%时，可以明显看出试样的体应变也相应增大，但当细粒含量从3%增大到6%时，体应变随着细粒含量的增加，其值明显变小，尤其是当荷载加载频率为3Hz时，其6%细粒含量下的试样的体应变大小甚至小于无细粒含量的试样。这主要是由于细粒含量在试样骨架中的作用导致，细粒含量较小的时候，其主要起到润滑作用，减少了粗颗粒之间的摩擦阻力，使得试样更容易被压缩，导致体应变较大，而细粒含量较大时，其填充于粗粒孔隙之中，加强了粗颗粒的骨架支撑，导致不易被压缩，体应变也随之变小。

图3为所有荷载循环加载结束后的细粒含量与试样体应变终值的关系图。由图中可知，试样的体应变随着细粒含量的增加呈现出先增大后减小的现象。在这三种细粒含量下，试样的体应变都在3%时达到最大，当细粒含量为6%时，其体应变显著减小。并且不同荷载频率下，细粒含量对于体应变的影响也不一样。当荷载频率较大时，其体应变受细粒含量影响的程度不同，3Hz时的体应变变化速率明显大于1Hz时的试样体应变变化速率。

2.2 轴向累积应变

图4和图5分别为1Hz和3Hz下的粗粒土试样在各个加载阶段的轴向累积应变发展曲线。从图可知，当动偏应力较小时（20kPa和60kPa），轴向累积应变随加载循环次数的发展曲线都是初期迅速增大，随着荷载循环次数的增加，其累积应变增速减小，直至趋于稳定。而当动偏应力为100kPa时，不同细粒含量以及不同加载频率下的试样的轴向累积应变规律不同。当细粒含量为0%时，100kPa循环荷载下的土样在两种加载频率下的轴向累积变化规律都是先增大，后趋于稳定。但当细粒含量为3%以及6%时，其轴向累积变形都不能趋于稳定，随着荷载循环次数的增大，试样将会发生破坏。

为了更好更直观地体现出各循环应力作用下细粒含量对于试样轴向累积应变的影响，图6给出了所有加载阶段完成后的轴向累积应变值随细粒含量的变化规律图。由图可知，当循环动偏应力为20kPa时，细粒含量的增加会使得试样的累积应变增大，粗粒土的累积应变在3%情况下达到最大，当细粒土含量为6%时，其轴向累积应变变小。当动偏应力为100kPa时，3Hz情况下的6%细粒含量的试样轴向累积应变较小速率明显小于1Hz情况下的减小速率。

3 结语

本文以韶山市核心景区道路工程为背景，基于三轴循环试验仪器，对车辆荷载下红土砾料路基填料进行了三轴循环加载试验。以体应变和轴向累积应变为指标对红土砾料动力特性进行研究。获得以下几个主要结论：

（1）公路上的荷载频率、循环动载值以及路基粗粒填料中的细粒含量对于路基填料的长期服役性能都有较大影响，尤其是当粗粒填料处于高循环动应力以及高频率作用下时，其路基粗粒填料更容易出现孔压累积现象，导致粗粒路基在长期交通荷载作用下不能达到稳定状态，出现破坏。

（2）细粒含量的增加对于粗粒土体应变的影响存在一个最优值。在试验中，3%的细粒含量时，粗粒试样的体应变达到最大，超过3%后，其体应变开始减小。

（3）当动偏应力较小时，轴向累积应变随加载循环次数的发展曲线都是先迅速增大，然后累积应变增速减小，直至趋于稳定。当动偏应力增大一定程度，细粒含量对轴向累积应变的影响不同。