土工格室碎石基层_刚性路面承载特性模型试验研究.pdf

第 34 卷 第 4 期 岩 土 工 程 学 报 Vol.34 No.4 2012 年 .4 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Apr. 2012 土工格室碎石基层刚性路面承载特性模型试验研究 赵明华，陈炳初，尹平保，胡 增 （湖南大学土木工程学院，湖南 长沙 410082） 摘 要为深入了解土工格室碎石基层上刚性路面的受力变形性能和破坏机理，在以往工作的基础上开展了进一步的 模型试验，分别研究了该结构在静荷载作用下的荷载位移曲线和动荷载下的破坏模式，并且模拟了基层下土体被掏空 时的工作情况，获得了大量的试验数据，试验结果表明该处治方法可大大提高路面整体的受力性能，加强路面板的协 同工作能力，有效扩散上部荷载，从而可有效增大刚性路面板的破坏荷载，并且可以保证在严重板底脱空情况下的工 作性能，将有效减少错台、唧泥等现象的发生。土工格室的加入使得碎石基层具有了半刚性基层的作用与功能，为长 寿命水泥路面结构优化研究提供了一条新的思路。 关键词公路工程；模型试验；土工格室；静载荷；动荷载；板底脱空 中图分类号TU416.1 文献标识码A 文章编号1000–4548201204–0577–05 作者简介赵明华1956– ，男，湖南邵阳人，博士，教授，博士生导师，主要从事岩土力学、特殊土地基处理及基 础工程等方面的研究与教学工作。E-mail mhzhaohd。 Model tests on bearing capacity characteristics of geocell gravel base and rigid pavement ZHAO Ming-hua, CHEN Bing-chu, YIN Ping-bao, HU Zeng School of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China Abstract To further understand the deation properties and failure mechanism of geocell gravel base beneath concrete pavement, a model test is designed to study the system focusing on the load-displacement curve under static load and the failure mechanism under dynamic load based on the previous work. The working conditions are simulated when the soil under the base is emptied and a large amount of test data are obtained. The results indicate that this approach can greatly improve the overall mechanical properties of the road, strengthen the joint operation ability of pavement and effectively spread the upper loads. Then the failure load of rigid pavement will increase, and the perance of numerous voids beneath concrete slabs will be guaranteed to avoid such cases as the staggered plat and mud pump as well. The geocell gravel base is similar to a semi-rigid base, which provides a new way for the structural optimization