管延華，莊培芝，李紅超，趙志欽

（1.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，濟(jì)南250061；2.山東省路基安全工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南250061；3.河南省地礦局第三地質(zhì)勘察院，河南 洛陽(yáng)471023）

黃泛區(qū)受筑路材料限制，常采用粉土作為路基填料。由于粉土具有滲透系數(shù)較大、毛細(xì)作用強(qiáng)烈等特征，所填筑路基易受外界水（地表水入滲、毛細(xì)水上升等）影響，致使路基含水率普遍高于20%，甚至局部區(qū)域達(dá)到飽和狀態(tài)，造成路基支撐強(qiáng)度嚴(yán)重不足，行車(chē)荷載反復(fù)作用下，路基產(chǎn)生過(guò)量的殘余變形，并逐步反映到路面，影響路面結(jié)構(gòu)的使用性能和使用壽命［1－3］。

路基是路面結(jié)構(gòu)的支撐體，車(chē)輪荷載通過(guò)路面結(jié)構(gòu)傳至路基，路基土的應(yīng)力 應(yīng)變特性對(duì)路基路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和剛度有很大影響［4］。研究表明，行車(chē)荷載作用下濕軟路基的殘余累積變形是低路堤路段的主要工程病害，而豎向附加應(yīng)力是引起路基殘余變形的一個(gè)主要原因［5］。隨著道路交通量和載重量的增加，道路病害日益嚴(yán)重。現(xiàn)階段對(duì)于粉土路基受力變形特性的研究主要集中在基本性質(zhì)探討［6－8］和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算分析［9－14］方面，對(duì)其整體工作性狀缺乏研究。因此，有必要對(duì)浸水粉土路基的豎向變形規(guī)律進(jìn)行足尺模型試驗(yàn)研究，為路基設(shè)計(jì)和加固提供依據(jù)。文獻(xiàn)［15］針對(duì)黃泛區(qū)常見(jiàn)低矮粉土路基進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，分析了強(qiáng)度衰減路基的穩(wěn)定特性，但是對(duì)荷載作用下浸水粉土路基的豎向變形機(jī)理缺乏較深入的分析。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)路基材料

模型路基填料采用山東省黃河沖積平原的粉土，土的顆粒組成與物性指標(biāo)見(jiàn)表1、表2。

表2 試驗(yàn)填土的物性指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图氨O(jiān)測(cè)內(nèi)容

根據(jù)路基條狀構(gòu)造特性，在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)槽中填筑高度2.5m、頂面寬度2m、縱向長(zhǎng)度3m、邊坡坡度為1：1.5的半幅粉土路基模型。模型路基底部鋪設(shè)20cm碎石，碎石層與豎向水井聯(lián)通，通過(guò)豎向水井水位的變化，模擬實(shí)際路基地下水位的升降，以實(shí)現(xiàn)模型路基含水量的變化，如圖1所示。

使用百分表和分層沉降儀監(jiān)測(cè)路基頂面和不同深度土體豎向變形；利用土壤水分計(jì)并結(jié)合鉆孔取樣測(cè)量模型路基不同深度土層的含水量；通過(guò)在土體內(nèi)埋設(shè)土壓力盒測(cè)量土體內(nèi)部豎向應(yīng)力分布。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皟x器設(shè)備布設(shè)示意圖

1.3 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)［1］中的研究表明：黃泛區(qū)粉土路基在運(yùn)營(yíng)初期基本處于最佳含水量狀態(tài)；路基長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后，由于降雨和地下毛細(xì)水上升等因素的影響，路基含水量增大，路基強(qiáng)度衰減，并且路基變形增大。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)病害路段的路基含水量測(cè)定，運(yùn)營(yíng)路基含水量通常在20%～30%。據(jù)此試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)針對(duì)3種不同浸水水位的路基進(jìn)行加載試驗(yàn)，測(cè)試、對(duì)比分析其受力、變形特征。

路基模型分12層進(jìn)行填筑，第1層為碎石墊層，厚度為20cm，夯實(shí)整平后鋪一層透水土工布。粉土路基填筑時(shí)嚴(yán)格按照路基設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的壓實(shí)度進(jìn)行質(zhì)量控制。其中：工況1為直接在新建路基上進(jìn)行加載、量測(cè)；工況2在灌水井中保持20cm高的水位，即水位與碎石墊層頂面平齊，然后進(jìn)行加載和數(shù)據(jù)采集；工況3在灌水井中保持50cm高的水位，路基浸水后進(jìn)行加載和數(shù)據(jù)采集。

表3 試驗(yàn)方案

1.4 加載設(shè)計(jì)

