（岩土工程专业论文）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.pdf

捕要 摘要 由于高路堤在造价、工后沉降、工程用地和对环境影响等方面存在问题，在 部分平原地区( 如：上海、江苏等地区) 的高等级公路己开始采用低路堤的方案。 对于软土地基上的高等级公路来讲，潜在的工后沉降会对交通运输造成相当大的 影响。因而十分有必要对软土地基上的路堤工程的工后沉降进行准确的预测，使 得预测结果与实际结果更为接近，以提前预测和了解工后可能出现的沉降问题。 因此，研究和探讨软土地基上的低路堤高等级公路存在的问题，准确的预测和计 算由于交通荷载作用下地基的沉降，对我国快速发展的公路交通建设具有重要的 实际意义。 本文首先分析了交通荷载对软土地基的作用机理，并通过室内试验，探讨和 分析了在循环荷载作用和排水条件下软粘土的变形特性。然后根据工程实例的工 后观测和检测资料，得出了软土地基上的低路堤高等级公路在汽车荷载作用下的 沉降规律。 根据实际的检测资料和试验资料，对交通荷载作用下地基的沉降提出了简便 计算的公式和交通荷载作用下的工后沉降预测。同时结合实际工程的经验，提出 了些适宜于软土地基上的低路堤高等级公路的工程处理措施。 本文阐述了在交通荷载作用下软土地基上的低路堤高等级公路的沉降和变 形特性，及其沉降计算的方法。为在软土地基上修筑低路堤高等级公路设计和施 工提供了有益的参考依据。 【关键词】：软土地基；低路堤；工后沉降；交通荷载 a b s t r a c t a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ep r o b l e mb r o u g h tb yh i g he m b a n k m e n t ，a b o u tf a b r i c a t i o nc o s t ， s e t t l e m e n ta f t e rc o n s t r u c t i o n ，f l o o ra l e aa n de n v i r o n m e n te t c ，s o m er g ：g i o n ( s u c h ： s h a n g h a t ，j i a n g s up r o v i n c ee t c ) h a sa d o p t e dp r o j e c t o fl o we m b a n k m e n tt o c o n s t r u c t s p e e d w a y a sf a r a s s p e e d w a yo nt h e s o f tf o u n d a t i o nc o n c e r n e d t h e p o t e n t i a l s e t t l e m e n ta f t e rc o n s t r u c t i o nw o u l dh a v em a n yh a z a r dt o t r a n s p o r t a n d c o m m u n i c a t i o nt r a d e t h u s i ti sn e c e s s a r yt oa c c u r a t e l yf o r e c a s tt h es e t t l e m e n ta f t e r c o n s t r u c t i o no fe m b a n k m e n tc o n s t r u c t e do nt h es o f tf o u n d a t i o n i ft h ef o r e c a s t s e t t l e m e n ta n dt h ep r a c t i c a b l es e t t l e m e n ti sv e r ya p p r o a c h ，i tw o u l db e p r o p i t i o u st o m a i n t a i ni nt h ea f t e r t o d a y s o s t u d y a n dd i s c u s s p r o b l e mc o n s i s t i nl o w e m b a n k m e n ts p e e d w a yo ns o f t f o u n d a t i o n ，a n ds e tu pm e t h o dt o f 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 f t e rc o n s t r u c t i o n ，i tw o u l dh a v em a n yp r a c t i c a l m e a n i n gt o d e v e l o p r o a dc o n s t r u c t i o ni no u r c o u n t r y i nt h i sp a p e r , m e c h a n i s mo fa c t i o nb e t w