（岩土工程专业论文）超载预压控制交通荷载对低路堤工后沉降影响的试验研究.pdf

摘要 摘要 超载预压被广泛应用于软基路堤的加固处理工程，实践证明超载预压是一种 经济有效的软基处理辅助措施。高等级公路要求严格的工后沉降，低路堤是未来 公路建设发展的方向，交通荷载对软基上低路堤工后沉降的影响作用巨大，超载 预压用于软基低路堤的预压处理是常用手段。研究超载预压控制低路堤高速公路 工后沉降问题，探讨超载预压控制交通荷载对低路堤工后沉降影响的有效性，建 立交通荷载下低路堤工后沉降的计算模型，对低路堤公路工程具有重要的指导意 义。 本文在超载预压控制交通荷载对低路堤工后沉降影响的作用方面进行了较 深入的研究。根据交通荷载的作用特点，设计研制了模拟交通荷载长期作用的试 验加荷装置低频率多波形循环荷载控制系统，系统可以实现多波形、应力控制、 变频率、长期循环加荷，并以此进行了超载预压控制交通荷载对软基低路堤工后 沉降影响的模拟试验。分析了高速公路运行期影响低路堤沉降的交通荷载的特 点，确定了模拟试验的动荷载的波形、幅值和频率。根据实验结果分析了超载预压对 交通荷载作用下低路堤变形过程的控制作用，给出了不同频率、不同超载比情况下的地 基软土的孔隙压力和变形的发展规律，说明了超载预压控制交通荷载对软基低路堤 工后沉降影响的作用，建立了超载预压情况下软基低路堤在交通荷载作用下的工 后沉降计算简化模型，根据实际工程进行了模型应用，依据实际观测资料对模型 的可靠性进行了检验。 【关键词】：交通荷载；低路堤；超载预压；工后沉降 a b s t r a c t t h es u r c h a r g ep r e l o a d i n gi sw i d e l yu s e di ns o rg r o u n do ft h ee m b 幽e n t r e i n f o r c e m e n tp r o j e c t i ti s p r o v e dt h a ts u r c h a r g ep r e l o a d i n g i sac o s t e f l f e c t i v e t r e a t m e n to fs t r e n 舀h e n i n gt h es o rs o i l l o w - e m b 幽e n te x p r e s s w a yi st h ed i r e c t i o n o fh i 曲w a yc o n s t r u c t i o n b e c a u s eo ft h el a r g ei n n u e n c eo ft r a m cl o a do n l o w e m b a r 敝m e n ti t 、v o u l dh a v em a n yp r a c t i c a lm e a n i n g st h a ts t u d ya j l dd i s c u s st h e p r o b l e mw h i c hc o n s i s t si nt h es u r c h a r g ep r e l o a d i n gc o n t r o l st l l e s e t t l e m e n ta r e r c o n s t m c t i o no fl o w - e m b a i l | 【i n e n th i 曲w a y a n ds e tu pm e t h o dt of o r e c a s ta n d c a l c u l a t es e t t l e m e n ta r e rc o n s t l l j c t i o n n es u r c h a r g e p r e l o a d i n g c o n t r o l st h es e t t l e m e ma 舭rc o n s t l l j c t i o no f l o w - e m b a n k m e n th i g h w a yw a si n - d e p t l ls t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n b a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft r a 伍cl o a d i n g ，t h ea m p l i t u d ea n dw a v e f o 蛐o fd y n 锄i c1 0 a dw a s d e t e n n i n e d a ni n d o o rs i m u l a t i o nt e s to ne m b a nk m e n ts e t t l e m e mo fl o w e m b a n k m e n t e x p r e s s w a yw a sp e 怕n n e dt 1 1 r o u g han e ws e l f - d e s i g