王志强 马丽娜 王起才 李岳超 张江峰 肖锐

兰州交通大学土木工程学院 兰州交通大学道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室 甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司

摘 要：采用甘肃省甘南藏族自治州王夏高速公路现场某标段的土石混合料在室内基于相似比理论制作了土石混填路堤模型，并在多级加载条件下进行了路堤模型稳定性试验，对土石混填路堤在竖向荷载作用下的受力变形规律、土压力分布特征以及受力破坏形式进行研究。试验结果表明：(1)土石混填路堤模型整体稳固性、结构性强，在静载作用下极限承载能力可达到600 kPa;(2)由于土石混填路堤承压板两侧的边界约束强度不一致，在静载作用下位于承压板对称两侧的路堤会出现明显的竖向应力扩散和受力变形不对称的特征，且不对称性程度与路堤深度有关；(3)土石混填路堤达到极限承载能力破坏时路堤内部有滑动体产生，滑动破坏面形状比较接近数学上的双曲螺旋曲面而非传统的土质路基的圆弧滑动面。

关键词：道路工程;土石混填路堤;相似比理论;多级加载;滑动破坏体;

基金：长江学者和创新团队发展计划滚动支持项目，项目编号IRT-15R29;陇原青年创新人才(团队)项目，项目编号201812;甘肃省教育厅产业支撑计划项目，项目编号2021CYZC-28;

我国西北地区地域广阔，多高原山地，地形地貌多样复杂。随着高速公路建设整体朝向西部山区地带发展，修筑公路时因地制宜不可避免地会用到开挖山体得到的土石混合体作为路基填料来填筑路基或者地基[1,2]。与传统的土质路基相比，土石混合体作为一种各向异性的路基填料，使得其工程力学特性比较复杂[3]。正确掌握土石混填路基的受力变形机理和受力破坏形式，无论是对现有路基理论的补充与完善，还是指导工程施工都具有一定的意义。

目前境内外学者针对土石混填路基受力变形及稳定性的试验或理论研究大多数都集中于对土石混合体物理力学性质等方面，如土石混合体大型直剪试验研究[2,4,5,6]和土石混合体压实特性试验研究[7,8]。很显然，这些对于土石混合体物理力学性质的试验研究对于工程实践来讲缺乏说服力，还需要进一步研究土石混填路堤在某一工况下路堤内部土压力的分布情况、受力位移变形情况以及路堤最终受力破坏形式等方面。鉴于室内缩尺模型试验具有试验场地占用面积小、模型制作工序简单、单个模型试验周期短、试验条件易于多变等优点，故针对上述问题可以设计室内缩尺模型试验进行研究。

董云等[2]通过开展二维力学模型试验， 模拟了土石混填路基在不同工况下的沉降变形特征，但是土石混填路基内部土压力分布特征以及承载破坏模式等未作探讨；权鑫等[9]、李聪[10]开展了一些关于土质路基受降雨影响的模型试验研究，虽然这些研究内容与本文存在差异，但其模型试验设计思路可以为本文提供借鉴。为此，本文基于相似比理论[11],在室内制作了土石混填路堤模型，并在竖向多级加载条件下进行了模型稳定性试验， 研究了土石混填路堤在竖向荷载作用下的路堤内部土压力的分布情况、受力位移变形情况以及路堤最终受力破坏形式等方面，以期为路基相关理论进行补充与完善，对工程施工提供一定的学术依据和技术支持。

1 模型试验概述

1.1模型相似原理

相似性原理主要体现为模型与原型之间在几何、物理、边界、力学特性方面的相似关系[12],通过相似常数将实际工程和理论模型联系起来，从而将模型试验中得到的结论和规律推广到实际工程中[13]。相似常数为原型物理量同模型物理量之比即λ=λ原/λ模 ,而模型和原型中的相似常数之间的关系式称为相似指标。根据文献[14]常用的相似指标有λσ/(λγλl)=1、λE/λc=1、λφ=1 、λΔ/λl=1 ,换算得到本模型试验主要涉及的相似常数，见表1。本次模型试验考虑到室内场地面积大小，取几何相似常数为10,容重相似常数为1。