e e nt l a f f i cl o a da n ds o f tf o u n d a t i o ni s f i r s td i s c u s s e d a n db a s e do nt h ei n d o o rt e s t ，d e f o r m a t i o nc h a r a c t e ro fs o f t c l a yo nt h e c o n d i t i o no fd r a i n ，o nt h ea c t i o no ft r a f f i cl o a d a f t e r , t h es e t t l e m e n tl a wo fl o w e m b a n k m e n to nt h ea c t i o no ft r a f f i cl o a di s f o u n d ，a n ds o m ep r o b l e m so w i n gt o h e i i g h to fe m b a n k m e n tb e i n gd e b a s e di sa l s oc l a r i f i e d ，b a s e do nt h ee x a m i n a t i o na n d o b s e r v a t i o n i nt h es a n l et i m e ，t h ef o r m u l ao fc a l c u l a t i o na n dm e t h o do ff o r e c a s ta b o u t t h es e t t l e m e n ta f t e rc o n s t r u c t i o no fl o we m b a n k m e n to na c t i o no ft r a 丘cl o a d a r e f o u n d s o m e t r e a t i n gm e a s u r e sa d a p tt ol o we m b a n k m e n t a r ea l s op u tf o r w a r d t 1 l e s p e c i f i cp r o p e r t i e s o fs e t t l e m e n t c a l c u l a t i n gm e t h o da n dh o wt ot r e a t c o r r e s p o n dp r o b l e m h a v eb e e ns t u d i e d s y s t e m a t i c a l l y , t h u sp r o v i d i n gt h e o r e t i c a lb a s i s a n dr e f e r e n c ef o r d e s i g na n dc o n s t r u c t i o nl o w e m b a n k m e n to nt h es o f tf o u n d a t i o n k e y - w o r d s ：s o f tf o u n d a t i o n ；l o we m b a n k m e n t ；s e t t l e m e n ta f t e rc o n s t r u c t i o n ；t r a f f i c 】o a d 交通荷戴对低路堤下辍土地基沉降彤响的室内试验与研究 1 1 概述 第一章绪论 1 1 1目前软土地区高等级公路中低路堤应用情况介绍 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 】o 在国外，低路堤在高等级公路中应用已经很普遍。而在我国，由于高速 公路设计思想主要源于一般道路的设计，大部分交叉路口都采用高等级公路上跨的形 式。在平原地区，设计高等级公路时，由于通道和桥梁等结构物高度和纵坡坡度限制 的原因，路堤填土高度往往是由结构物高度控制。特别是在沿海平原地区，因受地形、 地物条件、人口密集程度以及农业机械化程度不高等因素的限制，导致通道等结构物 设置过密，因而基本上采用高填土路堤设计方案，平均填土高度一般在3 4 4 o m 之 间【2 】a 如开洛高速公路开郑段平均填土高度为3 7 m ，个别路段达到7 5 m ；沪宁高速 公路路堤平均填土高度为3 7 m ，最高达到1 2 m i3 1 。 众所周知，软土地基上公路沉降大小与地基上所增加的填土荷载大小有着密切的 关系。从1 9 8 8 年9 月3 0 日沪嘉高速公路建成通车至今，高速公路建设已有1 6 年的 发展历史1 4 j 。从目前软土地基上高等级公路工后沉降统计资料来看，由于路堤填土偏 高导致沉降过大和经济上的重大投入，土方大量开挖，农田大量被损。但工后沉降还 是得不到控制，桥台跳车现象仍时有产生，投入大量资金，而得不到相应的效益。同 时工后沉降过大，使得公路的工后维护费用和工作量增大，对公路运营带来较大的影 响。 桥台跳车是目前软土地区高等级公路存在问题中一个突出的问题，路基和桥涵之 间工后沉降的差异，使得路基和桥头过渡带变得过陡，大大影响行车的安全性和舒适 性。