基于車(chē)輛荷載通過(guò)路面結(jié)構(gòu)層擴(kuò)散后均勻分布于路基頂面的假定，模型路基頂部加載采用矩形均布荷載形式。為明確標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輛荷載及不同超載交通對(duì)路基豎向變形的影響，模型試驗(yàn)共選取4個(gè)不同荷載等級(jí)依次進(jìn)行單循環(huán)加載；同時(shí)，為增加試驗(yàn)過(guò)程的可控性和可操作性，各控制荷載均按5次進(jìn)行分級(jí)施加，如表4所示。試驗(yàn)采用液壓千斤頂通過(guò)反力架將荷載施加到路基頂部的加載板上，荷載大小采用測(cè)力計(jì)分級(jí)控制。加載板尺寸為2.4m×1.7m。加載裝置如如圖2所示，試驗(yàn)加載分級(jí)情況如表4所示。

圖2 試驗(yàn)加載裝置

表4 試驗(yàn)加載分級(jí)kN

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 路基含水率分布

據(jù)測(cè)試路基內(nèi)部毛細(xì)水上升及含水率分布如圖3所示，其中：工況1，其含水率接近最優(yōu)含水率；工況2，毛細(xì)水上升高度約1.5m，路床區(qū)（0～80cm）含水率變化極小；工況3，路基內(nèi)部含水率均有較大幅度增長(zhǎng)，且底部1m范圍內(nèi)路基基本處于飽和狀態(tài)?？梢?jiàn)浸水路基具有強(qiáng)烈的毛細(xì)水上升現(xiàn)象，且隨浸水水位的提高，路基內(nèi)部含水量增加顯著。

圖3 模型路基內(nèi)部含水率分布圖

2.2 荷載 變形歷程曲線

3種工況分別進(jìn)行4次循環(huán)加載，每次循環(huán)間隔時(shí)間為24h；其中每一循環(huán)分為5級(jí)加載，每級(jí)間隔時(shí)間為30min。每次循環(huán)加載前、每級(jí)荷載加載后及每次循環(huán)卸載后均進(jìn)行測(cè)試讀數(shù)。可得路基頂面豎向變形的荷載歷程曲線如圖4所示。

圖4 路基頂面豎向變形 荷載歷程曲線圖

分析圖4可知，工況1路基的豎向變形以彈性變形為主，塑性變形很小。隨浸水水位的升高，路基內(nèi)部含水量增加，其塑性變形明顯增大。工況2累計(jì)塑性變形是工況1的7倍左右；隨著豎向水井水位的提高，路基的含水量的增大，路基強(qiáng)度進(jìn)一步衰減，工況3在最后一級(jí)荷載作用下，其豎向位移呈不穩(wěn)定增大趨勢(shì)，說(shuō)明路基基本到達(dá)到塑性破壞狀態(tài)。

另外，根據(jù)路基模型3個(gè)工況分級(jí)加卸載豎向位移變形曲線，可得到模型路基總體剛度K的變化。工況1模型路基的總體剛度K1為93，工況2的K2為47，總體剛度為工況1的51%；工況3的K3為36，總體剛度僅為工況1的39%?？梢?jiàn)，隨浸水水位的提高，路基內(nèi)部含水量增加，路基抵抗豎向變形的能力不斷降低。

2.3 各級(jí)荷載作用下路基內(nèi)部應(yīng)力分布

路基承受荷載分為內(nèi)部荷載（自重）和外部荷載（路面結(jié)構(gòu)重及行車(chē)荷載）。路基填筑完成后，自重引起的變形絕大部分已完成，剩余的蠕變變形可忽略不計(jì)，計(jì)算時(shí)只需考慮外部荷載引起的變形［4］。因此，主要對(duì)加載時(shí)路基內(nèi)部的附加應(yīng)力進(jìn)行分析。3種工況各級(jí)荷載作用下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖5所示。

分析圖5可知：3種工況荷載作用下路基內(nèi)部豎向附加應(yīng)力主要集中在0～1.5m范圍內(nèi)，即路床區(qū)最大，路床以外迅速減小，路床區(qū)內(nèi)部附加應(yīng)力是下路堤的2～4倍；隨著荷載的增加，路基內(nèi)部豎向附加應(yīng)力沿深度的增大速率不同，路基上部增大的速率快，下部增大的速率慢；隨浸水水位的提高，路基內(nèi)部含水量越大，路基內(nèi)部附加應(yīng)力曲線與路基0.2倍自重應(yīng)力線偏離越遠(yuǎn)，即荷載對(duì)路基的影響深度越大。