researches on long-life rigid pavement. Key words highway engineering; model test; geocell; static load; dynamic load; void beneath concrete slab 0 引 言 从水泥混凝土路面遭受破坏的经验教训中，人们 开始普遍认识到混凝土路面大多由于土基不稳定而产 生唧泥和冻胀[1]，同时因为行车轮迹分布不均，土基 产生不均匀的塑性形变累积而下沉，再加上路面板在 温度、湿度坡差作用下的翘曲，形成板与土基间局部 脱空，从而产生大量的开裂和接缝处的错台现象[2]。 故而选用刚度较大的材料作为混凝土路面的基层，是 保证路面板得到地基紧密、均匀、坚强支承的有效措 施，对保持路面板的使用特性和延长路面的使用年限 具有积极的意义。目前国内外主要推广使用强度高、 稳定和平整度好的水泥、沥青、石灰等稳定土[3]以及 用它们加固处治的碎石、砂砾等半刚性材料[4]，更有 甚者使用贫混凝土作为水泥混凝土路面的基层结构[5]。 土工格室碎石基层的创新之处是在碎石基层中增 设一道土工格室共同承载[6]， 一方面有利于路基排水， 防止过度冲刷后的板底脱空导致的唧泥、 错台等现象， 另一方面构成整体体系更有效的传递板间荷载，加强 路面板之间的协同工作能力。针对这一新体系，本文 在以往研究的基础上[7]，开展了进一步的室内模型试 验研究，主要考察静荷载作用下该系统的荷载位移曲 线和动荷载下的破坏模式，以期深入了解其受力变形 性能和沉降机理，并研究了土工格室碎石基层下土体 被冲刷掏空后的体系的工作性能。 ─────── 基金项目国家自然科学基金项目（51078138） 收稿日期2011–02–10 578 岩 土 工 程 学 报 2012 年 1 模型试验概况 试验在一净空尺寸为 222 cm160 cm100 cm， 壁厚为 1 cm 的钢制模型箱内进行， 周边用角钢加固以 保证侧壁刚性，模型箱见图 1。 图 1 模型试验箱 Fig. 1 Box of model tests 首先铺填 65 cm 厚含水率为 32的重塑软土，测 得黏聚力约为 23 kPa， 内摩擦角约为 11， 后修填 25 cm 厚坡比为 1∶1 砂土路堤，测得其含水率为 8.2， 黏聚力约为 6 kPa，内摩擦角为 35，基层为 4 cm 厚 充填碎石的土工格室或普通碎石基层，土工格室高度 为 4 cm 壁厚为 1.2 mm， 焊炬为 10 cm， 碎石为花岗岩 质，用圆孔试验筛控制最大粒径为 25 mm，最小粒径 不小于 5 mm，测得其自然休止角为 43，最上层为 纵横分缝的九块 4 cm 厚 C30 混凝土面层。模型填土 层次及面板分块编号见图 2。并在路面各板块中心设 立了沉降观测点。 图 2 模型试验示意图 Fig. 2 Schematic diagram of model tests 本文模型试验的主要目的是观察各级静荷载作用 下载荷板沉降变化，以及冲击荷载下的刚性路面板的 破坏模式，探究接缝处板底被掏空后本文提出的新体 系的工作性能。 2 静载荷试验及破坏试验 2.1 静载试验方案 本次试验对基层中有无格室的对比体系的 A3、 C3 号板进行了常规的慢速静载试验， 试验方法参考地 基综合回弹模量测试之刚性承载板法，采用逐级加卸 载法，加载装置是利用杠杆原理自制加工而成（见图 3） 。 图 3 加载装置示意图 Fig. 3 Schematic diagram of loading equipments 试验中以恒定的重力荷载代替常用的液压千斤顶 和反力梁系统，克服了路堤静载荷试验过程中随着土 体沉降的加大而荷载变小需要不断补压的弊端，提高 了施加荷载的稳定性，可以避免采用昂贵的液压伺服 系统，同时也减轻了试验人员的工作强度。使用的仪 器设备主要是千分表，力传感器，数字读数仪，与路 面接触的荷载板直径为 30 mm。静载试验的整体情况 见图 4。 图 4 C3 号板静载荷试验 Fig. 4 Static load tests on C3 plate 2.2 静载试验成果分析 通过对水泥混凝土路面的调查、研究和总结，人 们已经普遍地认识到，在路面板下设置一定厚度、坚 实稳定的基层，对保持水泥混凝土路面的使用寿命大 有裨益，对基层的设计及修筑技术也日趋重视。 