在我国相关的公路路基设计和施工规范中只有公路软土地基设计及施工规范 中提到高速公路路桥相接处的容许工后沉降值为l o c m 。在公路养护规范中规定 相应需要修复的严重变形值：水泥混凝土路面错台为1 2 m m ，沥青路面变形为2 0 r a m 。 这就是说，从理论上，如果设计年限内桥头路面沉降达l o c m ，水泥混凝土路面需要 修复8 次，沥青路面5 次，在实际养护工作中很难做到，尤其是水泥混凝土路面，这 河海土学硕士论文 导致桥头错台形成跳车和路面破坏长期存在。 目前东部和沿海平原地区普遍存在地势较低，人多地少，用地矛盾突出，公路建 设征地费用高等问题。在平原地区修筑高等级公路时，所需的填料一般是从农田挖取， 占用和破坏大量的优质高产良田。能否减少公路建设用地，是政府和地方人民所关注 的一个重要问题。同时软土地区高路堤带来的建设填筑期的路基稳定和运营期的工后 沉降过大的问题是建设部门和施工单位所非常关心。 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【4 1 0 并在苏州绕城高速公路( 西南段) 和盐通高速公路部 分标段上实施低路堤方案1 2 】和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 5 1 。2 0 0 4 年河南省 对河南的高速公路设计作出重大调整，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。现建设中的商丘至周口、 商丘至菏泽高速公路都采用低路堤1 6 j 。 1 1 2 软基规范对交通荷载作用下软土地基沉降影响分析 目前软土地区高等级公路设计时，采用的是公路软土地基路堤设计与施工技术 规范( j t j 0 1 7 - 9 6 ) 7 1 。但是由于我国在低路堤高等级公路方面缺少实践的工程经验。 在考虑交通荷载对地基沉降影响时，规范建议可以不考虑。以下为文献 7 】中对交通 荷载作用下软土地基沉降分析： 交通荷载对软基沉降作用与对路面强度的影响无疑是不同的，但如何处理目前 的研究成果很少。对于交通量的处理，可以借用城市交通量的校正办法之一，直接按 车重换算。至于地基沉降量，文献【1 】中指出，仅当路堤很低时才需考虑交通荷载的 动荷载作用，并且实际的观测结果表明车辆荷载对沉降的影响，远远没有蠕交的影响 大。文献【8 】要求考虑交通荷载对沉降的影响，但是没有对具体的做法作出规定。 根据现行公路水泥路面设计规范( j t j 0 1 2 9 4 ) 对交通量的分级，特重交通 条件下单向一个车道的标准荷载( 1 0 0 k n ) 作用次数大于1 5 0 0 次日。假定实际的运 行速度为8 0 k m h a ，单车道的宽度为3 7 5 m ，填料的容重为1 9 k n m 3 ，那么该车道上交 通荷载的换算土柱高度可计算如下： 2 交通黄戴对低路堤下软土地基沈降影响的室内试验与研究 矗。；羔蔓塾坚生兰塑羔兰! 生；1 1 1 0 一：( ，盯) ：1 1 ( m ，打) ( 1 1 ) ”( 8 0 x l o o o ) x 3 7 5 x 1 9 、7、 我们再从交通工程学的角度考虑这个问题。当车辆以速度v ( k m h ) 行使在表面摩擦系 数为，的道路上时所需的最小制动停车视距d ： d = 0 6 4 9 v + 0 0 0 3 9 4 v 2 f ( 1 - 2 ) 设v = 8 0 k m h ，= o 3 由上式算得d = 1 4 0 m ；与其对应的道路交通容量为5 7 0 v e h h ( 辆 ，j 、时) 。类似上面的计算，不难得到换算土柱高为h 。= 0 0 1 m ，即使按临界时间车头间 隔2 s 得到的道路交通量为1 8 0 0v e h h 来计算，换算的土柱高度也只有3 c m 左右 文献f 7 】认为通过以上的分析可以看出，交通荷载对沉降的影响是极少的，设计 计算时没有过多考虑的必要。但是在实际的工后沉降中发现，交通荷载对低路堤下软 土地基沉降有较大影响。 1 1 3 软土地区路堤填土高度降低带来的问题 l 1 3 1 路堤填土高度降低使得交通荷载对地基沉降的影响增大 由于路堤填土高度的降低，地基中一部分软土层将位于交通荷载作用的深度内， 从而使得地基中软土层受到附加荷载，产生新的沉降。从实际的观测资料，大部分低 路堤的路段在通车以后都会有沉降速率增大的现象。研究结果表明，交通荷载对于低 路堤的工后沉降有较大影响，如日本藤川贺之【9 】对佐贺空港高速的研究结果表明，交 通荷载引起的部分沉降约占总工后沉 v 降的5 0 ，约为4 0 0 m m 6 0 0 m m ，可以_ 看出这是一个不可忽略的值。日本道哂 l o 路协会曾对交通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 了开放交通后的新沉降。通过分析得 出：这种沉降是由于交通荷载引起的， 如图1 1 所示。 