长期荷载下高等级路基累积塑性变形的试验研究

摘 要：为了研究长期荷载下高等级路基累积塑性变形的规律，本文对路基土进行循环加载试验，分析了路基动应力、含水量、压实度对塑性变形的影响以及路基含水量和压实效应。研究结果表明：循环加载次数和动应力增加会导致土体的轴向累积塑性变形和永久变形值逐渐增加，含水率对路基土塑性变形有明显影响，因此应做好路基防水和排水措施。研究结果可以为公路运行安全提供参考。

关键词：长期荷载；塑性变形；含水量；压实度

中图分类号：U 41" 文献标志码：A

随着交通的快速发展，高速公路的建设也日益增加，公路的路基长期受车辆重载的影响，将会导致塑性变形增加，从而加速道路破坏[1-3]。路基的永久变形对路面的性能有重大影响，严重时会导致路基沉陷，引起重大交通事故。为了分析含水量和压实度对路基路面结构的影响，本文对路基土进行循环加载试验，研究了长期荷载下高等级路基累积塑性变形的试验，分析了路基动应力、含水量、压实度对塑性变形的影响以及路基含水量和压实效应。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

土体样品取自某高速公路，土体样品由土壤、沙子和砾石制成，根据《岩土工程试验规范》（GB/T 50123—2019）中的粗粒土分类标准，将原始土样描述为粗粒土。由于试验条件的限制，因此粗粒土体样品中粗颗粒的最大粒径应小于18mm，现场的粗颗粒尺寸较大，室内试验需要限制在试验仪器可接受的土体样品尺寸内。为了保证土体的工程性质，对原始土体样品与试验土体的关系进行了评估，采用最大粒径排除法制备了粗粒土三轴样品，在制备样品的过程中，直接去除了粒径大于18mm的样品颗粒，通过土样的筛选试验、压实试验、回弹模量试验和直剪试验，获得了试验土的物理力学参数，试验土体的参数见表1和表2。

1.2 试验方法

利用公路工程养护技术工程实验室的大型动三轴试验系统对路基土进行了循环加载试验，与仪器的特性一致，制备的样品为圆柱形，直径为100mm，高度为200mm。

压实试验测得的试验土体的最佳含水量为7.0%，一般情况下，路基含水量是路基完工后最佳含水量的1～1.5倍。考虑到雨季降雨频繁，部分雨水通过路堤边坡和路面裂缝渗入路基土体，导致部分路基土体含水量增加。因此，土样含水率分别为7.0%、8.5%和9.6%，分别代表了土样的最佳含水量、路基运营期的含水量和雨季降雨入渗时路基土（路面裂缝）的含水量。

根据《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）规定，在高速公路和公路路面以下0.9m深度范围内，路基压实度不应低于97%。路面以下0.9m～1.6m的深度，路基压实度不应低于95%。为了提高压实的可比性，试验使用了97%和93%的两种压实水平。在本次压实试验中，设置试验的围压为30 kPa。

设置高速公路路基顶面的车辆荷载约为35kPa～65kPa，路基顶部的车辆荷载波形可近似为半正弦脉冲波形。因此，动应力水平被认为是35kPa、50kPa和65kPa，负载波形为半正弦脉冲负载，负载频率为1.2Hz，负载时间为0.25s。

为了模拟车辆荷载对路基土体的长期影响，循环荷载的数量应与实际情况相似，高速公路在道路设计期间，单个三轴车辆的标准轴重达到2.1×104kg。由于试验的限制，无法模拟数百万辆汽车的负载，因此，通常使用超过10000次的加载次数来反映交通负载的长期影响（表3）。

2 研究结果与分析

2.1 动应力对塑性变形的影响

在相同的土样条件和不同的局部应力下，分析了动应力水平对塑性变形的影响。在不同动应力条件下，当水分含量为7.0%时，对P1、P2和P3工况进行了分析，同时在水分含量为9.6%时，对X1、X2和X3工况进行了分析，6种工况下的累积塑性应变曲线，如图1和图2所示。

由图1和图2可知，不同动应力作用下的永久变形曲线符合逐渐增加的基本规律，当动应力在一定范围内时，随着循环加载次数增加，土体的轴向累积变形增加，轴向累积塑性应变率不断降低，导致轴向变形接近极限值，对预加载来说，轴向变形速率更快，前2000个加载循环的累积变形约占总变形的85%。当局部应力为35kPa时，水分含量为9.6%，10000次循环循环加载后，塑性应变为0.08%。在以上条件下，样本较小，当局部应力为50kPa和65kPa时，试样的塑性应变分别为0.12%和0.18%，试验结果表明，随着动应力增加，粗粒土的永久变形值增加，动应力幅值对粗粒土塑性变形有明显影响。