在进行模型试验时要满足所有的相似关系是困难的，因此本文在模型试验设计时主要考虑几何条件相似性和荷载边界条件相似性，并使其材料的物理力学特性尽可能接近实际情况。

1.2模型试验方案设计

试验模拟对象为高8 m的整体式土石混填路堤，鉴于路堤对中心线的左右对称性，取路堤对称的一半作为原型，按表1设计路堤缩尺模型。路堤模型的尺寸、加载位置、加载方式以及根据试验内容在路堤中需埋设的监测仪器与各测点的分布位置如图1所示。

表1 模型试验相似常数

图1 模型尺寸及测点布置

单位：cm

模型试验在自制的模型箱内进行，模型箱长 2.5 m、宽1.38 m、高1 m, 模型箱的三面用型钢及钢板进行加固；路堤模型一侧进行围挡，另一侧进行放坡处理，坡度比为1∶1.5。在模型边界条件的模拟上，弹性力学的平面应变理论假设[15]认为对于一纵向长度无限延伸的长条状路基，在路基的横断面内会受到平行于横断面并且不沿路基纵向的体积力，认为路基的变形只发生在横断面的二维方向上，沿路基纵向的变形太小而可以忽略，故有些学者[16,17]在进行路基模型试验边界处理上采用刚性边界进行处理。但是在实际土石混填路基中，路基任意横断面一是可以产生沿路基纵向的微小位移，二是路基横断面不是光滑的而是凹凸不平的，相邻横断面之间也由于不同粒径的岩石、土颗粒咬合联结在一起而产生沿横断面内的强大的摩阻力。故为了更加真实模拟实际路基工程中长条状路堤在无限长条件下任一横断面的受力变形情况，在路堤与模型箱钢板内壁的接触上做弹性约束处理，即采用10 cm 的泡沫板作为接触面，从而使得在填筑路堤模型过程中，各种岩土体颗粒会以不同形式与泡沫板进行镶嵌、咬合，模拟了土石混填路堤相邻横断面的接触。

为得到路堤模型内部不同位置处的土压力分布情况和受力变形情况，在模型填筑过程中分层埋设土压力盒与沉降板，并在路堤表面及路堤边坡选取若干个位移变形测点，观测路堤表面及边坡在加载过程中的沉降变形情况(如图1所示)。考虑到路堤填料为最大粒径不小于60 mm的土石混合料，因此选用灵敏度1 kPa、精度1%F、直径10 cm的智能弦式土压力盒。埋设时在压实的路堤面进行挖槽，在槽的底部和土压力盒表层铺设细砂，确保其与土石混填体紧密接触并起到保护土压力盒的作用。沉降板是由尺寸30 cm×30 cm×0.8 cm的底板以及测杆自制而成，测杆伸出路堤面，通过观测测杆顶部的位移得到沉降板底板位置处岩土体的沉降量。埋设沉降板时同样需要进行挖槽处理，在槽的底部和底板表面铺设细砂确保其与土石混填体紧密接触。本次模型试验中涉及沉降变形的观测借助百分表来完成。

试验加载时在路堤面中间放入40 cm×40 cm×2 cm的刚性承压板，尺寸大于6倍路堤填料中的最大粒径值，可弱化加载时承压板对路堤产生的应力集中效应。加载设备为半自动智能油压千斤顶，由电脑控制系统和液压手动泵站组成，电脑连接千斤顶50 t拉压力传感器，可实时记录施加在承压板上的竖向荷载。参考《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)[18]中粗粒料的固结试验加载原理，进行多级加载，荷载等级梯度为50 kPa, 模型试验多级加载程序如表2所示。