图1 1 路堤施工中和开放交通后沉降曲线 交通荷载引起的地基沉降，从时间先后顺序来分析的话，交通荷载作用下地基土 3 河海太学硕士论文 层沉降，将在公路开通交通后产生，会加速工后沉降的增长速率。对于工后沉降控制 严格的高等级公路来讲，了解和分析软土地区的低路堤公路在交通荷载下的沉降特 性，是在软土地基上修建低路堤高等级公路时，必须考虑的问题。同时对高等级公路 来讲，工后沉降和地基的不均匀沉降是影响公路正常使用的主要不利因素之一。 目前对路堤填土部分在交通荷载作用下的压密问题研究得较广泛，而对软土地基 在交通荷载作用下沉降变形研究得很少。目前在高等级公路上采用低路堤设计，降低 路堤填土高度，将使得一定厚度的地基土层位于交通荷载的影响范围之内。当路堤填 高度降低，交通荷载所产生的应力，在路堤填土中不能充分扩散而传递到软土地基 中，从而加剧软土地基的变形沉降。同时交通荷载引起的振动容易直接传递到软土地 基中，使得饱和软土中产生超静孔压，孔压的消散也会带来新的沉降。 1 1 3 2 填土高度的降低使得路基承载力降低、不均匀沉降明显 路堤填土高度的降低会使得路堤本身刚度降低，路基刚度是评价高等级公路质 量的一个重要指标。路基刚度过低的话，路基承载力会不够，在重载车辆作用下，会 使得路面结构层发生早期破坏，减少高等级公路的使用寿命。这是由于当路基刚度不 够时，在较重荷载作用下，路基产生较大变形，使得路面结构层底部出现较大拉应力， 路面结构层底部拉裂出现裂缝，路面结构层破坏。随着结构层的破坏，整个路基的刚 度进一步降低，交通荷载在路基中的影响深度增加，加剧软土地基的沉降。同时沉降 的增加也会加剧路面破坏和不平整度增加，进而会使得交通荷载的影响增大，形成恶 性循环。 路堤填土高度的降低，也会使得路基填土抵抗不均匀沉降的能力降低，由于软 土地基中地质条件的差异，导致地基的不均匀沉降会比较容易反射到路面上来。对于 高填土路堤来说，由于路基填土密实，路基整体性强，当地基产生不均匀沉降时，能 通过调整应力分布，使得地基沉降保持一致。但是低路堤由于路基在竖直方向的强度 低，自身能调整不均匀应力的能力低，地基条件的不均匀分布会容易导致不均匀沉降。 1 2 交通荷载对低路堤公路下地基沉降影响的研究现状 1 2 1 国外的研究状况 动力荷载( 如地震荷载、交通荷载、波浪荷载、风荷载、强夯冲击荷载、机器 基础的振动等) 作用下岩土介质力学特性的研究由来已久。早期的研究主要集中在爆 4 交通荷戴对低路堤下提土地基沉降彤响的室内试验与碍究 炸冲击荷载、地震荷载、基础的振动等方面。 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 1o 】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 n 9 】贝u 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 i n 】、s e e d l l 2 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 1 3 l 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己引起人们的重视。早的如s e e d 1 4 1 1 5 1 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 a m i 和o g a w a 1 酊、y a m a n o u c h i 和a o t o 【1 7 j 以及l u o 1 8 】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 n n 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 ) f 1 9 】；y a s u h a r a 2 0 1 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 u j i w a r a 2 1 】【2 2 j 【矧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 j i w a w a 等人 的成果，同时发展了多种土的本构模型。 循环荷载可分为短期循环荷载( 如地震荷载) 和长期循环荷载( 如交通荷载、波 浪荷载等) ，相对于粘土的渗透性来讲，可以认为短期循环荷载作用阶段为不排水， 而长期循环荷载作用下的地基可认为处于一种部分排水状态，超静孔隙水压力的产生 和消散重复交替进行( y a s u h a r a 、h i r a o 和h y o d o ，1 9 8 8 ) 2 4 l ，s e e d 和他的同事在2 0 世纪5 0 年代末、6 0 年代初对循环荷载作用下的路基、路堤的沉降及稳定性作了研究 ( s e e d 和c h a n ) ，日本建设省在a r i a k e 粘土上进行了低路堤交通荷载试验后认为， 车辆跑动时土中的应力约为车辆静止时的三倍，交通荷载的波形接近于三角波( h y o d o 和y a s u h a r a 1 9 8 8 ) 2 5 】。 