上海嘉定地區砂土永久變形的影響因素研究（交通）

                                朱唐亮

              （同濟大學道路與交通工程教育部重點試驗室上海201804）

摘要為了了解影響砂土永久變形的關鍵因素，對上海市嘉定地區的砂土進行了基本物理力學

性能試驗，隨后在萬能材料試驗機上對砂土進行了重復加載動三軸試驗。結果表明，偏應力對塑性變形的影響力最大，含水率次之，壓實度的影響力最小。

關鍵詞  路面工程砂土永久變形偏應力

    隨著高等級公路日益增長的運輸量及運輸重型化，尤其是實行了渠化交通后，車轍已成為瀝青路面最為突出的問題。路面結構在車輛的重復荷載作用下產生的永久（塑性）變形即為車轍，會影響行車的安全性和舒適性，從而進一步導致面層出現開裂。瀝青路面結構的永久變形是由瀝青混合料層、粒料層和土基的永久變形組成。根據美國各州公路工作者協會(AASH())的環道試驗結果可知，車轍總量的32%發生在面層，14%發生在基層，45%發生在底基層，即粒料層變形占總車轍量的59%。

    因此對影響路基土永久變形性能的因素進行研究是十分必要的，對于指導柔性路面設計具有重要的現實意義。本文以上海市嘉定地區附近的砂土為例，通過室內重復加載動三軸試驗對砂土進行永久變形的研究，得到永久變形的發展曲線，并分析各影響因素（應力大小、含水率、壓實度）對永久變形的影響。

1砂土的基本性能試驗

    根據《公路土工試驗規程》(JTG E40 -2007)中的相對密度試驗、顆粒分析試驗、界限

含水率試驗，以及擊實試驗對土樣進行基礎物理、力學相關參數的試驗，試驗結果見表1。

    參照《公路土工試驗規程》進行砂土試件的快速固結試驗，土樣的e-p曲線見圖1，計算后各級壓力下的壓縮模量E_s見表2。

    參照《公路土工試驗規程》進行砂土試件的直剪試驗，土樣的曲線見圖2，分析圖2后得出砂土的粘聚力c為0 k Pa，內摩擦角為9.3⁰。

 參照《公路土工試驗規程》進行砂土試件的CBR試驗，2.54 mm和5.08 mm時對應的CBR

值見表3。

    參照《公路土工試驗規程》進行砂土試件的回彈變形試驗，計算后的回彈模量值見表4。

2砂土的三軸永久變形試驗

    動三軸試驗法是在常規靜三軸試驗的基礎上，由增加軸向激振系統改造而成。萬能材料試驗機（MTS-810）可以由計算機精確控制荷載并能自動采集變形數據，可根據試驗需要自行編制加載程序，通過調整加載波形參數即可實現各種加載模式的組合。試驗采用直徑100 mm、高200mm的圓柱體試件，采用靜壓法成型。

    調查發現我國公路路基在運營過程中的濕化現象非常嚴重，很多路面病害歸根結底是由于路基中的含水率過大引起的。路基土在高含水率狀態下承載能力降低，造成抗車轍能力降低。因此，從偏安全的角度考慮，試驗土樣取最佳含水率的105%，110%，120%。

    根據我國《公路工程技術標準》(JTG B01-2003)規定：在距路基頂面80 cm以上，路基壓實度在94%～96%之間?？紤]到施工時壓實度有可能略低于94%，因此，采用91%和96%2個壓實度。

    對于高速公路結構而言，路基頂面的壓應力很小，據實地測試表明，當軸載達到17.4 k N，距路基頂面30 cm處最大壓應力才為12 k Pa。參照《公路瀝青路面設計規范》(JTGD50 - 2006)中各種材料參數的取值，土基回彈模量取30 M Pa，在標準軸載作用下，通過BISAR計算得到低等級公路的瀝青路面結構路基頂面的壓應力為45kPa。Elliott等采用圍壓0，21，41 k Pa進行三軸試驗，發現圍壓不是影響永久變形的關鍵因素。因此，在本次試驗中，圍壓預定為30 k Pa，偏應力水平初步選3種：30，50，70 k Pa。

    車輛在路面上行駛時，作用于路面上的行車荷載隨時間變化，每個車輪行駛通過時，都可以當作一個荷載脈沖。荷載隨時間的變化函數主要有半正弦函數和三角形函數。目前，美國現有規范中測試土的回彈模量均采用半正弦函數，故參考采用半正弦函數。

    目前有許多學者都采用1 Hz的加載頻率、0.1 s的作用時間和0.9 s的間歇時間進行永久

變形試驗。他們都是依據回彈模量測試規范（如LTPP P46-96和NCHRP 1-28）確定的。但是，新規范NCHRP 1-28A中認為路基在面層結構的下方，由于應力的傳遞需要時間，且路基內部由于運動車輛引起的動應力持續時間較長，取0.2 s比較合適。因此，本次試驗的條件如下：荷載頻率為1Hz，作用時間為0.2 s，間歇時間為0.8 s，作用次數為10 000次。

    根據上述試驗條件分別成型對應的土樣，土樣的序號見表5。

    表5中土樣序號1“91-105 - 30”分別代表91%的壓實度，105%的最佳含水率，30 k Pa的偏應力，其他編號的類似。

    壓實度為91%時的砂土在各種工況下的永久變形曲線見圖3～圖5，壓實度為96%時的圖形比較類似，不再給出。圖中1～9為砂土土樣序號。

由圖3～圖5可見，當壓實度為91%時，偏應力由30 kPa增加到70 kPa，不管在哪種含水率條件下，塑性變形會有明顯的增長；含水率由105%增加到120%時，在高偏應力條件下，塑性變形會有較大的增長；但在低應力條件下，如30，50 kPa時，含水率從105%增加到110%會有一定的增長，但是含水率由110%增加到120%基本沒有什么變化。

    當壓實度為96%時，相同含水率條件下，由于偏應力增加引起的塑性應變的增量要比壓實度為91%時小，塑性應變的總量也較小。但是，含水率從105%增加到120%時，相同偏應力條件下，塑性應變都有相同的趨勢，都是不斷增加的。

    由以上分析可以看到，偏應力對塑性變形的影響力最大，含水率次之，壓實度的影響力最小。

3結語

    通過以上分析可知，偏應力和含水率對塑性變形的影響力較大，因此需嚴格限制重載車輛通行以減小傳遞到路基中的應力來減小路基的永久變形，并且保持路基土處于干燥狀態至關重要。接下去將以此為基礎，進一步分析其他對砂土的永久變形有影響力的因素后，回歸出符合嘉定地區砂土永久變形的經驗公式，從而指導當地道路施工。