低路堤在车辆荷载作用下响应的模型试验

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摘要：通过模型试验研究了低路堤在车辆荷载作用下的应力和应变，分析得出：应力随着深度的增加而非线性衰减，随荷载的增加近似线性增加；路基范围内的应变随着深度的增加而减小，地基范围内的应变也随着深度的增加而减小。考虑了3种不同的地基状态，得出结论：地基含水率越大，车辆荷载作用下低路堤各深度处的应力越小；路基范围内各结构层的应变越小，地基范围内各结构层的应变越大。

关键词：低路堤；车辆荷载；模型试验；应力

中图分类号：U416.1文献标志码：B

Modelbased Testing of Response of Low Embankment Under Vehicle Load

LIU Dapeng1，2， YANG Xiaohua1， WANG Jing2

（1. School of Highway， Changan University， Xian 710064， Shaanxi， China； 2. School of Construction

Management， Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology， Xuzhou 221116， Jiangsu， China）

Abstract： In order to study the response of low embankment under vehicle load， modelbased testing was adopted， and the following conclusion was made： the stress of low embankment under vehicle load attenuates nonlinearly when going deeper， whereas it increases linearly following the increase of load； strain within the subgrade and the foundation diminishes when depth increases. Another conclusion was drawn， stating that the stress of low embankment under vehicle load is lower when water in the foundation is richer； strain within the subgrade drops， while it increases within the foundation.

Key words： low embankment； vehicle load； modelbased testing； stress

0引言

低路堤指的是填土高度小于路基工作区深度的路堤。由于其填筑高度小，所需的路基填料以及占用的土地均较少，可节约宝贵的土地资源，且易与自然景观融为一体，对自然生态环境影响小，是一种资源节约型和环境友好型路堤，是中国公路建设未来发展的一个重要方向。由于低路堤的一部分地基位于路基工作区范围内，加之人们对低路堤在车辆荷载作用下的工程特性缺乏了解，导致在设计过程中所选取的参数不准确，使路基易出现早期破坏现象，产生较大的沉降且引起路面开裂，降低了道路的服务水平。因此，为了更好地使低路堤得到推广应用，首先需要明确低路堤在车辆荷载作用下的响应。

对于路基在车辆荷载作用下的响应问题，国内外学者从理论分析、数值模拟、模型试验和现场实测等方面进行了较多的研究[12]。汤连生等基于传递矩阵的方法建立交通荷载作用下路基土应力分析模型，得到了路基土不同深度处动静应力的变化规律，并探讨了相关因素对动静应力的影响[3]。牛玺荣等基于布辛奈斯克理论分别计算了不同应力扩散角时集中轮载和分布轮载作用下路基不同深度和基底的应力[4]。卢正等采用Fourier变换技术，将路面看作3层体系，分别计算了不同工况时的路基动应力[5]。数值模拟方面，陈剑等采用有限元软件建立了路基三维分析模型，计算了路基土在不同类型交通荷载作用下的响应，得出了交通荷载对路基土的影响范围[6]。刘大鹏等基于新疆绿洲荒漠地区的路面结构，建立了三维模型，分析了不同条件下路基不同深度处的应力，并计算了路基工作区的深度[7]。邹静蓉等采用3种不同的路基材料，进行了室内大比例尺模型试验，分析了不同加载大小、加载次数和加载频率时，动应力、应变和累积塑性变形的变化规律[8]。王t等测试了轴重不同和车速不同的重载交通在不同车道行驶时路基不同深度处的动应力[9]。石峰等现场实测了重载交通荷载作用下季节性冻土地区路基不同深度处的动应力，并分析了轴重和车速对动应力的影响规律[10]。

对于低路堤在车辆荷载作用下的响应问题，目前的研究还较少，本文通过1∶1模型，试验研究低路堤在车辆荷载作用下的应力和应变问题，分析地基湿度状况对应力和应变的影响规律。

1试验

1.1模型尺寸

中国现行道路设计规范采用的标准轴载为BZZ100，即双轮组单轴轴重为100 kN，一侧轮重为50 kN，轮距为1.8 m。考虑到模型造价和车辆荷载的传递情况，本次试验计算得到1个车轮荷载的扩散范围，依据该值并考虑富余量，按照1∶1的比例，设计了模型箱尺寸，具体尺寸为：长3 m，宽15 m，高15 m。

在模型箱内填筑地基和路基，厚度分别为70 cm和80 cm，基层厚度为40 cm，面层厚度为12 cm，基层和面层放置在模型箱的顶部。

1.2试验材料

面层采用AC16沥青混凝土，基层采用水泥稳定碎石，其中水泥含量为4%～6%。路基采用新疆绿洲荒漠地区的砾类土，地基采用西安黄土和风积沙的混合料，风积沙与黄土的质量比为5∶1。

1.3测试仪器

应变采用电阻式应变传感器进行测试，应力采用BY1型电阻式土压力传感器进行测试，2种传感器的精度均满足规范要求，土压力传感器和应变传感器的布置如图1所示。应力和应变数据采用SYNERGY数据采集仪采集。

1.4试验方案

在使用寿命期间地基的含水率经常发生变化，本试验考虑了3种状况：压实状态地基，含水率为18%；非饱和状态地基，含水率为23%；饱和状态地基，含水率为28%。标准轴载的一侧轮重为50 kN，同时考虑到超载情况，分别采用50、55、60、65、70 kN的荷载进行加载，加载设备采用长安大学车辆NVH实验室的通道伺服试验机，通过圆形加载板进行加载，加载板直径为302 mm，具体的试验方案如表1所示。