1 2 2 国内的研究状况 在我国经济发展推动下，高速公路和高速铁路的迅速发展也对在动力荷载作用 河海土学硕士论文 下，软土的力学特性研究提出了新的要求。目前国内关于交通荷载对公路工后沉降影 响作用的研究开展工作并不多，发表的文献也较少。但是在部分领域，研究却取得了 一些的进展。道路方面的研究工作者主要从路面力学角度出发，将交通荷载视为一个 静止的荷载去分析路面设计的问题，而对车辆动载以及由此引起的路面动力反应却很 少考虑。从事车辆力学研究的工作人员，也一般只是把车辆作为一种随机分布的外界 激励，很少涉及车辆运动过程中对道路的作用及损伤进行研究。由此看来，在我国将 两者结合起来进行研究很有必要。深入研究车辆对路面的动力作用，不但可在理论上 搞清楚两者之间的内在关系和规律，还可以带来巨大的社会经济效益。 目前国内对循环荷载作用下软土变形和孔压特性进行研究的有：自冰和周健【2 6 】 对软粘在周期性荷载作用下的孔压发展、残余变形及应力历史对软粘土的变形的影 响进行了研究；蒋军【2 7 1 【2 8 1 对循环荷载作用下粘土应变速率和长期循环荷载作用下粘 土的一维沉降进行了研究；周建等【2 9 l 对循环荷载作用下影响饱和软粘土特性的因素进 行研究；凌建明等【3 q 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。 1 3 本文主要工作 高速公路工后沉降控制问题一直为人们所关注，也是目前公路界的热点研究问 题。本文根据粤东地区的深汕高速西段、汕汾高速和揭普高速公路资料和现场试验资 料，以试验为主，并辅以计算分析，结合大量的文献资料，拟定本文的主要工作如下： 1 ) 在室内对软粘士进行循环荷载试验的基础上，分析和探讨软粘土在循环荷载 作用下变形和孔压产生机理的。 2 ) 在总结分析现场观测资料的基础上，进一步探讨和分析软粘土地基上低路堤 在交通荷载作用下的变形规律。 3 ) 对低路堤公路地基在交通荷载的沉降计算方法进行探讨和分析；对交通荷载 对路基的作用进行简化，并通过对现场观测和试验数据分析，寻求交通荷载 与简化计算静荷载的关系；建立简化计算模型。便于对交通荷载作用下公路 工后沉降计算和预测。 4 ) 对交通荷载的作用特点进行分析，针对交通荷载的作用特点，提出一些适宜 的处理方法，以便对低路堤高等级公路的工后沉降以及其他问题进行控制。 6 交通荷戴对低路堤下获土地基忱降彤响的室内试验与唧宪 第二章交通荷载及其作用下地基沉降分析 2 1 交通荷载的作用特性及其影响因素分析 交通荷载是由于车辆运动，车辆荷载通过路面的传递，对路基施加的附加荷载。 由于在时间和空间上分布的特点，交通荷载有别于路堤填土静荷载，其作用特性及其 作用下地基沉降有其本身的特点： 1 ) 交通荷载属于动荷载的范畴，其作用在时间分布上不连续、在空间分布上 不均匀。 2 ) 交通荷载作用时，汽车行驶带来的震动会对地基及其周围环境产生影响。 3 ) 随着交通量和重载车辆的增多，交通荷载会加剧地基沉降。 4 ) 交通荷载对地基的作用与路堤填土高度有密切关系，交通荷载对地基沉降 的影响会随着路堤填土部分的增加而减少。 2 1 1 交通荷载作用特性 2 1 1 1 交通荷载的长期性 交通荷载区别于其他一些动荷载如：地震，爆炸等一些短期冲击荷载的个重 要特点是荷载作用时间的长，作用次数多。一般的地震荷载的作用时间是2 0 4 0 s ， 作用次数也较少，爆炸荷载的作用时间还要短，通常为o 1 o 0 1 s 。而交通荷载的作 用是与公路的使用年限和车流量有着密切的联系。一条双向四车道的高等级公路，设 计使用年限为1 5 年，设计e t 车流量为2 0 0 0 0 辆e t l 3 1 。假设在设计使用年限内，日平 均车流量为1 0 0 0 0 辆日，则每个车道要受到1 5 x 3 6 5 x 1 0 0 0 0 + 4 t 1 3 7 x l o 次的交通 荷载的重复作用。 由于交通荷载作用的长期，交通荷载对地基产生的作用将有别于短期荷载。在交 通荷载作用时间内，地基中孔压要经历一个积聚和消散的全过程。同时在孔压的消散 过程孔压会随着交通荷载的作用而发生波动。 2 1 1 2 交通荷载的动载特性 河海土学硕士论文 i 、交通荷载的大小随路面平整度变化而变化 车辆在行驶的过程中施加到路面的荷载不同于静载，而是间断变化的荷载。动载 产生部分原因是由于路面不平引起车辆振动，其余是由于车辆行驶过程中荷载的转 移。这里要特别强调重型车辆的动载，是由于公路路基设计一般是以重型车辆的轴载 为依据的，目前我国高等级路面的合理极限轴载是1 0 0 k n ，但是由于动载的存在使得 路面承受的实际轴载远大于此值，根据美国各州道路工作协会( a a s h o ) 实验得到 的四次方法则，重型车辆的动载同时又会大大加速了路面的破坏 3 l 】。 汽车在道路上行驶，由于车身自身振动和路面的不平整，其车轮实际上是以一定 的频率和振幅在路面上跳动，其作用在路面上的轮载时而大于静态轮载，时而小于静 态轮载，呈波动状态，轮载的这种动态变动，可以近似的看作为里动态分布，其变 异系数( 标准偏差同静载的比值) 主要随三方面因素变化： 1 )行车速率：车速越高，变异系数越大。 