n i n gl o w 疳e q u e n c yl o a d a p p l y i n g s y s t e mw h i c hc a nc o n t r o lt h es t r e s sc o n s t a n t i tw a so b t a i n e dt h a tt h er e l a t i o n s h i po f e m b 幽e n ts e t t l e m e ma n dp o r ew a t e rp r e s s u r ew i t hf r e q u e n c ya i l do v e rp r e s s u r e r a t i o t h es e t t l e m e n tm o d e lo fl o w - e m b 幽e n to ns o rg r o u n dw a ss e tu pa c c o r d i n g t ot e s tr e s u l t s ，a n di tw a su s e di nt h ea c t u a le n g i n e e r i n gp r q e c to fg u a n g d o n g p r o v i n c ej i e p u1 1 i 出y 、v a y 1 q 啊o r d ：t r a 衢cl o a d ；s u i h a r g ep r e l o a d i n g ；s e t t l e m e n ta r e rc o n s t m c t i o n ； l o w e n l b a n k m e n t l l 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：这坯 2 扩年莎月膨日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：塞坛d g 年彦月多日 第一章绪论 1 1 综述 1 1 1 问题的提出 第一章绪论 自2 0 世纪8 0 年代中期开始，中国大陆开始兴建高速公路，2 0 年来，陆续投入 运行的主要高速公路有京石、京津唐、沈大、合宁、济青、开洛、广深、太酒、 合芜、成渝、沪宁、沪杭、桂柳、呼包、哈大、泉厦、石安、安新等线路，2 0 0 4 年底总里程达到3 5 2 万公里。高速公路的建设和使用，为汽车快速、高效、安全、 舒适地运行提供了良好的条件，标志着我国的公路运输事业和科学技术水平进入 了一个崭新的水平。但是，在公路修筑过程中，仍然有很多的疑难问题摆在我们 面前，亟待解决。例如：路基失稳、路面破坏开裂、高速公路不均匀沉降等问题。 由于地基处理技术和路面材料不断的发展，地基中的强度和路面开裂问题得到了 解决。在大量在建过程中和已建高等级公路在使用过程中暴露出来的问题使人们 认识到：高速公路不均匀沉降尤其是低路堤情况下的不均匀沉降是最值得重视的 问题之一。同本道路协会曾对车辆荷载引起的基础沉降做过一些实际观测，发现 在道路路堤和路面荷载引起的沉降基础上，增加了开放交通以后的新沉降，这种 新沉降是由车辆荷载引起的。由于交通车辆在公路横断面上作用的不均匀性，其 造成的沉降大多是差异沉降，这将直接影响到公路的正常运行。因此，对建于软 土地基上高等级公路在车辆等动荷载作用下的沉降问题应引起足够的重视。 1 1 2 超载预压法 1 1 2 1 超载预压法的原理 沿海地区存在大量的淤泥、淤泥质土等软粘土。为了减小工后沉降或缩短工 期，对于采用排水固结法进行地基处理的路段或含有排水固结法的联合处理软基 路段，多采用超载预压的措施。部分工程为了减小搅拌桩复合地基的工后沉降， 也有采用等载或超载预压措施的。大量工程表明：超载预压对减小工后沉降具有 河海大学硕士学位论文 非常显著的作用，而且施工简便、造价较低，越来越多的软基处理工程采用超载 预压措施。 超载预压是将一超过原设计荷载的过量荷载也加在软土地基上，经超载预压 一段时问后，再移去过量荷载。经过超载预压后，如受压土层各点的有效竖向应 力大于设计荷载引起的相应点的附加总应力时，则今后在设计荷载作用下地基土 将不会再发生主固结沉降，同时将减小次固结沉降，并推迟次固结沉降的发生。 竖井地基超载预压示意图见图1 1 。 厂一、 j 临时超载填土 图1 1 竖井地基超载预压示意图 1 1 2 2 超载预压的加荷速率控制 运用动态观测法控制加荷速率，指导路堤填筑施工已经得到广泛共识。但目 前各工程实践采用的施工控制指标差别很大。软基规范建议值是当填土接近 或达到极限高度时路基中心沉降每昼夜不大于1 0 c m ，坡脚水平位移速率每昼夜 不大于o 5 c m 。但实际工程往往标准不一。近年来，侧向位移的控制数字不断放 宽，从1 0 删州d 、1 5m m d 增大至2 5m m d 。朱梅生指出，这一控制仍然是偏于 安全的。他建议施工时加荷速率，如果采用边桩水平位移监测，应该受到双重限 制： ( 1 ) 侧向位移系数不超过2 0 0 l ( p a ； ( 2 ) 每日位移量不超过15 4 0 m m 。 