江\湖冲积淤泥地区高速公路路基在交通荷载作用下沉降测试与研究

摘要：在我国的长江三角洲、珠江三角洲、黄河下游、洞庭湖冲积平原区、浙江西湖及钱塘江片区等江、湖冲积淤泥地区，低液限冲积淤泥分布很广，淤泥很容易液化，使淤泥路基呈现很大的沉降。目前，很少有现场模型试验研究淤泥路基在交通荷载作用下沉降。因此，本文开发了模拟交通荷载的落锤装置。通过调整工艺参数，如重量的下降高度，不同类型的交通荷载施加被很好地模拟。使用该设备，现场测试研究了淤泥地基累积沉降。研究表明：路基沉降随超孔隙水压力的快速增长而开始，然后趋于稳定，随着负载周期数交通荷载的大小增加而增加。当负载达到一个阈值，液化发生在淤泥底土。终止加载后孔隙水压力迅速下降，同时沉降的增加，而一小时后，趋于稳定。

关键词：高速公路、交通荷载；冲积淤泥；路基沉降；

中图分类号：U412文献标识码： A

1.介绍

在我国冲积淤泥分布相当广泛，如长江三角洲、珠江三角洲、洞庭湖冲积平原等江、湖冲积淤泥地区。近年来很多公路建设不可避免要穿过这些区域。为了少占耕地，减少载荷作用下引起路基沉降过大，就必须采用低路堤设计方法。对于具有低堤道路上薄弱地下构造，交通荷载引起的土体变形控制设计是道路建设的一个很很重要的因素。Fujikawa 和 Miura[1]发现交通荷载作用下低路基可能引起大约400-600mm的沉降，这比容许的沉降要大很多。过大的累积沉降将加速路面板的破坏。很多研究采用有限元的方法研究循环荷载下路基的沉降。例如，Abdelkrimetal [2]依靠明确的方程，一般的结构分析方法被提出。Wichtmann[3]通过大量实验研究了长期循环荷载下颗粒材料的长期累积变形。然而很少有研究关注使用数值方法模拟循环次数对路基变形的影响。

很多明确的方法被提出用来预测在重复荷载作用下路基的变形。其中有Moni smith [4]等提出的指数模型。Chai 和Miura [5]修正了LiSelig模型并采用该模型计算低路基交通荷载作用下的变形。试验研究方面，早在1950年就开始了研究[6,7]。Fujiwara等[8,9]研究了预荷载影响下载重复交通荷载下粘土路基的累积变形。研究发现该变形与土的孔隙比、固结比及加载时间密切相关。Huo[10]进行了大规模的模型试验预测循环荷载作用下复合地基的永久变形。一般来说，大型物理模型试验可提供可靠的结果，可以反映累积沉降的全部行为。

2 现场试验

表1展示了场地表层土土力学参数。其中地下水位为地表下0.6m。交通荷载模拟装置（FWTLSE）在本文中使用。本文研究的路面上的车轮负荷分配模型如图1所示。为了确定FWTLSE的目标参数范围内，FLAC3D程序被用来模拟车辆荷载与高速公路路基的动态响应。

表1表层土土力学参数

Table1 Geo-mechanical parameters of subsoil

土层（m） 液限% 塑限% 含水量% 孔隙比 饱和度 C ψ 压缩模量MPa

0-0.6 25 7.4 17.6 0.602 0.78 31.8 22.9 7.45

0.6-10 27 9.8 18.9 0.603 1.00 26.6 20.5 15.86

图1路面上的车轮负荷分配模型。

3 试验及模拟结果

3.1垂直应力对轮间隙中点下地基时程曲线

在轮间隙的中心下面的自然地面的垂直应力响应曲线如图2 所示。在接地表面上的垂直应力是施加的两个轮子，是道路上行驶的卡车一个轮组的一部分应力。由于不同位置，轮间隙的中心下的垂直应力是最大的。从图2中可以看出。路堤的高度具有在天然地基表面上的垂直应力有很大的影响。当路堤高度为0米，垂直应力约为22kPa。当路堤的高度是0.8米或1.5米，垂直应力分别减小到7.8 kPa或5.6 kPa。

图2垂直应力对轮间隙中点下地基时程曲线

3.2 超孔压模拟

重复车辆荷载施加诱发土体超孔隙水压力。同时，超孔隙水压力会导致淤泥地基的液化。在测试现场，底土的表面层是60cm厚的不饱和硬壳。这表明，底土已被液化。在大多数情况下，最初过量的孔隙水压力呈线性负载的周期数增大，那么孔隙压力积累的速率逐渐变得较慢。然而，在某些情况下，一定量的孔压载荷产生的主要原因是超静水压随着加载周期数的测量曲线差异而逐渐减小的，超孔隙水压力的发展和耗散同时发生在加载的过程。

