上海嘉定地区砂土永久变形的影响因素研究（交通）

                                朱唐亮

              （同济大学道路与交通工程教育部重点试验室上海201804）

摘要为了了解影响砂土永久变形的关键因素，对上海市嘉定地区的砂土进行了基本物理力学

性能试验，随后在万能材料试验机上对砂土进行了重复加载动三轴试验。结果表明，偏应力对塑性变形的影响力最大，含水率次之，压实度的影响力最小。

关键词  路面工程砂土永久变形偏应力

    随着高等级公路日益增长的运输量及运输重型化，尤其是实行了渠化交通后，车辙已成为沥青路面最为突出的问题。路面结构在车辆的重复荷载作用下产生的永久（塑性）变形即为车辙，会影响行车的安全性和舒适性，从而进一步导致面层出现开裂。沥青路面结构的永久变形是由沥青混合料层、粒料层和土基的永久变形组成。根据美国各州公路工作者协会(AASH())的环道试验结果可知，车辙总量的32%发生在面层，14%发生在基层，45%发生在底基层，即粒料层变形占总车辙量的59%。

    因此对影响路基土永久变形性能的因素进行研究是十分必要的，对于指导柔性路面设计具有重要的现实意义。本文以上海市嘉定地区附近的砂土为例，通过室内重复加载动三轴试验对砂土进行永久变形的研究，得到永久变形的发展曲线，并分析各影响因素（应力大小、含水率、压实度）对永久变形的影响。

1砂土的基本性能试验

    根据《公路土工试验规程》(JTG E40 -2007)中的相对密度试验、颗粒分析试验、界限

含水率试验，以及击实试验对土样进行基础物理、力学相关参数的试验，试验结果见表1。

    参照《公路土工试验规程》进行砂土试件的快速固结试验，土样的e-p曲线见图1，计算后各级压力下的压缩模量E_s见表2。

    参照《公路土工试验规程》进行砂土试件的直剪试验，土样的曲线见图2，分析图2后得出砂土的粘聚力c为0 k Pa，内摩擦角为9.3⁰。

 参照《公路土工试验规程》进行砂土试件的CBR试验，2.54 mm和5.08 mm时对应的CBR

值见表3。

    参照《公路土工试验规程》进行砂土试件的回弹变形试验，计算后的回弹模量值见表4。

2砂土的三轴永久变形试验

    动三轴试验法是在常规静三轴试验的基础上，由增加轴向激振系统改造而成。万能材料试验机（MTS-810）可以由计算机精确控制荷载并能自动采集变形数据，可根据试验需要自行编制加载程序，通过调整加载波形参数即可实现各种加载模式的组合。试验采用直径100 mm、高200mm的圆柱体试件，采用静压法成型。

    调查发现我国公路路基在运营过程中的湿化现象非常严重，很多路面病害归根结底是由于路基中的含水率过大引起的。路基土在高含水率状态下承载能力降低，造成抗车辙能力降低。因此，从偏安全的角度考虑，试验土样取最佳含水率的105%，110%，120%。

    根据我国《公路工程技术标准》(JTG B01-2003)规定：在距路基顶面80 cm以上，路基压实度在94%～96%之间。考虑到施工时压实度有可能略低于94%，因此，采用91%和96%2个压实度。

    对于高速公路结构而言，路基顶面的压应力很小，据实地测试表明，当轴载达到17.4 k N，距路基顶面30 cm处最大压应力才为12 k Pa。参照《公路沥青路面设计规范》(JTGD50 - 2006)中各种材料参数的取值，土基回弹模量取30 M Pa，在标准轴载作用下，通过BISAR计算得到低等级公路的沥青路面结构路基顶面的压应力为45kPa。Elliott等采用围压0，21，41 k Pa进行三轴试验，发现围压不是影响永久变形的关键因素。因此，在本次试验中，围压预定为30 k Pa，偏应力水平初步选3种：30，50，70 k Pa。

    车辆在路面上行驶时，作用于路面上的行车荷载随时间变化，每个车轮行驶通过时，都可以当作一个荷载脉冲。荷载随时间的变化函数主要有半正弦函数和三角形函数。目前，美国现有规范中测试土的回弹模量均采用半正弦函数，故参考采用半正弦函数。

    目前有许多学者都采用1 Hz的加载频率、0.1 s的作用时间和0.9 s的间歇时间进行永久

变形试验。他们都是依据回弹模量测试规范（如LTPP P46-96和NCHRP 1-28）确定的。但是，新规范NCHRP 1-28A中认为路基在面层结构的下方，由于应力的传递需要时间，且路基内部由于运动车辆引起的动应力持续时间较长，取0.2 s比较合适。因此，本次试验的条件如下：荷载频率为1Hz，作用时间为0.2 s，间歇时间为0.8 s，作用次数为10 000次。

    根据上述试验条件分别成型对应的土样，土样的序号见表5。

    表5中土样序号1“91-105 - 30”分别代表91%的压实度，105%的最佳含水率，30 k Pa的偏应力，其他编号的类似。

    压实度为91%时的砂土在各种工况下的永久变形曲线见图3～图5，压实度为96%时的图形比较类似，不再给出。图中1～9为砂土土样序号。

由图3～图5可见，当压实度为91%时，偏应力由30 kPa增加到70 kPa，不管在哪种含水率条件下，塑性变形会有明显的增长；含水率由105%增加到120%时，在高偏应力条件下，塑性变形会有较大的增长；但在低应力条件下，如30，50 kPa时，含水率从105%增加到110%会有一定的增长，但是含水率由110%增加到120%基本没有什么变化。

    当压实度为96%时，相同含水率条件下，由于偏应力增加引起的塑性应变的增量要比压实度为91%时小，塑性应变的总量也较小。但是，含水率从105%增加到120%时，相同偏应力条件下，塑性应变都有相同的趋势，都是不断增加的。

    由以上分析可以看到，偏应力对塑性变形的影响力最大，含水率次之，压实度的影响力最小。

3结语

    通过以上分析可知，偏应力和含水率对塑性变形的影响力较大，因此需严格限制重载车辆通行以减小传递到路基中的应力来减小路基的永久变形，并且保持路基土处于干燥状态至关重要。接下去将以此为基础，进一步分析其他对砂土的永久变形有影响力的因素后，回归出符合嘉定地区砂土永久变形的经验公式，从而指导当地道路施工。