总的看来，工程实践所采用的沉降速率限值都是基于长期观测之后经验值， 2 第一章绪论 缺乏理论依据。同时，各公路工程基本上都采用的是单一的施工控制指标体系， 即指定一个沉降速率限值，最大侧移速率限值和孔隙水压力系数限值。这种单一 的施工控制指标体系会导致工程判断偏于保守或不安全。 1 1 3 低路堤的广泛使用 1 1 3 1 低路堤的概念 低路堤与高路堤是一个相对的概念，一般概念上将填土高度低于2 5 m 的路 堤称为低路堤【l 】。所谓的低路堤，就路线纵断面而言，在满足最小填土高度的前 提下，除了通航及泄洪河流和与之相交的高速公路之外，其他地方道路一般不作 为纵断面控制因素，并尽量减少下穿通道的数量，而通过增设铺道及支线上跨来 沟通高速公路两侧。当平均填土高度、通道密度和下穿通道比例降到一定的值时， 这种方案可称为低路堤方案。定义中，关键是平均填土高度，如果平均填土高度 小于参考值，就基本上认为是低路堤方案担j 。 1 1 3 2 低路堤的优点 1 ) 降低路基占地和取土用地。路堤高度增加1 o m ，路堤坡脚处的宽度就会增加 3 m ( 按1 ：1 5 坡度计算) ，1 l ( 1 t l 就多占3 0 0 0 m 2 ，并且高填土路堤的填筑也需要 更多的土石方。 2 ) 施工方便，质量易于控制。低路堤公路土基处理特别是软基处理较高路堤简 单，所以容易控制，方便施工，而且质量能得到保证。 3 ) 节省投资。采用低路堤后占地和土方减少，可以节省工程投资。 4 ) 行车安全、舒适。路堤过高，给司机一种紧张感，反应能力就下降：路堤过 高，也会加重交通事故的损害程度。而采用低路堤后这些不安全因素都会减 少。且低路堤病害少，以提高行车的安全性和舒适性。 5 ) 景观协调。低路堤道路与周围地区的景观较为协调，对沿线原有地形、地貌 和自然水土平衡的破坏较小。 3 河海大学硕士学位论文 1 1 3 3 低路堤使用带来的危害 低路堤容易受地表水的冲刷和地下水的渗透，软土路基上的低路堤经常出现 路面不平整、路面破坏、水毁、翻浆等病害现象，其原因有以下几方面： 1 ) 由于软土路基上的路堤较低，路床得不到充分压实，难以达到承载力的要求。 2 ) 地下水位相对较高，因毛细水作用，使得地下水上升至路堤中，路基的承载 力容易降低。 3 ) 交通荷载在路堤中没有得到充分扩散，就传递到软土路基上，因而加剧了路 基的沉降变形。 4 ) 交通荷载引起的振动容易直接传递到软土路基上，加剧了路基的沉降变形， 同时交通荷载引起的振动也容易导致路基土层的不均匀沉降。 5 ) 路基土层本身的不均匀性和其沉降的不均匀性都对路堤的力学性能有较大 的影响。 6 ) 路基的工后沉降是在路堤和路面荷载引起沉降的基础上，增加了开放交通后 产生的沉降，而交通荷载引起的沉降对路基的影响较大。 1 1 3 4 目前低路堤的使用情况 由于高路堤带来的用地矛盾及其一些相关的问题，国内部分城市和地区已在 高等级公路中采取了低路堤设计方案。如：江苏省苏州市交通设计院对苏州地区 采用低路基设计的可行性进行了研究【3 】，并在苏州绕城高速公路( 西南段) 部分标 段上实施低路堤方案。上海市政工程设计研究院对在上海地区的莘奉金高速公路 西段采用低路堤设计进行尝试，路堤平均填土高度1 2 m 左右【4 】。2 0 0 4 年河南省 对河南的高速公路设计做出重大调整，使路基填土高度全面降低到3 o m 以下， 在不增加路基宽度的前提下，车道由双向四车道改为双向六车道。于2 0 0 7 年1 2 月1 5 日建成通车的中的商丘至周口和2 0 0 6 年9 月2 8 日通车的商丘至菏泽高速 公路都采用低路堤。盐通高速公路南通通州段施工图设计大部分路段采用低路堤 设计方案1 5 j 。 1 1 4 超载问题日益突出 在我国，货车超载现象非常普遍且情况比较严重。据报道，白天行驶在沪宁 4 第一章绪论 高速公路的车辆6 0 为超载货车，在晚问这一比例高达9 0 ；汽车超载行驶目前 已经成为危害我国公路安全的主要因素之一。大量资料表明，汽车超载行驶是极 为普遍的现象。例如，福建2 0 5 国道上，额定4 5 吨的东风自卸卡车，多装载货1 6 1 9 吨；据1 0 7 国道工作人员对郑州黄河桥一天的特别统计，过往的2 0 0 多辆运煤车全 部超载，最多的超过额定载荷1 5 0 一2 0 0 【6 l ；湖南省曾经对1 0 7 国道来往车辆作过 为期1 6 天的调查统计，结果表明车辆总重1 0 0 l n 以上的重型卡车占整个交通量的 6 3 o ，重型卡车的超载率一般在7 0 2 0 0 之间( 超载率= 超载量额定荷载量) ， 最大超载率达到3 0 0 ；河北省的调查显示，重型卡车的超载率达到7 6 0 ；天津 调查了几条干道公路，其中津围公路1 0 2 6 辆重型卡车，其中超载的有4 3 1 辆，占 4 2 ；外环线2 4 9 2 辆重型卡车，其中超载的有7 0 1 辆，占2 8 5 ；京津公路1 1 4 5 辆重型卡车，其中超载的有8 0 8 辆，占7 0 6 ；此外，如山西的运煤车超载情况更 是司空见惯【7 1 。 