我国现行水泥混凝土路面的设计理论，由于采用 E 地基假设，用基层顶面的当量回弹模量 Et作为表征 地基刚度的基本指标。按交通量分级，对水泥混凝土 第 4 期 赵明华，等. 土工格室碎石基层刚性路面承载特性模型试验研究 579 路面的结构中基层顶面的 Et的一般要求见表 1。 表 1 基层顶面当量回弹模量 Table 1 Equivalent moduli of base 交通量分级 特重 重 中等 轻 Et/MPa 120 100 80 80 当荷载作用板中时，通过加载试验得到路面板的 荷载一挠度关系后，可根据弹性地基板的理论挠度公 式 2 0 1 g wpaw E μ− 。 1 计算板下地基的回弹模量，即 132 2 22 0 c 61 1[] g pw E Ehw μ μ − − 。 2 式中 p为圆形均布荷载总重（MN） ；h为路面板的 厚度（m） ；μ0为地基材料的泊松比；w为路面板在荷 载P作用下任意点的挠度 （m） ；w为随αR及αr而变 的挠度系数，可由专用表格查得，其中R，r分别为荷 载圆半径及测点离荷载中心的距离；Ec为路面混凝土 的弹性模量（MPa） ；α为弹性特征系数，为相对刚性 半径L的倒数，即 3 2 2 0 1 11 6 1 g c E LhE μ α μ − − ， 3 μ为混凝土的泊松比，一般取为0.15。 本次试验测得的P–s曲线如下 图 5 静载荷试验 P–s 曲线 Fig. 5 P–s curves of static load tests 从P–s曲线图中可以看出加装了土工格室后， 无 论是A3的长边中线加载还是C3板的中心加载曲线都 优于对比试验的曲线，其中C3中心加载的破坏荷载 3.95 kN，对应的沉降量为1.194 mm，按上面介绍的 有限尺寸刚性路面板下综合回弹模量的计算方法（式 （2） ） ，若假设土体模量为10 MPa，反算出格室基层 的模量约为185 MPa，而依根据无格室的C3中心点 加载的破坏荷载3.24 kN， 同样的计算方法， 反算出来 的普通碎石基层的模量只为70 MPa， 就模量提高的作 用上来说，加铺了土工格室相当于使用半刚性基层的 效果，可以适应更高等级的公路路基的要求。 3 动载荷试验 动载荷包括短时间快速作用的冲击载荷、随时 间作周期性变化的周期载荷和非周期变化的随机载 荷[8]。公路交通荷载具有明显的时间和空间分布的 非周期性，但是模拟和计算的难度较大，一般试验 室内用交变的疲劳试验机来进行[9-10]，然而此方法 对完整的路面结构体系也较为不便。 3.1 动载荷试验方法 考虑到本试验的主要目的是观察有无土工格室 的不同情况下，不同荷位处的破坏模式，故采用的方 法比较简单与直接， 以一定的重力和速度冲击路面板， 冲击方法示意图见图6。 图 6 冲击方法示意图 Fig. 6 Schematic diagram of impact 3.2 试验过程及现象分析 根据中心荷位处试冲经验，冲头与路面板接触面 为30 mm直径的圆形时，20 kg的重物，1.2 m高的落 距可一次冲坏本试验使用的搁置在土工格室碎石基层 上的混凝土板，并选定此冲击荷载为标准荷载，本文 仅列出3种临界荷位的典型破坏情况，详见图7，8。 由图7可见增设了土工格室之后B2板荷位1 处破坏时裂纹成放射状，相较于基层中没有土工格室 的图8中的C2板，裂纹显得更为严重；B1板荷位2 处裂纹呈弧形远达角隅点处，明显不同于对比试验中 （图8中A3板）长边加载时的沿着板中线断裂的经 典破坏模式[11]，由于C1板靠近模型箱，其下的格室 支撑作用有限，荷位3处的破坏与经典破坏模式（图 8中B1板）近乎一致，只是距角隅点距离稍大些。以 上现象可由搁置在木板与泡沫板上的同为脆性材料的 瓷砖受冲击破坏之形态佐证，本文认为其中的缘由可 以解释为相对较强的基层将更多的能量反射到面层。 这些现象定性的说明了路面板下加设了土工格室的基 层的强度与模量得到了提高，可以为路面板提供更强 580 岩 土 工 程 学 报 2012 年 的支撑。 