表2 模型试验多级加载程序

注：直到满足试验加载终止条件。

1.3土石混填路堤制作与试验过程

1.3.1路堤填料的基本物理性质指标

路堤填料取自甘肃省甘南藏族自治州王夏高速公路现场某标段的土石混合料，以此作为室内路堤模型填筑材料满足模型材料与工程实际相一致的原则。其中土石混合料中岩石以灰岩、砂质板岩为主，力学强度高，块石粒径dmax≤60 mm; 天然黄土土体粒径主要分布在1～100 μm之间，天然含水率为4.5%。对土石混合料依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)[18]进行了颗粒分析试验、重型击实试验以及直剪和抗压强度试验，试验结果见表3。

表3 土石混合料物理力学参数汇总

1.3.2路堤含水率和压实度控制

依据《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)[19]关于高速公路路基压实度K的规定，本次路堤填筑的压实度K控制在≥96%。路堤分多层填筑完成，每层使用Z1G-FF-15重型电镐振动盘均匀振捣压实，经计算满足压实度要求之后，方可进行下一层填筑工作。路堤填筑时在预先确定好的位置上埋设沉降板与土压力盒。在填筑路堤的过程中严格控制填料含水率ω在最优含水率±2%范围内，路堤每层压实度介于96.42%～96.87%之间，满足对压实度的控制要求。最终路堤填筑高度为80.1 cm与设计高度存在1 mm误差，在试验允许的误差范围之内。路堤填筑每层压实度K、含水率ω和高度h见图2,路堤模型见图3。

图2 路堤填筑每层含水率和压实度控制示意

1.3.3试验过程

为了提高路堤的整体稳固能力，路堤制作完成后首先静置一个月时间，然后对路堤按表2进行多级加载。参考《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)[20]中地基土载荷试验相对稳定的标准及终止试验的条件，本次模型试验在每级加载持荷时长内，连续1 h的路堤位移变形量均不大于 0. 1 mm, 可判定每级荷载下路堤的位移变形均已达到相对稳定的标准，多级加载程序是符合要求的。本次模型试验终止加载、试验结束的条件为：(1)路堤内部土压力盒采集到的土压力数值在持荷时间内出现不稳定情况； (2)承压板周围的土石混填体出现明显的剪切破坏，承压板被压入路堤内部；(3)路堤表面出现明显的加载破坏，有破坏裂痕产生，或者有其他明显的破坏现象发生。

在模型多级加载过程中，当每施加一级荷载至路堤受力变形达到稳定之后，首先采集路堤内部每一层的土压力盒数据，然后观测路堤内部每一层沉降板处以及路堤表面、边坡各位移变形观测点处的受力变形情况。当试验结束后如果路堤表面出现破坏裂痕，则依据破坏裂痕的形状特征以及采集到的路堤各处受力、变形数据绘制出路堤破坏滑动体的形状，并根据承压板上百分表位移观测数据和电脑采集记录的竖向荷载的数据整理绘制p～s(荷载～沉降)曲线。

图3 土石混填路堤模型

2 试验结果分析

本次土石混填路堤模型试验设计是基于研究土石混填路堤的受力变形规律、土压力分布情况以及最终的路堤受力破坏形式等方面完成的，根据试验结果一一对其展开分析。路堤模型试验的研究成果无论是对路基的理论补充与完善还是指导工程施工都是具有一定意义的。

2.1土石混填路堤的p～s(荷载～沉降)曲线分析

由图4可以看出，对于压实度满足设计要求的土石混填路堤，整个加载过程共施加了12级荷载，可以大致划分为两个阶段：(1)加载前期阶段(0～500 kPa),由于路堤填筑压实度高，路堤整体黏结强度高，结构骨架性强，在竖向荷载作用下路堤受力变形满足胡克定律，因此p～s曲线近似呈线性发展；(2)加载后期阶段(500 kPa～600 kPa),路堤受力变形由线弹性发展到弹塑性、塑性，加载最后一级荷载比前一等级荷载沉降量增大了6.141 1倍，p～s曲线出现断崖式拐点，路堤的整体结构性受到塑性破坏。此时承压板边缘四周的土石混填体出现明显的剪切破坏，剪切破坏深度达到了28.625 mm; 路堤表面出现明显的横向裂痕破坏，宽度约为25 mm, 距离承压板边约为105.4 mm。在距离路堤底部高2/3处的边坡位置产生宽3.5 mm的通长细长滑动裂隙(图5),边界泡沫板被岩土体拉裂损坏，诸多现象表明已满足试验终止加载的条件，土石混填路堤的极限承载能力为600 kPa。