圖5 不同工況下路基內(nèi)部附加應(yīng)力分布圖

2.4 各級(jí)荷載作用下路基分層平均應(yīng)變

道路結(jié)構(gòu)總變形中，路基變形占很大部分，約占70%～95%［4］。路基土的變形包括彈性變形和塑性變形2部分。過(guò)大的塑性變形易導(dǎo)致瀝青路面的不均勻變形和水泥混凝土路面的板塊斷裂。彈性變形過(guò)大易使得瀝青面層和水泥混凝土面板產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂。因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)路基彈、塑性變形的監(jiān)測(cè)、分析。根據(jù)路基頂面百分表測(cè)量得到的總豎向彈、塑性變形及路基內(nèi)部并聯(lián)式埋置的電感式單點(diǎn)沉降計(jì)（型號(hào)YT－>DG－>0105A，分辨率0.01mm）測(cè)量獲得的路基不同深度的各豎向彈、塑性變形，計(jì)算各層土體的豎向彈、塑性位移，并通過(guò)不同深度的各層土體的豎向變形與該土層厚度的比值作為該深度處土層的平均應(yīng)變，據(jù)此整理3種工況路基在荷載作用下的模型路基分層平均彈性應(yīng)變和平均塑性應(yīng)變情況，如圖6、圖7所示。

圖6 不同工況下路基內(nèi)部彈性平均應(yīng)變圖

圖7 不同工況下路基內(nèi)部塑性平均應(yīng)變圖

由圖6可知：3種工況的彈性變形主要集中在路基上部0～1.5m范圍內(nèi)，路基深度1.5m以下，彈性變形均急劇減小。圖7表明：工況1，新建粉土路基各級(jí)荷載作用下上部0～0.5m范圍塑性變形相對(duì)較大；工況2，由于路基浸水和毛細(xì)水作用，路基底部含水量增大，荷載作用下路基下部1.5～2.5m范圍發(fā)生較大的塑性變形，隨浸水水位提高，毛細(xì)水繼續(xù)上升；工況3，路基底部塑性變形范圍自下而上繼續(xù)擴(kuò)大，致使路基下部1.0～2.5m范圍塑性變形較大。可見(jiàn)，路基塑性變形易在飽水區(qū)積聚發(fā)生，該區(qū)域在低附加應(yīng)力水平下亦會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形。

2.5 超載浸水路基的變形特征分析

規(guī)范規(guī)定［16］公路車(chē)輛荷載如圖8所示。假定路面結(jié)構(gòu)層厚度取70cm，取應(yīng)力擴(kuò)散角為45°，根據(jù)試驗(yàn)加載分級(jí)計(jì)算超載情況如表5所示。各級(jí)荷載作用下，模型路基各工況彈性變形和塑性變形的情況如圖9所示。其中彈性變形取各級(jí)荷載卸載后瞬時(shí)回復(fù)的豎向變形，而塑性變形取各級(jí)荷載作用下的總豎向變形減去此級(jí)荷載荷載作用下的彈性變形。

圖8 車(chē)輛荷載圖

表5 計(jì)算模型加載超載情況表

圖9 荷載作用下路基彈／塑性變形曲線

根據(jù)圖9試驗(yàn)結(jié)果可知，試驗(yàn)路基的彈性變形或塑性變形隨浸水水位的提高而增大，說(shuō)明粉土路基具有顯著的水敏感性，粉土路基隨含水量的增大，其強(qiáng)度衰減，致使路基在同級(jí)荷載的作用下，彈塑性變形均增大；同時(shí)，從圖9的荷載變形曲線可以看出，試驗(yàn)加載小于等于標(biāo)準(zhǔn)荷載（140kN）時(shí)，各工況的變形曲線較平緩，隨荷載的增大，彈塑性變形均提高不大，但是，當(dāng)試驗(yàn)加載大于標(biāo)準(zhǔn)荷載（140kN）時(shí)，除工況1新建路基外，其余2工況浸水路基的彈塑性變形均增加顯著，可見(jiàn)，超載對(duì)新建路基的變形影響較小，而對(duì)浸水路基的彈塑性變形影響顯著。

3 結(jié) 論

1）黃泛區(qū)粉土路基具有顯著的毛細(xì)現(xiàn)象和水敏特性。毛細(xì)水上升區(qū)域土體變形模量減小，易產(chǎn)生較大的彈、塑性變形，且變形值隨著路基濕化程度的增加不斷增大；同時(shí)塑性變形易在浸水飽和區(qū)域積聚產(chǎn)生，低附加應(yīng)力水平下亦會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形。

2）黃泛區(qū)粉土路基在良好的施工控制下，具有較好的抗變形能力；但路基浸水后，超載交通作用下，彈塑性變形劇增，因此應(yīng)加強(qiáng)粉土路基的截、排水設(shè)計(jì)，以保證粉土路基的工作性能。

3）荷載作用下路基內(nèi)部附加應(yīng)力主要集中在路床區(qū)，路床以外迅速減小；隨著荷載的增加，路基上部豎向附加應(yīng)力增大的速率快，下部增大的速率慢；隨浸水水位的提高，路基內(nèi)部附加應(yīng)力曲線與路基0.2倍自重應(yīng)力線偏離越遠(yuǎn)，即荷載對(duì)路基的影響深度越大。