2 )路面的平整度：平整度越差，变异系数越大。 3 ) 车辆的振动特性：轮胎越软，减震装置越好，变异系数越小。 正常情况下，变异系数一般小于0 3 。如图2 1 为实测情况 从以九t m k 1 。芦6 叔时唑 讳袖t 卜- f 刈7w w 埘v 卜一l ，一 ( 章毫者】芒日h 秸搪奢韫i 4 _ 。t 地时闸o t l l wr j 剐曩中孽牛奠崖 图2 1 轴载的动态变动图 路面承受的动载直接取决于该段路面的不平整度。平整度较好的路面承受的动载 较小；平整度较差的路面承受的动载较大。同时路面所承受的动载影响未来的不平整 室的发展，承受较大动载的路面不平整度恶化较快；承受较小动载的路面不平整度变 比较小。因此在道路使用的初期，平整度变化较小，而在路面结构的某些薄弱区发生 8 交通荷栽对低路堤下轻土地基沉降影响的室内试验与研究 凹陷，该处的不平整度发展则呈加剧的趋势。在相关研究中发现，在高速公路行车道 和超车道承受不同规律的动载作用，必须分别分析。 公路路基设计时，一般将车辆对路面的荷载视为静荷载来解决研究的一些问题， 对车辆动载引起的路面的动力响应却考虑得很少。实际上车辆与路面是一个相互作用 的过程，路面的不平引起车辆的振动，车辆又对路面施加动力荷载。如果在低路堤公 路设计时仅考虑静荷载的作用，设计出来的路基工后沉降必然与实际的情况有较大出 入。 i i 、交通荷载作用具有瞬时性 行驶的汽车对路面施加的荷载具有瞬时性，车轮通过路面任何一点时，路面承受 荷载的时间很短，大约在o 0 1 o 1 s 左右。在路面以下一定深度持续的时间略长，但 是仍然是十分短暂的。由于路面结构中的应力传递是通过相邻的颗粒来完成的，若应 力出现的时间很短，则来不及传递和分布，其变形特性便不能象静载那样呈现得那样。 交通荷载作用下地基承受荷载作用时间长短与汽车行驶速度有关。随着汽车速 度的增加，地基承受荷载的时间会减少。同时路基变形也会随着车速的变化而变化， 美国各州道路工作协会( a a s h o ) 【3 2 l 对车速下沥青路面和水泥混凝土路面得变形测 量。结果表明，当行车速度由3 2 k m h 提高到5 6 k m h ，沥青路面的总的弯沉值减少 3 6 。动荷载作用下路面变形量的减少，可以理解为路面结构刚度的相对提高，或者 是路面结构强度的相对增大。 、交通荷载的作用能使地基产生振动 汽车在运动的同时又产生振动，使得地基中土体受力状况很复杂。交通荷载的周 期长，自身振动的频率也低，荷载产生的振动波的波长较长，波传播较远，影响的范 围大。交通车辆引起的结构振动通过周围的地层向外传递，进一步诱发附近地下结构 及其附近建筑的二次振动和噪音，对建筑物特别是古建筑的结构安全以及其中居民和 工作人员生活和工作产生很大的影响。在捷克，繁忙的公路交通线路附近的一些古建 筑因振动而产生裂缝，其中布拉格等地甚至发生了由于裂缝不断扩大导致古教堂倒塌 的恶性事件。 当重载车辆从你身边经过时，会感觉到地面的振动。振动对人们的生活已经造成 了巨大的影响。据报道【3 3 】：最近北京西直门附近的铁路约l o o m 处的一座五层楼的居 民发现，室内家具由于列车引起的振动发生错位。目前国际上已经把振动列为七大环 河海太学硕士论文 境公害之一，并开始研究振动污染以及它对人体的危害。 根据日本建设省的调查，交通引起的振动影响人的睡眠的投诉率最高，约占4 5 ，其次是精神损伤和房屋破坏，分别占到2 0 。试验表明振动对于居住在交通线 路附件的居民影响非常大，并且振动的强度愈高，对人们入睡和睡眠的程度影响愈大。 国外的研究证明：由于振动感觉器官遍布全身，再加上振动容易引起人体内脏器官的 共振。研究结果看出，振动对关节骨骼疾病诱发率极高。由于交通引起的环境振动是 长期的，因此，对交通引起的环境振动进行控制和治理具有更加现实的意义。 对于汽车荷载而言，通过现场实澳4 可以发现，车辆荷载对振幅的影响较小，而车 辆的自振频率特征对振幅的影响较大。满载时，主要取决于车体部分的自振特性，而 空载时则取决于轮轴部分的自振特性。车速不同时车辆的动荷重及其自振特性对振幅 的影响较大。另一方面，路面的凸凹对车辆的影响也较大，若车辆的自振频率与路面 的粗糙程度引发频度相近时可以引起车辆的宽频振动，一般而言，当路面的凸凹在 0 0 6 5 0 4 2 周m ，即波长为1 2 3 0 5 m 时影响较大【3 4 1 ，相同线路条件的情况下，车 辆荷载的轴重越大，运行的速度越高，路基的振动越厉害，特别是当运行速度引起的 荷载频率接近线路结构的固有频率时，将产生共振，此时路基振动最剧烈。 当地基松软或既有公路地基承载力不够时，车辆高速运行所产生的振动会加大， 使得路面变形加剧，公路路的维修工作增大。当行车引起的路基振动频率与路基的固 有频率一致时，会出现共振的现象。慕尼黑联邦铁路中心经过多年的研究结果表明， 车辆运行引起的振动频率与车辆的行驶速度有关，路基的固有频率则与路基的填筑高 度有关。确定了土质状态和振动状态的关系。同时振动幅度和频率与路面的弹性变形 也有着密切的关系。 