如上所述，车辆荷载引起的高速公路软基沉降量在公路工后沉降中占有较大 的比重，如果再结合我国车辆超载普遍的实际情况，对它进行研究将具有重要的 现实意义。 1 2 交通荷载对公路路基沉降影响的研究现状 1 2 1 国外的研究状况 周期荷载作用下粘性土性状的研究已取得较多的成果。如2 0 世纪3 0 年代前 后日本、德国、前苏联开展的机器基础振动设计方面的研究。c a s a g r a n d e 嫡】研究 了加荷时间对土动力强度的影响，t a y l o r 和w h i t m a l l 则研究了应变速率对土的强 度的影响。2 0 世纪7 0 年代，随着近海重力式石油平台的大量兴建，研究者们的 注意力集中在波浪等周期荷载作用下砂土液化可能性和液化强度等问题。后来又 注意到孔隙水压力消散的影响，如l e e 【9 】、s e e d 【1 0 1 等研究成果。另一方面，周期 荷载作用下粘性土性状的研究也取得了较多的成果，a n d e r s e n 】等人应北海重力 式石油平台建设的需要曾对德勒门( d r a m m e n ) 粘土进行了系统而又广泛的研究。 低路堤在交通荷载作用下的变形问题也早已引起人们的重视。早的如 s e e d 【1 2 1 3 】及他的同事对重复荷载作用下土体的性质进行了研究，日本也在5 0 年代 一个实际的低路堤公路工程中发现，低路堤会在交通荷载作用下产生新的沉降问 题，并加以研究。后来k a w a k 锄i 和o g a w a 【14 1 、y _ 锄a n o u c h i 和a o t o 以及l u o 【1 6 j s 河海大学硕士学位论文 等人也继续了这项工作。 进入2 0 世纪8 0 年代，这项工作进一步深入，英国的工程与科学研究委员会 在b o t h k e l l i l a r 的软土地基上建立一个全尺寸的模型试验，研究交通荷载下公路 的力学和沉降特性( b r o u n e ta 1 1 9 9 6 ) 【1 7 】；u h a r a 等人提出了一个排水循环 荷载作用下土体变形的近似预测方法，f 巧i w a r a 【1 9 。2 1 1 的研究则集中在排水条件下 考虑固结影响的变形计算。这类研究中考虑了周期荷载作用下孔压消散对固结对 土体变形特征的影响，同时，循环荷载作用下次固结变形问题也取得一些成果， 如f u i i 、a w a 等人的成果，同时发展了多种土的本构模型。 循环荷载作用下软粘土性状的研究已取得较多的成果，但在很多方面尚未取 得一致的认识。a n d e r s e n 吲( 1 9 8 0 ) 等人就北海重力式石油平台建设的需要，曾对 d r 砌e n 粘土( ，。= 2 6 ) 进行了系统而广泛的研究。他认为，当加载频率在 0 0 5 o 1 h z 之间变化时，对要达到循环应变值3 所需的加载次数，不论其超固 结比的大小，都没有影响。m a t i s u i l 2 3 1 ( 1 9 8 0 ) 对塑性指数，。= 5 5 的s e l l r i 粘土进行 了应力控制式的三轴双幅循环剪切试验，所采用的频率为o 0 2 0 5 h z 。试验结果 表明，孔隙水压力和轴向应变均随循环次数的增加而增加，对于给定的循环次数 而言，低频荷载产生较高的孔隙水压力和轴向应变。y a s u l l a r a 【2 4 1 ( 1 9 8 2 ) 对a r i a k e 粘土( ，。= 5 8 ) 进行的应力控制式三轴试验结果也认为，加载频率( 0 1 h z 1 h z ) 对孔 压有一定影响，但结论是，频率愈高，孔压愈大，与上述结果有所不同。 b r o w n 【2 5 1 ( 1 9 7 5 ) 等人的研究也得出类似的结论。 u h a r a 考虑了反复荷载作用下排水固结对地基变形的影响，y a s u h a r a 首先 根据y a 【m a n o u c h i 对砂质粘土一系列的循环三轴压缩试验结果出发，将总变形或 分为可恢复变形皖和不可恢复变形啦两部分( 4 = 皖+ 万，) ，并定义了应变比 孝= 万。巧，然后讨论孝和循环次数n 之间的相互关系，认为孝和l o g 成较好的 线性关系，这一关系取决于土的物理性质、初始结构、荷载集度和诸如加载频率、 循环次数等荷载条件，于是有下述关系存在： t a l l p = ( 己一彘) l o g ( m d ) ( 1 - 1 ) 式中秒为直线的倾。m 和o 分别为给定的第n 次和第1 次循环次数。己和氏 为相应的应变比率。口与土性( 如初始孔隙比) 、荷载集度可建立一定的相互关系。 在此基础上可得出第n 次循环时总位移的表达式： r 片o 、 ( 吼2 巧面茄丽 。乞) 6 第一章绪论 此式同样适用于常规固结试验条件及粘性土。可利用该式预测低路堤下交通 荷载作用及近海结构物在风浪荷载作用下的沉降变形问题。 f u j i w a r a 主要研究了总荷载、荷载周期、荷载增量比、加荷方式、胶结程度 和循环次数对变形的影响。