2试验结果

2.1应力

地基含水率分别为18%、23%和28%时，各深度的应力随深度的变化曲线如图2所示，各深度处的应力随荷载大小的变化曲线如图3所示。不同荷载作用下应力变化范围如表2所示。

从图2、3和表2可以看出：地基含水率不同时，低路堤不同深度处的应力均随着深度的增加非线性减小；随着静载的增加，各深度处的应力近似线性增加；当荷载分别为50、55、60、65、70 kN，同一深度处的应力比为1∶1.1∶1.2∶1.3∶1.4。

2.2应变

地基含水率分别为18%、23%和28%，静载大小分别为50、55、60、65、70 kN时，应变随深度的变化曲线如图4所示，应变随静载的变化曲线如图5所示。从图4、5可以看出，地基含水率和静载大小一定时，路基范围内各结构层的应变均随深度的增加而减小，地基范围内各结构层的应变也随深度的增加而减小，各结构层的应变均随静载的增加非线性增加。

3地基含水率对应力和应变的影响

当地基状态发生变化，在车辆荷载作用下各深度的应力和应变也会相应地发生变化。图6是当静载为50 kN，地基含水率为18%、23%和28%时，各深度处的应力与深度的关系对比曲线。从图6可以看出，深度一定时，地基含水率越大，各深度的应力越小，地基含水率为18%、23%和28%时的应力大小关系为σ18%>σ23%>σ28%；路基顶面处的应力比为1∶095∶086；地基顶面处的应力比为1∶084∶071。

当荷载一定、地基含水率不同时，各结构层的应变也不同。图7是静载为50 kN，地基含水率为18%、23%和28%时，各结构层的应变与深度的关系对比曲线。从图7可以看出，当地基含水率为18%时，路基各结构层的应变最大，地基各结构层的应变最小；地基含水率为28%时，路基各结构层的应变最小，而地基各结构层的应变最大；当地基含水率为23%时，路基和地基各结构层的应变均位于前两者的应变之间。这说明地基含水率越大，路基范围内各结构层的应变越小，地基范围内各结构层的应变越大。

4低路堤应力计算模型

从图3可以看出，当地基含水率和荷载大小一定时，各深度处的应力随着深度的增加呈非线性衰减。应力值可以通过路基顶面的应力和衰减系数求得，如式（1）所示，衰减系数η可以通过式（2）求解。

σz=η σ0（1）

η=ξ z

SymbolProp BTfAp （2）

式中：σz为深度z处的应力；σ0为路基顶面处的应力，z为距路基顶面的距离；ξ、

SymbolProp BTfAp 为系数，可通过试验结果求得。静载为50 kN，地基含水率分别为18%、23%和28%时，ξ、

SymbolProp BTfAp 及决定系数（R2）的值如表3所示。

从表3中可以看出，决定系数（R2）均大于097，说明可以采用式（2）求解荷载作用下砾类土低路堤的应力衰减系数η；测得低路堤路基顶面处的应力后，就可以采用式（1）、（2）求解任意深度处的应力。

5结语

（1）在车辆荷载作用下，低路堤各深度处的应力随着深度的增加非线性衰减，随着荷载的增加，各深度处的应力近似呈线性增加。

（2）在车辆荷载作用下，低路堤路基范围内各结构层的应变随着深度的增加而减小，地基范围内各结构层的应变也随着深度的增加而减小。随着车辆荷载的增加，应变非线性增加。

（3）地基含水率越大，车辆荷载作用下低路堤各深度处的应力越小，路基范围内各结构层的应变越小，地基范围内各结构层的应变越大。

（4）路基各深度处的应力可以通过路基顶面的应力和衰减系数求得。

参考文献：

[1]刘大鹏.车辆荷载作用下风积沙和砾类土低路堤工程特性研究[D].西安：长安大学，2015.

[2]贺冠军.交通荷载对低路堤下软土地基沉降影响的室内试验与研究[D].南京：河海大学，2005.

[3]汤连生，林沛元，吴科，等.交通荷载下路基土中动应力响应特征分析[J].岩土工程学报，2011，33（11）：17451749.

[4]牛玺荣，韩萍，张晓燕.车轮荷载下路基和基底竖向应力计算[J].长安大学学报：自然科学版，2011，31（1）：2630.

[5]卢正，王长柏，付建军，等.交通荷载作用下公路路基工作区深度研究[J].岩土力学，2013，34（2）：316322.

[6]陈剑，苏跃宏.交通荷载作用下公路路基动力特性的数值模拟研究[J].公路交通科技，2011，28（5）：4448.

[7]刘大鹏，杨晓华，陈星宇.绿洲荒漠区路基工作区深度计算及影响因素分析[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2014，37（8）：957961.

[8]邹静蓉，李志勇，曹新文.全风化花岗岩路基路面结构动力特性模型试验研究[J].公路交通科技，2007，24（4）：5862.

[9]王t，张家生，杨果岳，等.重载作用下公路路基及基层动应力测试研究[J].振动与冲击，2007，26（6）：169173.

[10]石峰，刘建坤，房建宏，等.季节性冻土地区公路路基动应力测试[J].中国公路学报，2013，25（5）：1520.