2.2 含水量对塑性变形的影响

为了准确地显示含水量对塑性变形的影响，对不同含水量的土样在相同压实度和局部应力下的塑性变形进行了比较。图3为不同含水量（P1、Q1和X1条件）的土体样品在压实度为97%、局部应力为35kPa时的塑性变形曲线，图4为不同含水量（P2、Q2和X2条件）的土体样品在压实度为97%、局部应力为50kPa时的塑性变形曲线。

图3和图4显示，6组工况的塑性变形随着载荷次数增加而增加，变化趋势基本相同，塑性变形随着试样含水量增加而显著增加。当局部应力为35kPa，含水量为7.0%时，10000个样品的塑性应变为0.08%，当含水量增至8.5%和9.6%时，塑性应变分别增至0.15%和0.19%，当偏应力为50kPa时，含水量增加也导致塑性变形显著增加。试验结果表明，含水率对路基土塑性变形的影响较大，当路基土体含水量增加时，土体的有效应力降低，孔隙水压力增加，土体的承载力降低，从而增加了路基土的塑性变形。不同干湿条件下，路基和土体上的车辆荷载变化较大，应做好防水和排水措施。

2.3 压实度对塑性变形的影响

考虑压实度对塑性变形的影响，对相同含水量和局部应力的土样的塑性变形值进行了比较。图5为含水量为7.0%、局部应力为35kPa的不同压实土样品的塑性变形曲线（P1，Y1），图6为含水量为7.0%、局部应力为50kPa的不同压实土样品的塑性变形曲线（P2，Y2）。

根据图5和图6显示的累积塑性变形曲线，考虑93%和97%的压实度对塑性变形的影响，塑性应变随压实度增加而减少。当动应力为50kPa、压实度为93%的土样，在10000次循环加载后，塑性应变比压实度为97%的土样增加了56.2%，因此压实度对塑性变形的影响较大，压实度越大，土的整体性能越好，抗外部变形能力越强。

2.4 路基含水量及压实效应

设置路基的车道宽度为3.75m，在压实度为97%、轴载为120kN的情况下，路基在不同含水量条件下的动态变形如图7所示。结果表明当含水量从7.0%增至9.6%时，路基顶部的最大动态变形从0.82mm增至2.35mm，增加了1.87倍。

比较不同压实条件下路基的动态变形。结果表明，当压实度从97%降至93%时，路基的最大动载荷从0.82mm增至2.11mm，增加了1.57倍，路基的变形是在一条车道（3.75m）宽的车辆荷载下考虑的，动态变形曲线是对称的，形状大致为“W”，变形的最大值位于车轮正下方，随着与距车轮距离增加，变形量减少，轴向荷载、路基含水量和车辆压实度对路基的动态变形有很大影响，路基的动态变形随轴向荷载和含水量增加而增加，随压实度增加而减少。

3 结论

本文对路基土进行循环加载试验，分析了路基动应力、含水量、压实度对塑性变形的影响以及路基含水量和压实效应，得出以下结论。1）随着循环加载次数增加，土体的轴向累积变形增加，轴向累积塑性应变率不断降低，轴向变形接近极限值，随着动应力增加，粗粒土的永久变形值增加，动应力幅值对粗粒土塑性变形有显著影响。2）在不同动应力条件下，随着载荷次数增加，路基塑性变形随之增加，在不同含水量条件下，含水率对路基土塑性变形有明显影响，当路基含水率增加时，塑性变形随着含水量增加而显著增加，由于在不同干湿条件下路基和土体上的车辆荷载变化较大，因此路基应做好防水和排水措施。3）在不同动应力条件下，塑性变形随压实度增加而减少，压实度越大，土的整体性能越好，抗外部变形能力越强，而路基变形的最大值位于车轮正下方，随着与距车轮距离增加，变形量减少，同时轴向荷载、路基含水量和车辆压实度对路基的动态变形有显著影响，路基的动态变形随轴向荷载和含水量增加而增加，随压实度增加而减少。

参考文献

[1]郭亚红.改良路基土新旧路基差异沉降分析[J].交通世界，2023（23）：67-69，72.

[2]许珊珊.高纬度低海拔深季冻区公路路基含水量分布与变化规律[J].黑龙江交通科技，2023，46（7）：8-10.

[3]刘岳兵.武陵山大道拓宽工程路基的差异沉降及控制技术分析[J].黑龙江交通科技，2023，46（6）：4-7.