2 1 2 交通荷载的影响因素 2 12l 交通荷载大小与路堤高度密切相关 交通荷载对路面的影响，随深度的增加而逐渐减弱，对路面材料的强度、抗变 形的能力和稳定性等要求也随深度的增加而逐渐降低。为了适应这一特点，绝大部分 路面的结构是多层次的，按使用的要求、受力状况、土基支承条件和自然影响因素程 度的不同，在路基顶面采用不同规格和要求的材料分别铺设垫层、基层和面层等结构 层。 通过路面传至土基顶面的交通荷载，是一种重复作用的瞬时动荷载，车辆在起动、 1 0 交通荷栽对低路堤下敏土地基忱降彤响的室内试验与研究 制动、变速和正常行驶的过程中作用于路表面的水平力随深度衰减很快，当路面厚度 在1 5 c m 以上时，土基顶面受到的水平力很小，可以忽略不计。行车的撞击力通过路 面的吸震作用，传至土基顶面也很小。因此通常把交通荷载对土基的影响看作一种瞬 时、重复作用的垂直力。路基顶面受到的垂直力的大小，视车辆荷载和路面的刚度而 定。通常，水泥混凝土路面下土基顶面的压力在0 0 5m p a 以内；而柔性路面下土基 顶面的压力约为0 0 5 ，0 3 m p a 。垂直压力沿土基的深度递减，至一定深度其应力比随 深度增加而增加士基自重应力小得多，当前者与后者比值为1 5 1 1 0 以下时，再往深 处，交通荷载的影响与土基自重应力的影响相比可以忽略不计，此深度便可以看作对 于支承路面经受交通荷载作用有较大影响的土基范围，必须保证这部分土基具有足够 的强度和水稳定性。这个深度随交通荷载的大小与路面的刚度而异，通常约为 0 9 3 7 m ，称为路基的工作区。 关于路基工作区计算，首先需要计算轮重在路基中引起的应力，然后去计算路基 工作区的深度，规范推荐的计算方法如下： i 、轮重在路基内引起的应力计算( 主要按照b a u s s i n e s q 公式进行计算f 3 4 i ) 1 ) 当轮重作为集中荷载( 如图2 2 所示) 集中荷载p ，在深度为z ，水平距离 为r 处的竖向应力o ：为： 。k x i p ( 2 1 ) z 。 、 h 1 + ( 扣 当直接在轮迹中心以下( r = 0 ) 时，应力最大， 因而式( 2 - 1 ) 可以变为 盯：一k p z 2 ( 2 - 2 ) 式中：k ；三o 4 7 7 5 。0 5 研 2 ) 当轮重作为圆形均布荷载时( 如图2 3 所示) 荷载以均布单位压力p ，作用于半径为r 或直径为d 的轮迹内，则直接在轮迹中心 图2 2 集中荷载作用示意图 查 生驴 世 i 中 吐 式 河海文学硬士论文 仃：= p 1 一 丽1 门 吁p 而斋 卟p 岛h 南】 j ( 2 3 ) z ( 2 4 ) n ( 2 5 ) 图2 3 均布荷载作用示意图 对于直接在轮迹以下路基内的应力，无论轮重作为集中荷载或均布荷载，对于稍 深的路基顶面以下土中应力，两者计算结果亦相互致。 i i 、路基工作区计算： 路基土本身重量在路基内深度为z 处所引起的应力盯。为： ( 2 6 ) 式中：，一土的容重( 3 ) ； 超过一定深度后，轮重所引起的应力o ：与路基土自重所引起的应力的比值很 小( 不超过1 51 1 0 ，交通荷载对地基的影响可以不计。 则k 三。堕 彰 以 ( 2 7 ) 从而得出车轮荷载所引起的应力分布深度，即工作区深度z 。的近似值为： 3 k n p y 式中：z 。路基工作区的深度( m ) p 一车轮荷载k n ： k _ 一系数k = 3 2 = 0 5 ； y 一土的容重，取为1 8 0 k n m 3 n 一系数，n = 1 1 0 1 5 ； 1 2 ( 2 8 ) 交通荷栽对低路堤下辍土地基沉降影响皓室内试验与研究 根据相关车型后轮荷载、土的容重y = 1 8 0 k n m 3 及n = 1 1 0 1 5 计算而得，当1 n = 1 5 时，较轻型汽车，z 。仅有0 7 m ，较重型汽车，z 。可达2 9 m ；当1 n = 1 1 0 时， 较轻型汽车，z 。仅有0 9 m ，较重型汽车，z 。可达3 7 m 。可见轻重型车辆车轮荷载 的影响深度( 或工作区深度) 相差很大。 日本研究者根据实测的结果，认为交通荷载对地基沉降影响则随着路堤的填筑高 度的增大而降低，交通荷载当量( 相当于路堤静荷载引起的地基的沉降值) 的大小与 路堤填筑高度有关： 印= e x p ( 1 7 1 o d ) ( 2 9 ) 式中： p 一交通荷载当量( k p a ) ； d 路堤填筑高度( m ) ； 由于以上分析是假设工作区的深度在地下水位以上，但是对低路堤公路下的软地 基来说，地下水位较高时，有一部分车辆荷载会影响地下水位以下部分，由于地下水 的影响会使得车辆荷载的工作区加深，从而使得地基中的软土受到较大交通荷载的作 用。 2 1 2 2 交通荷载与汽车载重量有紧密联系 根据式( 2 2 ) 式( 2 5 ) 可以看出，交通荷载在地基中产生的应力与车辆的轴 载是正比关系。同时随着轴载的增加，不仅会使原来交通荷载作用范围内软土层的附 加荷载增加，还会使交通荷载的作用影响深度增加。这样将使得软土地区低路堤下地 基沉降随着载重汽车的超载现象的增加而增加。 在实际的道路交通中，随着经济的发展，重载交通工具发展迅速，轴载已经远远 超过我们的设计荷载1 0 0 k n ，从目前的调查来看重载汽车在总的交通流量中占有很大 的比例。