一般情况为，循环荷载作用下的固结变形量大于静荷 载作用下的固结变形量，这是由循环荷载作用过程中次固结变形引起的，而次固 结变形与重复荷载的大小、荷载增量比、荷载周期、有机质含量成正比。 1 2 2 国内的研究状况 1 9 9 1 年，阎澎旺【2 q 运用动三轴试验分析了正常固结土在反复荷载作用下累 计轴应变和累计孔隙水压力随振动次数的变化规律。试验结果表明，在循环荷载 作用下，累计轴向残余应变与平均固结压力归一化的累计孔隙水压力之间存在唯 一对应关系，而与固结压力的大小、加载方式以及动应力的大小、频率无关。 1 9 9 1 年，杨起敬2 7 1 在室内试验的基础上建立了多级不排水反复荷载作用下 ( 级间允许完全排水固结) 的残余变形计算模式，强调了预剪的重要性。 1 9 9 6 年，周健【2 8 】等通过试验，提出了动力荷载作用下软粘土残余变形的计 算模式，计算结果与不排水和部分排水情况下观测到的孔隙水压力及残余应变吻 合较好。 1 9 9 8 年，周建【2 卅对饱和软粘土应变软化特性进行了试验研究，建立了循环 荷载作用下饱和软粘土孔压发展模型和应变软化模型。 白冰【3 0 。3 2 】( 1 9 9 81 9 9 92 0 0 2 ) 对饱和软粘土在冲击荷载作用下的性状进行了比 较系统的研究。 2 0 0 0 年，蒋军例对循环荷载作用下软粘土的排水与不排水性状作了系统的 试验研究，分析了循环应力比、超固结比、频率、加载次数等因素的影响，建立 了软粘土的残余应变计算模式。 2 0 0 2 年，凌建明掣3 4 】对上海地区的零填土路基在交通荷载作用下湿软路基 残余变形进行了研究。 2 0 0 4 年，白顺果【3 5 】等采用自行研制的油压式循环加载系统室内模拟交通荷 载的作用，对饱和软粘土地基的变形性状进行了大比尺的室内模型试验；考虑了 饱和软基的固结状态、循环应力比的大小对竖向永久变形的影响；得出了饱和软 粘土地基的临界循环应力比和竖向永久变形及孔隙水压力随加荷周数和固结状 态的变化规律。 7 河海大学硕士学位论文 2 0 0 6 年，李进军【3 6 】等针对交通荷载作用下软土地基的变形问题，采用累积 应变的经验公式计算其累积沉降。首先通过确定车辆荷载引起的动偏应力和土层 的力学指标计算出静力破坏偏应力，然后通过考虑土物理力学性质、循环荷载次 数的累积变形公式计算软土地基中各土层在车辆荷载作用下引起的残余累积应 变，最后用分层总和法计算总沉降。 2 0 0 7 年，王常晶、陈云敏【3 7 】设计了室内不排水动三轴试验，将动应力简化 为静偏应力与j 下弦荷载的叠加，研究了静偏应力对饱和软黏土变形、孔压发展规 律以及动强度的影响。 2 0 0 7 年，耿大新、钟才根【3 8 】通过对交通荷载作用下路面结构体系的数值模 拟，计算了路基中竖向动应力的变化，并采用室内动三轴试验，研究了软土地基 在循环荷载作用下累积变形的规律，最终建立了交通荷载作用下软土地基残余变 形的计算关系式，并分析了路堤的残余变形量与其高度的关系。 纵观国内外的研究成果，关于交通荷载作用下软土路基变形的研究成果不 少，但是直接研究工程措施的控制作用和工后沉降控制水平的成果较少见到，具 体把超载预压和交通荷载作用下的软土路基变形结合起来的研究成果尚未检索 到，大多数学者在做试验时考虑到了不同荷载增量对软土路基的影响，他们所选 取的动荷载增量通常偏大，不符合实际工程情况。 超载预压被广泛应用于软基路堤的加固处理工程，是一种经济有效的软基处 理辅助措施。低路堤是未来公路建设发展的方向，交通荷载对软基低路堤工后沉 降的影响作用巨大，超载预压常用于软基低路堤的预压处理是常用手段。研究超 载预压控制低路堤高速公路工后沉降问题，探讨超载预压控制交通荷载对低路堤 工后沉降影响的有效性，对低路堤公路工程具有重要的指导意义。 1 3 本文主要工作 1 ) 根据交通荷载的作用特点，设计研制了模拟交通荷载长期作用的试验加荷装 置低频率多波形循环荷载控制系统。 2 ) 通过大量的室内循环荷载试验，给出了不同频率、不同超载比情况下的地基 软土的孔隙压力和变形的发展规律。 3 ) 通过得到的试验数据，拟合曲线，建立了超载预压情况下软基低路堤在交通 荷载作用下的工后沉降计算简化模型。 4 ) 通过揭普高速公路一低路堤断面的工程实例验证了计算模型的合理性。 8 第二章试验装置及试验参数的确定 第二章试验装置及试验参数的确定 2 1 试验装置 2 1 1 概述 为了能更好地研究交通荷载对低路堤高速公路路基沉降的影响，分析其在交 通荷载作用下变形及孔压变化的发展情况，笔者自行研发了应力控制式低频率多 波形循环荷载加载装置，下面就从试验装置的结构来说明介绍其主要的技术特 点。 2 1 2 前人的试验装置介绍 1 ) 蒋军3 卅曾经利用多功能三轴仪和c 4 0 0 固结仪，采用应力控制加载方式 对重塑饱和粘土，对不同波形进行组合的长期循环荷载单面排水试验。试验装置 见下图： a 固结仪b 固结仪结构图 图2 1多功能三轴仪和c 4 固结仪 2 ) 白顺果【3 5 】等采用连续的半正弦加载曲线作为动力加载曲线。加载设备为 自行设计的油压式循环加载设备，主要由电机动力部分、活塞加压部分、数字式 油压表、电磁继电器、计数器以及弹簧缓冲部分等组成，设备加载频率为o 2 h z ， 加载设备示意图如图2 2 所示。