图3超孔隙水压力随负载周期数的发展

3.3 累积沉降

通车后，孔隙水压力在地下的发展和消散同步进行。孔隙水压力的消散导致累积沉降。加载过程中和结束后，于底土安装FWTLSE激光位移传感器测量变形。图4显示10cm的下落距离的情况下沉降随终止加载后不同时间的变化情况。可以看出该曲线的特征时间图与图4中所示一致。

图4终止加载后沉降的发展随着时间的变化

图5给出了出了加载周期在加载过程中的变化情况。在大多数情况下，强烈的累积沉降增加是与循环载荷次数密切相关的，沉降积累率变化在测试高度h =5cm处逐渐变慢。累积增加沉降在加载次数N>1500时的变化情况可从一些不确定因素上分析，如土体的不均匀性等因素。在一般情况下，图5揭示了较大的试验距离造就了较大的累积沉降。加载循环次数越大测试高度越大产生越大的累积沉降。

图.5 不同测试高度下沉降发展与加载周期变化情况。

3.4 测试与模拟结果比较

图6显示原位试验和数值模拟的累积沉降的比较。可以看出，荷载循环数原位测试累积沉降的趋势与计算的结果一致。一般情况下，计算出的沉降发展过程中循环加载的初期阶段比测量更快。特别是，当下降距离为10cm时，该差异是明显的。

在循环载荷的开始测量并计算沉降之间的差异，主要的原因是土体排水部位不一，即土体超孔隙水压力的发展和耗散同时发生在加载的过程。然而，建立在数值模拟中是使用三轴试验模型的基础上的不排水剪切试验。事实上，在交通负载引起的孔隙水压力在负孔隙压力的时空分布是复杂的。超静孔隙水压力的发展和消散是发生在不同的位置。这使得很难模拟实际模型的情况，从而只反映不排水条件下的累积沉降。

图6 累积沉降计算与实测比较（h=5cm）

4 结论

（1）对于被测试的土中，当负载周期的幅值超过阈值时，液化发生在淤泥底土。随着车轮负荷的增加，累积沉降明显增加。因此，限制车辆超载对减少路基的累积沉要。

（2）从数值计算所得的累积沉降和在现场测试显示测量沉降与加载周期数有相同的发展趋势。然而，计算出的值是在负载的早期阶段稍大，由于经验模型的一些假设限制。例如，不排水条件被假定在计算中使用的相应模型而原味测试则是一部分排水的条件。由于本文提出的经验模型的局限性，原位测试能更精确反应累积沉降，而这也是预测经验模型的局限所在。

参考文献：

[1]Fujikawa K,Miura N. Field investigation on the low embankment due to traffic load and its prediction. Soils Found 1996; 36(4):14753.

[2] Abdelkrim M, Bonnet G, Buhan P D.A computational procedure for predicting the long term residual settlement of a platform induced by repeated traffic loading. Comput Geotech 2003;30(6):46376.

[3]Wichtmann T. Explicit accumulation model for non-cohesive soils under cyclic loading [Doctoral thesis]. Ruhr University Bochum; 2005

[4] Monismith C L, Ogawa N, Freeme C R. Cumulative deformation characteristics of subsoil due to repeated loading. TranspResRec1975; 537:117.

[5] Chai J C, Miura N. Traffic-load-induced permanent deformation of road on soft subsoil. J Geotech Geoenviron Eng 2002; 128(11):90716.

[6] Seed H B, Chan C K, Monismith C L. Effects of repeated loading on the strength and deformation of compacted clay. High way Res Board Proc1955; 34:54158.

[7] Seed H B, McNeill R L. Soilde formation in normal compression and repeated loading test. High w Res Board Bull 1956;141:4453.

[8] Fujiwara H, Ue S, YasuharaK. Consolidation of alluvial clay under repeated loading. Soils Found 1985; 25(3):1930.

[9] Fujiwara H, Ue S. Effect of preloading on post-construction consolidation settlement of soft clay subjected to repeated loading. Soils Found1990; 30(1):7686.

[10] Huo T R, Bai S G. Permanent settlement prediction of composite foundation improved by cementsoil piles under cycle loading. Adv Mater Res 2012; 482 484:12058.