4）針對(duì)浸水病害路基的加固處理應(yīng)考慮提高下部浸水區(qū)域的路基強(qiáng)度，克服僅對(duì)受力較大的路床區(qū)進(jìn)行加固處理的片面思路。

［1］宋修廣，張宏博，王松根，等.黃河沖積平原區(qū)粉土路基吸水特性及強(qiáng)度衰減規(guī)律試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32（10）：1594－>1600.Song X G，Zhang H B，Wang S G，et al.Hydrophilic characteristics and strength decay of silt roadbed in Yellow River alluvial plain ［J］.ChinesEJournal of Geotechnical Engineering，2010，32（10）：1594－>1600.

［2］肖軍華，劉建坤，彭麗云，等.黃河沖積粉土的密實(shí)度及含水率對(duì)力學(xué)性質(zhì)影響［J］.巖土力學(xué)，2008，29（2）：409－>414.Xiao J H，Liu J K，Peng L Y，et al.Effects of compactness and water Yellow－>RivEr alluvial silt content on itsmechanical behaviors［J］.Rockand Soilmechanics，2008，29（2）：409－>414.

［3］Chai J C，Miura N.Traffic－>load－>induced permanent deformation of road on soft subsoil［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2002，128（11）：907－>916.

［4］鄧學(xué)鈞.路基路面工程［M］.3版.北京：人民交通出版社，2008.

［5］凌建明，王偉，鄔洪波.行車(chē)荷載作用下濕軟路基殘余變形的研究［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，30（11）：1315－>1320.Ling Jm，Wang W，Wu H B.On residual deformation of saturated clay subgradEunder vehiclEload［J］.Journal of Tongji University：Natural Science，2002，30（11）：1315－>1320.

［6］彭麗云，劉建坤，肖軍華，等.京九線路基壓實(shí)粉土力學(xué)特性的試驗(yàn)［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，31（4）：56－>60.Peng L Y，Liu J K，Xiao J H，et al.Mechanics properties of compacted silt on Beijing－>Kowloon Railway［J］.Journal of Beijing Jiaotong University，2007，31（4）：56－>60.

［7］賈朝霞，朱海波，商慶森，等.黃泛區(qū)粉性土路基基本特性與施工技術(shù)探討［J］.公路交通科技.2008，25（9）：52－>57，62.Jia Z X，Zhu H B，Shang Q S，et al.Study on fundamental characteristics and construction techniques of study soil subgradEin thEYellow River Flood Field［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2008，25（9）：52－>57，62.

［8］朱志鐸，劉松玉，孫海軍.江蘇徐宿地區(qū)粉土的基本特性及加固方法研究［J］.巖土力學(xué)，2004，25（7）：1155－>1158.Zhu Z D，Liu S Y，Sun H J.Study of stabilized silt in Xu－>Su area［J］.Rockand Soilmechanics，2004，25（7）：1155－>1158.

［9］Xiao J H，Liu J K.Research on thEdeformation behaviors of silt subgradEsoil under cyclic loading［J］.China Railway Science，2010，31（1）：1－>8.

［10］商慶森，朱海波，杜紅慶.行車(chē)荷載和填筑高度對(duì)粉性土路堤變形的影響［J］.公路交通科技，2004，21（1）：22－>25.Shang Q S，Zhu H B，Du H Q.Effect of traffic load and fill height on thEsilt embankment's deformation［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2004，21（1）：22－>25.

［11］宋修廣，張瑜洪，張海忠，等.黃泛區(qū)粉土路基強(qiáng)度衰減對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響分析［J］.公路交通科技，2010，27（5）：30－>35.Song X G，Zhang Y H，Zhang H Z，et al.Analysis on pavement structurEperformancEinfluenced by strength degradation of silt subgradEin Yellow River Inundated Area ［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2010，27（5）：30－>35.

［12］朱志鐸，郝建新，趙黎明.交通荷載作用下粉土路基變形特性分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào).2009，5（5）：1013－>1019.Zhu Z D，Hao J X，Zhao Lm.Deformation characteristics of silt subgradEunder traffic loads［J］.ChinesEJournal of Underground SpacEand Engineering，2009，5（5）：1013－>1019.

［13］朱志鐸.粉土路基穩(wěn)定理論與工程應(yīng)用技術(shù)研究［D］.南京：東南大學(xué)，2006.

［14］楊黎.飽和粉土路基的變形特性研究［D］.鄭州：河南工業(yè)大學(xué)，2010.

［15］管延華.強(qiáng)度衰減路基穩(wěn)定性及其路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)研究［D］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2011.

［16］中華人民共和國(guó)交通部.JTG B01—2003公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京，2003.