采用按一定比例缩小的室内模型试验来模拟基层 9 河海大学硕士学位论文 和软粘土地基部分，并通过自行设计的循环加载设备模拟竖向交通荷载，考虑饱 和软基的固结状态、循环应力比的大小对竖向永久变形的影响。 a 加载设备示意图 b 量测仪埋设剖面图( 单位：m m ) 图2 2 油压式循环加载设备 3 ) 贺冠军【4 0 1 采用杠杆式加压，固结应力由固结仪本身的砝码通过杠杆施加， 加载系统能调节加载频率和加卸载时间比，加载波形为矩形冲击荷载。加载频率 范围为0 1 h z 。 循环荷载的施加流程如下： 三至 匠至翌里堕 臣里至丑e 苎翌至! 堕! e 里空塑二 图2 - 3 加载装置流程图 i j 人试验仪器的一些缺陷： 1 ) 当循环荷载加载装置运行一定次数后，需重新调节参数，这样会影响试验的 效果。 2 ) 当试验进行到一定阶段时，旌加的应力会出现衰减现象，即振幅不能稳定于 恒定值。 基于以上的几点不足之处，本文自行研发了低频率多波形循环荷载加载装 置，能有效避免上述情况的出现。 l o 扩哥音哥昱 第二章试验装置及试验参数的确定 2 1 3 本试验装置介绍 为了测量循环荷载作用时，土样压缩变形和土样底部孔压的变化情况，在常 规固结压缩仪的基础上，研制了可测底部孔压的固结压缩仪和应力控制式低频率 多波形循环荷载加载装置。整个系统分三部分： 2 1 3 1 循环荷载加压系统 仪器组成主要包括控制器和加载装置( 实物如图2 4 ) 。 控制器 固结仪 孔压值显示窗口 压力传感器 加载装置 图2 - 4 本次试验使用的试验装置实物照片 控制器主要有面板和两个步进电机驱动器、主控制板、环形变压器、整流板、 稳压电源组成。面板示意图如图2 5 所示： 加载装置由两个步进电机、齿轮、钢丝绳、钢丝扣、压线轮、压力传感器组 成。加载装置可完成如下操作： ( a ) 循环荷载加载曲线形式 蒋军等采用正弦波、三角波、锯齿波和矩形波荷载进行了长期循环加载固 结试验，认为加载波形对循环荷载试验结果影响不大，而s e e d 等、t l l i e r s 等【4 2 j 认为三角波加载的循环强度比矩形波加载的高大约1 0 。宫全美等【4 3 】人发现在 1 1 河海大学硕士学位论文 单向脉冲应力作用下，试样的孔隙水压力增长均小于正弦应力荷载下的实验值。 因此循环荷载波形的选择极为重要，本次试验仪器可以加载三角波、矩形波、方 波、正弦波，还可以自定义波形( 应力控制) 。 ( b ) 循环荷载频率 循环荷载频率是指周期振动的频率或不规则振动的主频。循环荷载频率为动 荷载作用的一个主要因素，对软土的动力特性的影响目前还没有定论。本次试验 装置可加载0 0 0 1 h z _ l h z 的所有频率，基本涵盖了常见动荷载的频率范围。 ( c ) 振幅和振次 振幅是指动荷载的大小，而振次是指循环荷载作用次数或振动作用时间。目 前土动力学研究的主要是振幅与振次对孔压和应变的影响问题。本装置加载振幅 范围为旺l m p a 。本试验仪器可以不问断运行1 0 天，在这过程中不会出现应力 衰减的现象，也不需重新设置参数。 1 2 匝膜惜辎旧g稚器辅呐-z匝 锻器g辍抵甜鳆嗡咖螓魏堪料拣 河海大学硕士学位论文 2 1 3 2 循环荷载数据采集系统 数据采集为微机数据采集系统，采集间隔时间为1 3 s ( 可以根据不同的试验 设定不同的数据采集时间间隔) 。所有数据( 孔压、位移、循环荷载力的大小) 完全由计算机自动采集并生成数据文件，且会利用不同的扩展名来表示试验的不 同阶段。位移传感器精度为0 0 1 m m ，压力传感器的精度为0 1 n 。为了较好监测 孔压的变化规律，本试验采用宝鸡智恒传感器有限公司所生产的z h p 1 1 0 孔压 传感器，最大量程为2 0 0 k p a ，精度为0 1 k p a 。 2 1 3 3 固结仪 试验中采用的是w j 单杠杆固结仪，对装样室进行了改进，使固结仪能控制 排水边界条件。具体情况如下：固结仪底座和环刀部分为一个整体铜柱，中间利 用车床车空，边壁抛光，底部设有孔压孔，排水孔和加压孔。固结仪如图2 6 、 2 7 ： 孔压传感器 图2 6 固结仪实物图 1 4 位移传感器 第二章试验装置及试验参数的确定 排水阀反压阀 图2 7 固结仪纵横剖面图 2 1 4 试验装置的工作原理及使用方法 2 1 4 1 试验装置的工作原理 匕b 测压孔 由低频率多波形循环加荷系统控制器的主控制板控制压力传感器，调节施加 循环荷载作用力的大小，再由压力传感器调节步进电机驱动器，步进电机驱动器 控制步进电机，使步进电机转动，带动大齿轮拉动钢丝绳做上下往复运动，把作 用力通过固结仪上的加压梁传递到土样上，从而达到给土样加载的效果。 2 1 4 2 试验装置的使用方法 1 ) 用钢丝扣把钢丝绳与固结仪加恒载的加荷梁连接起来。 2 ) 将位移传感器置于量表架上，其底部接触固结仪的加压上盖，然后检查位移 传感器与孔压传感器能否正常工作。 