当前的超载现象严重，在某高速公路车辆调查中发现6 1 的货车超载，其 中最大轴重达到1 8 0k n 。许多地区运输车辆的轴载远远大于规定的单轴1 0 0k n 和双 轴1 8 0k n l 3 5 j 。 具体调查【3 6 】，广东省梅州营运的3 轴以上违规大吨位货车已超过干辆，有些载重 量8 0k n 、1 0 0k n 的车辆经过改进后，实际的载货量达到4 50 k n 以上，轴载普遍达 到1 5 0k n 2 0 0 k n 。地处中原的河南省【期，近几年来超载车辆十分严重，尤其是运 河海土学硕士论文 煤车，单车荷载在1 0 0k n 的货车超载到3 0 0k n 左右；单车荷载在2 0 0k n 左右的货 车超载达到6 0 0k n 左右，甚至达到1 0 0 0k n 以上。河北省的调查资料显示f ”1 ，大型 运输车辆比例不断增加，超载车辆占满载车辆的8 0 ，超载吨位般为正常吨位的 6 0 1 0 0 。以山西省为例【3 9 1 ，作为全国能源、重化工产业的基地，晋煤外运任务十 分繁重。据山西省1 0 条主要运煤路线的调查统计表明i 柏】，载重8 0k n 以上的重车占 汽车自然交通流量的比例为2 0 5 0 ，有相当路段的比例高达5 0 以上，其普遍超载。 许多实践证明，公路、城市道路及机场道路中的土基、基层材料及沥青混合料呈 现出弹粘塑性性质。在交通荷载的作用下，其应力一应变均表现为非线性，因而其回 弹模量不是常数。由于超载程度的增加，路面出现破坏，路基出现沉陷，对公路破坏 严重。 2 2 交通荷载作用下软土地基沉降分析 对于高填方路堤来说路堤本身沉降占相当大的比例，而对于软土地基上的低路堤 来讲，由于路堤高度较低，地基沉降占总沉降的绝大部分。要控制路基的变形就要估 算地基下沉量。我们所关心的路基变形有三类：1 、路堤及地基在于本身的自重作用 下的压密下沉。2 、车辆行驶时可以恢复的那部分路基弹性变形。3 、运营阶段由于交 通荷载引起的累积沉降。 2 2 1 交通荷载下路基可恢复形变 实际上，在车辆的运行过程中，路基作为线路车辆一动力系统的组成部分，受动 力作用产生变形。路基的动态响应可用变形和加速度来描述。其中，路基的变形可分 为两部分，一部分是不可恢复的，称为塑性形变，与许多因素有关。一部分是可以恢 复的形变，称为弹性形变。 路基刚度是影响弹性变形的重要因素之一，所谓的刚度是指路基抵抗车辆荷载产 生变形的能力。一般地，基床刚度越大，基床弹性变形越小，文献【4 1 】给出了在沼泽 地和砂砾石路基情况下的变形。在荷载和线路相同的情况下，沼泽地的变形是砂砾石 的2 5 倍。文献【4 2 】报告了一次极有价值的试验，这个试验是在1 9 7 1 和1 9 7 4 年在法 国a m i e n s - - r o u e n 线进行的t g v 试验。试验列车通过一段白垩土和相邻的沼泽地区 段时，只能以8 0 k m h 的速度运行，无论如何也达不到1 4 0 k m h 。从地面可以观测到 车轮处的轨道变形达到2 0 r a m ，车轮前面的轨道有一个沿钢轨的纵波也以车速前进。 1 4 交通荷栽对低路堤下担土地基沉降彤响的室内试验与研究 试验者在分析这种现象时指出，运行速度上不去的原因是轨道支承结构的刚度影 响所致。于是提出了一个极限速度的概念，认为，线路结构的刚度随列车的运行速度 而变化，当运行速度接近某一极限速度时，传统的计算方法不能反映列车和线路的相 互作用。此段线路经过基床和道床加固后，运行速度提高到1 2 0 k m h 。由此可知，路 基刚度太低，高速是不可能实现的。 以上试验结论是在高速铁路试验中获得，同样对于高速公路也会具有同样现象， 如果地基刚度提高不上去，对于轴载较大的车辆行车速度也同样不可能达到设计水 平。同时当路基刚度过低时，车辆荷载在路面上产生的弹性形变必然大，即通过路面 传至土基内的汽车垂直荷载，必然使土基产生较大的变形。一般荷载作用下路面表面 出现的总弯沉( 垂直位移) 形变中，土基变形占到7 0 8 0 以上。而土基的形变必然 使路面也随之变形，严重时还会造成路面破坏。因此通过以上分析来看，对于软土地 基上的低路堤高等级公路来讲。由于路堤的高度限制了路堤本身的刚度，同时由于软 土地基的变形模量小，导致公路的整体路基的刚度小。当路基刚度低时会导致如下两 个问题：第一：会使得弯沉值大，使得路面结构层底部的拉应力过大，路面结构层出 现裂缝，导致路面较旱的破坏：第二：由于刚度低，弹性形变大，重载车辆会达不到 设计的车速，降低公路的服务水平。 弹性变形与作用于路基的荷载大小密切相关。相同线路的情况下，车辆荷载的 轴重越大，运行的速度越高，路基的振动越厉害，特别是当运行速度引起的荷载频率 接近线路结构的固有频率时，将产生共振，此时路基振动最剧烈。图2 4 是日本的试 验结果，弹性变形近似与运行速度成线性关系【4 3 】。 5 06 07 08 09 01 0 01 1 01 2 01 3 0 图2 4列车运行速度与弹性变形关系图 o 5 0 5 0 5 0 3 2 2 1 1 0 0 河海土学硕士论文 2 2 2 交通荷载作用下的不可恢复