图 7 临界荷位的典型破坏图 Fig. 7 Typical failure at critical load position 图 8 对比试验临界荷位的典型破坏图 Fig. 8 Failure at critical load position in comparative tests 4 板底脱空试验 板底脱空是指路面板块底部的基层材料流失或发 生较大塑性变形导致板块底局部悬空的现象。由于局 部悬空， 板块在荷载作用下容易产生相对较大的弯沉， 导致裂缝张开并扩展形成贯通裂缝，致使混凝土板块 过早发生破坏。 4.1 板底脱空原因分析 脱空现象产生的主要原因有①板块接缝处破损 或基层排水不良，自由水下渗滞留于层间，在荷载冲击 作用下高速流动发生唧泥现象，软化并带走基层材料 [12]；②超过设计值的轮载使各支承层发生不可恢复的 累积塑性变形，以致于板底与基层之间发生分离[13]； ③由于施工质量不良，对路堤和基层的压实不均匀， 致使地基发生不均匀沉降。 4.2 板底脱空模拟过程及现象分析 为模拟板底脱空情况，在路堤纵向三分之一位置 的板块接缝处沿路堤横向用外径为3 cm的麻花钻掏 空路堤填土，开孔处的路堤深度约为路面下11 cm， 按照的试验设计，用麻花钻掏空路堤填土时，是应完 全横向贯穿路堤，但限于操作困难，事实上只进入路 堤约80 cm，在有土工格室的情况下，由于扰动，碎 石下落，所成孔洞直径约为6 cm，如图9所示；在未 设土工格室的情况下，掏空进钻相对容易，为使得两 组试验更具有可比性控制其钻进约80 cm，由于没有 土工格室的限制作用，所成孔洞直径约为6.8 cm。 用参照550 kN标准车辆荷载后轴组按1∶10缩尺 比例制造模型小车（轴距14 cm，轮距18 cm，直径为 5 cm塑胶轮，总重184 kg，接地压力为8.5 MPa）往 复作用在行车道1上（见图2），模型小车由可将圆 周运动转化为往复直线运动的经改装后的强制式搅拌 机来驱动，驱动机构的原理见图10。 图 9 造孔后板底脱空图 Fig. 9 Voids beneath concrete slabs after excavation 图 10 驱动机构示意图 Fig. 10 Schematic diagram of driving mechanism 本文试验中采用的最大走行速率为0.32 m/s，完 成一次往复运动时间为12.5 s，平均速度约为0.185 m/s，使用游标卡尺测量并记录小车每往复运行1000 次后的板块接缝处的高度差异，在差异沉降稳定或出 现断板情况后终止试验，与对比试验所采用的无格室 基层情况对比如图11所示。 图 11 接缝处差异沉降量 Fig. 11 Differential settlement at seams 从图11可以看出，在往复荷载作用一定次数后， 下设土工格室的碎石基层的路面接缝处的差异沉降逐 渐稳定在0.608 mm， 数值上明显小于无土工格室支撑 限制的普通碎石基层的2.344 mm， 证实了土工格室处 治效果明显。 5 结 论 将传统的土工格室加筋位置由路堤底移至顶部， 第 4 期 赵明华，等. 土工格室碎石基层刚性路面承载特性模型试验研究 581 其内充填碎石，形成刚性路面下土工格室碎石基层， 在已有研究的基础上，进行了静动荷载下的承载特性 室内试验研究，得到了以下主要结论 （1） 静载试验表明， 设置有土工格室的刚性路面 的P–s曲线更平缓，就基层模量提高的作用上来说， 加铺了土工格室相当于使用半刚性基层的效果，可以 适应更高等级的公路路基的要求。 （2） 增设了土工格室之后， 受中心荷位处冲击荷 载破坏后路面板的裂纹呈放射状，长边中点破坏时裂 纹呈弧形，反映出板下支撑作用更为明显。 （3） 往复荷载作用一定次数后， 下设土工格室碎 石基层的路面接缝处的差异沉降，明显小于无土工格 室支撑的普通碎石基层， 证实土工格室处治效果明显。 以上表明，土工格室碎石基层能有效传递板间荷 载，更有利于扩散和均化上部荷载，同时可大大提高 路面板的破坏荷载，值得进一步深入的研究和推广。 参考文献 [1] 邓学钧, 陈荣生. 刚性路面设计[M]. 第2版. 北京 人民交 通出版社, 2004. 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