3 ) 打开控制器的电源，将控制方式调制“设定”，根据实验的要求，分别设定所 需的波形( 三角波、正弦波、方波) 、周期、最大压力、最小压力。先调至 设定周期值，根据试验所选用的周期值按“设定加”或者“设定减”来设置；同 样通过“设定加”或者“设定减”来设置试验所选的最大压力、最小压力。 4 ) 将控制方式调至“本机”选项，选择实验所需的波形，按“启动”按钮，加载装 1 5 河海大学硕士学位论文 置立即运行，进行循环加荷实验。 5 ) 将控制方式调至“计算机”，能在计算机上控制，具体方法同步骤3 ) 、4 ) 。 6 ) 实验结束后，先按“复位”键，再关闭电源。 2 2 试验参数的确定 2 2 1 路基路面材料参数的选取 常规柔性路面从上往下为封层、面层、粘层、联结层、透层、基层、底基层、 压实土基和天然土基。可根据需要和经济条件选用不同的层次，也可省略某些层 次。本文所取的参数参考王金昌【4 4 1 、梅英宝【4 5 1 以及揭普高速公路典型低路堤断 面的物理力学指标，参数选取如下表2 1 ： 表2 1 沥青混凝土路基路面材料参数 结构层厚度m弹性模量e 门p a泊松比密度p l ( g m 3 沥青混凝土路面层 o 1 51 2 0 0 0 2 52 4 0 0 二灰稳定碎石基层 0 31 4 0 0o 32 2 0 0 级配碎石层 o 3 51 3 0 0 o 32 1 0 0 路堤填十 1 23 0o 41 9 0 0 粉质粘土夹砂 2 71 5 0 4 51 8 0 0 淤泥夹腐木 2 92o 4 91 6 0 0 含砾砂粉质粘土 3 1 1 3o 4 51 8 0 0 固结压力： p = ( 2 4 0 0 0 1 5 + 2 2 0 0 0 3 + 2 1 0 0 0 3 5 + 1 9 0 0 1 2 ) 9 8 1 0 0 0 = 3 9 5 4 3 k p a 则取4 0 l 【p a 作为固结压力。 2 2 2 车型参数的选取及其技术参数的计算 2 2 2 1 车型参数的选取 由于不同类型的车辆对道路结构的损坏作用各不相同，在计算交通荷载时， 必须根据交通量统计的各种轴载车辆的作用次数按等效原则换算成标准轴载的 1 6 第二章试验装置及试验参数的确定 作用次数，从而得到标准轴载作用次数。不同重力的轴载给路面结构带来的损伤 程度是不同的。路基路面工程【4 q 中指出：道路上行使的汽车轴载与通行次数 可以按照等效原则换算为某一标准轴载的当量通行次数，我国水泥混凝土路面设 计规范和沥青路面设计规范均选用双轮组单轴轴载1 0 0 k n 作为标准轴载。标准 轴载b z z 一1 0 0 的参数如下：轮载p = l o o 4 ，p = 7 0 0 l ( p a ，双圆荷载的当量圆直 径d = o 2 1 3 m ，单圆荷载的当量圆直径d = o 3 0 2 m 。 各种轴载的作用次数进行等效换算的原则是，同一种路面结构在不同轴载作 用下达到相同的损伤程度。通过室内或道路现场的重复试验，建立荷载量级同达 到相同损伤程度的作用次数之间的关系。依据这一关系，可以推算出不同轴载的 作用次数等效换算成标准轴载当量作用次数的轴载换算系数式： 1 ) 沥青混凝土路面 按路表容许弯沉值相当的原则： 胪喜c ，( 爷5 ( 2 - 1 ) 式中刀，nz 分别为某轴的作用次数、轮压和轮迹当量圆直径； n pd _ 为标准轴载的作用次数、轮压和轮迹当量圆直径； c ，轮组系数。当车轴一侧的车轮为双轮组时= l ；单轮= o 2 5 ；四轮 ( 平板车) = 4 。 表2 2日野k f 3 0 0 d 当量轴次计算表 日野 k f 3 0 0 d 标准轴载 轮压单元轮轮组 c j p a ，5的作用次 作用次数 合计 车型 d i 迹直径系数 m p a d i c mc f 数，2 j 刀 前轴 0 5 52 1 7 2o 2 5o 0 8 7 5 71 0 0 08 7 5 7 日野 k f 后轴 0 5 52 l - 3 91o 3 0 9 0 71 0 0 03 0 9 0 77 0 5 7 1 3 0 0 d 后轴 o 5 52 1 3 910 3 0 9 0 71 0 0 03 0 9 0 7 由上可知当日野l 江3 0 0 d 作用1 次相当于标准轴载作用0 7 0 6 次，而在相同 的沥青混凝土路面条件下，标准轴载在软土地基顶面产生的静附加应力为 2 8 3 6 1 【p a ，日野k f 3 0 0 d 产生的静附加应力为3 4 7 5 l ( p a 。( 具体计算过程见本章 2 2 5 ) 2 ) 水泥混凝土路面： 在水泥混凝土路面设计时，以双轮组单轴轴载l o o k n ( b z z 一1 0 0 ) 作为标准轴 载。根据有限元法的荷载应力计算公式( 回归方程) 和室内小梁试验的疲劳方程 1 7 河海大学硕士学位论文 ( 采用双对数形式) ，可推演出达到相同疲劳开裂时各种轴载的等效换算系数； z 黾( 分 ( 2 2 ) 式中：口，为随轴型、荷位及其他因素而变的系数。双轮组单轴时，= l ； 双后轴( 轴距小于1 3 5 m ) 时，轴载p i 按单轴荷载计，板中荷位取口。