图4 多级加载下路堤模型的p～s曲线

2.2土石混填路堤的土压力分布特征

本次试验通过采集路堤内部土压力盒的数据，得到了路堤在每级荷载下其不同位置处的土压力分布情况(图6)。进而可知，随着竖向荷载逐级增大，路堤不同位置处的土压力呈现出不一样的分布特征。

(1)在路堤模型内部每一层左、中、右3处的土压力中，路堤中部区域的土压力，由于其区域内的岩土体处于承压板正下方受到由承压板直接传下来的竖向荷载作用，因而土压力最大。左、右两侧的土压力盒对称位于承压板的两侧，在加载初期(0～300 kPa)上面两层的土压力基本是相等的，而随着竖向荷载的逐级增加，可以发现左侧岩土体的土压力开始大于右侧，而位于最下面一层的土压力从加载伊始左侧便明显高于右侧，在路堤达到极限荷载附近时(550 kPa～600 kPa),土压力“左1比右1,左2比右2,左3比右3”在数值上分别大了38.4%、51.2%、137.8%,土石混填路堤在加载时出现了左右位置对称但是受力大小却不对称的情形，并且从试验结果上看这种不对称性会随着路堤深度增加而增强。

图5 路堤破坏时的照片

这表明在本试验中，虽然路堤承压板两侧的岩土体在材料属性上是相同的，但是由于围挡一侧的边界约束条件强于靠近坡面处于临空状态一侧，因此出现了竖向附加应力扩展不对称的情况。当路堤深度为零或者较浅时这种边界约束强度的不一致性表现不明显，而随着路堤深度增加，路堤边界约束强度不一致会对路堤内部土压力产生显著影响。

(2)由图6可知，路堤内部每一层岩土体的土压力在加载初始阶段基本上都呈线性增长，且随着竖向荷载逐级增加土压力增长速率提高；在路堤达到极限荷载附近(550 kPa～600 kPa)时，岩土体土压力的增长速率出现了变缓的现象，并且土压力“中2、右1、右2”还出现了下降的现象。

这是因为在加载之初路堤结构整体性程度强，岩土体材料之间黏结强度高，在竖向荷载作用下，岩土体的材料变形满足胡克定律，处于线弹性变形阶段，土压力近似呈线性增长趋势； 当竖向荷载逐级增加到极限荷载附近时，路堤岩土体材料变形逐渐由线弹性发展进入到弹塑性、塑性，此时承压板下方的岩土体黏结强度减弱，路堤开始发生破坏，在一定程度上会引起应力释放，导致土压力的增长速率降低。而路堤内部“中 2、右 1、右 2”3个土压力盒此时刚好处于路堤破坏滑动范围之内，路堤滑动破坏一旦进行其范围内的岩土体必定产生大量的应力释放，土压力必然会有所降低。

图6 每级荷载下路堤内部土压力分布情况

2.3土石混填路堤的位移变形规律

模型试验借助百分表观测路堤在多级加载下各测点的位移变形量，得到了路堤内部不同位置上、路堤表面以及路堤边坡位置处在每级荷载下的位移变形情况(图7),得到了土石混填路堤在竖向荷载作用下的位移变形规律。