= o 2 3 ，横 边荷位常取口，= 3 8 。对轴距大于1 3 5 m 的双后轴车或多轴车，以每一轴作用一次 计。对于多轮组多轴的平板车，其轴载p i 荷载计。轴载小于4 0 l 烈( 含4 0 k n ) 的 轴载可不计。 根据式( 2 2 ) 计算得日野k f 3 0 0 d ： z = 3 8 ( 焉) 1 6 = o 0 8 7 4 6 同理计算出其他车辆的换算系数，列举在下表2 4 中： 表2 - 3 其他车型的当量轴次计算表 单个轮标准轴次换算系数 序汽车总载后轴载后轮压轮组迹当量 柔性刚性 号型号 l 洲厥n 轴数脚a系数圆直径 路面路面 c m b z z 1 0 0b z z 1 0 0 黄河牌 11 8 7 o1 3 2 020 7l2 1 o0 7 8 4 9 8o 0 0 4 9 2 6 j n 2 5 3 3 长征牌 21 8 2 41 4 5 2 82o 611 9 6o 5 6 2 7 60 0 2 2 8 9 x d 9 8 0 3太脱拉2 1 1 41 6 0 02o 612 0 60 9 5 4 3 4o 1 0 6 9 8 太脱拉 42 2 5 4 1 8 0 0 2 o 6l2 1 9o 7 7 5 5 80 1 8 5 3 2 1 3 8 s 3 日野 5 1 9 8 7 51 5 8 02o 5 5l2 1 4o 7 0 5 7 1o 0 0 8 7 4 6 k f 3 0 0 d 根据b i s a r 3 o 程序的计算结果，在相同的水泥混凝土路面情况下，标准轴 载在软土地基顶面产生的静附加应力为1 7 1 8 l ( p a ，日野k f 3 0 0 d 产生的静附加应 力为2 5 3 4 k p a 表2 - 4日野3 0 0 d 与标准荷载产生的静附加应力比较 路面形式 车型 沥青混凝土路面水泥混凝土路面 换算 产生的静附加应力l ( p a 换算 系数 系数 产生的静附加应力l ( p a 标准轴载 l2 8 3 6l1 7 1 8 日野k f 3 0 0 do 7 0 63 4 7 5o 0 0 8 7 4 62 5 3 4 1 8 第二章试验装置及试验参数的确定 通过上表2 4 比较笔者发现，多轴双轮组的车产生的静附加应力比标准轴载 大得多，而通过等量轴载换算，作用次数却比标准轴载少，尤其在水泥混凝土路 面情况中体现的更为明显。究其原因，多轴双轮组车通过增加轴数、轮数来减少 轮压，从而来减少对路面的破坏，但是随着轴数、轮数的增加，车的载重量以及 车辆与地面的接触面积的增大，多轴双轮组的车则产生了更大的附加应力，引起 更多的沉降量。 考虑到只有载重汽车等轴载比较大的车辆产生的动应力对软土沉降影响较 大，所以本文选取日野k f 3 0 0 d 为原型，其主要技术参数如下表2 5 ： 表2 5主要技术参数 汽车 总重载重前轴重后轴重 后轴轮组 后轮轴距轴距轮压 型号 l ( n爪nl ( nl ( n 数数 c mc mm p a 日野 1 9 8 7 51 0 6 6 54 0 7 52 7 9 o o2双1 8 6 o 1 2 7 o 5 5 k f 3 0 0 d e卜一一一 卜一一皿 墨 跫| e卜一一一一 卜一一曲j j 一 l 一 一一一邶一 一1 2 7 一 8 o 图2 8日野k f 3 0 0 d 的平面尺寸单位( m ) 2 2 2 2 车型技术参数的计算 轮胎与路面的面接触形状近似与椭圆，因其长轴与短轴的差别不大，在工程 设计中以圆形接触面表示。将车轮荷载简化成当量的圆形均布荷载，并采用轮胎 内压力作为轮胎接触压力p 。当量圆的半径万可以按下式确定： 扯岛 ( 2 - 3 ) 式中：p - _ 作用在车轮上的荷载( 1 洲) ； 卜轮胎接触压力( 1 ( p a ) ； 艿接触面当量圆的半径( m ) 1 9 河海大学硕士学位论文 i l - 5 d 一 卜一d - l 卜- 一d 一 竺圈删删旦 幻ee 图2 9 车轮荷载计算图示 a ) 单圆荷载；b ) 双圆荷载 对于双轮组车轴，若每一侧的双轮用一个圆表示，称为单圆荷载；如用两个 圆表示，则称为双圆荷载。双圆荷载的当量圆的直径d 和单圆荷载的当量圆的直 径d ，分别按下式计算： d = 焉 ( 2 - 4 ) 肚旦：届 ( 2 - 5 ) 万p 在本文中计算均采用双圆荷载，根据上面提供的日野k f 3 0 0 d 主要技术指标， 前轮轮载p = 4 0 7 5 2 k n ，p = 5 5 0 l ( p a ；后轮轮载p = 7 9 4 k n ，p = 5 5 0 k p a ，用上式( 2 4 ) 、 ( 2 5 ) 计算可得到相应的当量直径为： 前轮当量直径d = o 2 1 7 m ，d = o 3 0 7 m ；后轮当量直径d _ o 2 1 4 m ，d = o 3 0 2 m 。 第二章试验装置及试验参数的确定 2 2 3 交通荷载频率的确定 交通荷载作用下的荷载频率可以根据交通流量来控制，根据现行沥青路面 设计规范【4 7 1 ( j t g d 5 0 2 0 0 4 ) ，交通量宜根据表2 6 的