图7 每级荷载下路堤受力位移变形

(1)分析路堤不同深度同一水平面内的沉降变形量，发现路堤表面沉降变形测点中L5比L4、L8比L6沉降变形量分别大了7.91倍、7.98倍，沉降板处测点C6比C4、C1比C3 的沉降变形量分别大了2.67倍、0.72倍，表明了路堤靠近围挡一侧的沉降变形量大于靠近边坡处于临空状态一侧。这是因为路堤靠近围挡一侧边界约束条件强于靠近边坡处于临空状态一侧，路堤两侧的边界约束条件强度不一致导致出现路堤左右位置对称但是沉降变形量大小却不相等的情况。并且这种不对称性程度会随着路堤深度增加而减弱，路堤表面沉降变形不对称性程度最强，路堤底部沉降变形不对称性程度最弱。

另外，发现路堤表面部分沉降变形测点如L2、L3、L6、L7等4处的沉降变形量比其正下方C2、C3、C4、C5沉降板位置处的沉降变形量要小，测点L1处发生翘曲而其下方的沉降板C1位置却发生沉降。这些现象表明由于路堤填料的复杂性、特殊性，路堤在持续加载的过程中路堤内部的沉降变形在竖向高度上具有不连续性。

(2)随着竖向荷载逐级增大，路堤边坡中部与下部一直处于向外侧移动的状态且中部变形量大于下部位移变形量，二者相差4.67倍。而路堤边坡上部由于靠近路堤表面，随着路堤表面中部受力凹陷，带动着边坡上部岩土体向路堤内部靠拢，最终路堤在极限荷载发生破坏时，路堤边坡整体上表现出边坡上部向内靠拢、中部隆起的特征，此时路堤内部已发生塑性破坏。

2.4土石混填路堤的受力破坏形式

本次模型试验加载按照表2所示进行多级加载，当加载到第12级荷载(600 kPa)时，路堤表面出现距离承压板边水平距离约为105.4 mm、宽度约为25 mm的横向裂缝破坏，在距离路堤底部高2/3处的边坡位置产生宽3.5 mm的通长细长滑动裂隙(图5),边坡中部隆起，路堤内部“中2、右1、右2”3个土压力盒在加载最后一级荷载时数值下降，同时路堤表面承压板上竖向荷载无法继续增大，此时路堤已达到了极限承载能力，随后停止加载。加载试验结束后边坡上部处泡沫板由于岩土体滑动也出现了开裂的现象，综上可以知道在路堤内部出现了破坏滑动体。

根据试验结果描绘出路堤最终的破坏滑动体形状，其构成可以大致划分为如图8 所示的3个部分，即：主动(塑性)区，路堤表面裂痕至路堤承压板之间下方区域岩土体发生显著塑性破坏的位置；过渡(弹塑性)区，此部分岩土体受力产生弹塑性变形，侧向位移推动周围岩土体向边界约束强度较弱的方向移动；被动(刚性)区，靠近路堤边坡位置，边界约束强度较弱，此区域内的岩土体整体有被过渡区内的岩土体向外排挤推出的趋势。同时还可以发现，土石混填路堤的破坏面形状并非传统的土质路堤的圆弧滑动面，而是更加接近数学上的双曲螺旋曲面，这也从另一方面表明了土石混填体与其他填筑材料存在较大的差异。

对路堤试验现象进一步分析可知，路堤边坡之所以没有产生明显的滑动裂痕，正是因为在模型边界约束的设置上，采用了泡沫板的弹性约束边界。该约束可以在路堤加载破坏的过程中提供限制路堤破坏滑动体形成的侧向摩阻力，并且随着竖向荷载逐级增大，这种限制效果越明显，所以才不会形成明显的滑动裂痕。在实际土石混填路基车辆运营阶段，路堤的横断面由于不同粒径石料的存在而呈现出凹凸不平的特征，当路堤表面受到较大的竖向行车荷载作用时，路堤边坡的滑动破坏必然也会受到相邻横断面摩阻力的影响，由此更能说明了本次模型试验在边界约束的处理上采用泡沫板模拟路基的弹性约束边界条件是合理的，它可以更加真实模拟实际路基工程中长条状路堤在无限长条件下任一横断面的受力变形情况。

图8 土石混填路堤滑动破坏面以及滑动体结构划分

3 结语

采用甘肃省甘南藏族自治州王夏高速公路现场某标段的土石混合料制作土石混填路堤模型，并在多级加载条件下进行室内模型试验，分析了土石混填路堤在不同荷载情况下的土压力分布特征、受力变形情况以及最终受力破坏形式，得出以下结论：

(1)土石混填路堤在竖向荷载作用下会因为路堤承压板两侧的边界约束强度不一致而出现比较明显的竖向附加应力扩散不均的情况，边界约束强的一侧的土压力大于边界约束强度较弱的一侧，并且这种不对称性程度会随着路堤深度增加而增强；

(2)土石混填路堤由于承压板两侧的边界约束强度不一致而出现比较明显的受力变形不对称的情况，边界约束强的一侧的受力变形大于边界约束强度较弱的一侧，且这种不对称性程度会随着路堤深度增加而减弱，另外发现路堤的受力变形在高度方向上还具有不连续性；

(3)土石混填路堤整体稳定性较高，极限承载能力远高于土质路基，破坏时路堤内部有破坏滑动体产生，破坏面形状比较接近数学上的双曲螺旋曲面而非传统土质路基的圆弧滑动面，路堤破坏滑动体按其形成过程可分为塑性区、弹塑性区、刚性区3个部分。

参考文献

[1] 董云，阎宗岭.土石混填路基沉降变形特征的二维力学模型试验研究[J].岩土工程学报，2007,(6):943-947.

[2] 董云，柴贺军，杨慧丽.土石混填路基原位直剪与室内大型直剪试验比较[J].岩土工程学报，2005,27(2):235-238.

[3] 徐文杰，胡瑞林.土石混合体概念、分类及意义[J].水文地质工程地质，2009,36(4):50-56.

[4] 油新华，汤劲松.土石混合体野外水平推剪试验研究[J].岩石力学与工程学报，2002,21(10):1537-1540.

[5] 王江营，曹文贵，张超，等.基于正交设计的复杂环境下土石混填体大型直剪试验研究[J].岩土工程学报，2013,35(10):1849-1856.

[6] 贾学明，柴贺军，郑颖人.土石混合料大型直剪试验的颗粒离散元细观力学模拟研究[J].岩土力学，2010,31(9):2695-2703.

[7] 邹海味，熊越，陈学军.土石混合料的压实与力学性能研究[J].公路，2019,64(6):32-38.

[8] 崔凯，秦晓同.粗颗粒含量对川西地区混合土压缩特性的影响[J].中国公路学报，2019,32(2):59-66.

[9] 权鑫，史红伟，蔡强国，等.室内模拟降雨情形下黄土坡面沉降程度的试验研究[J].陕西师范大学学报：自然科学版，2021,49(2):98-106.

[10] 李聪.路堤土降雨入渗响应的模型试验研究[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2010,34(3):550-553.

[11] 徐挺.相似理论与模型试验[M].北京：中国农业机械出版社，1982.

[12] 李德寅.结构模型试验[M].北京：科学出版社，1982:35-38.

[13] 袁泽华.基于模型试验的支护条件下堆积边坡桥梁基桩受力特性的初步研究[D].成都：西南交通大学，2016.

[14] Iai S.Similitude for Shaking Table Tests on Soil-Structure-Fluid Model in 1 g Gravitational Field[J].Soils & Foundations,1988,29(1) :105-118.

[15] 徐芝纶.弹性力学简明教程[M].高等教育出版社，2013.

[16] 李婷，苏谦，崔雅莉，等.椅式桩板墙加固土质高边坡地段高填方路基模型试验研究[J].铁道学报，2021,43(5):153-159.

[17] 张高才.不同水环境下土石混填路基力学特性研究[D].长沙：湖南大学，2014.

[18] GB/T 50123-2019 土工试验方法标准[S].北京：中国计划出版社，2019.

[19] JTG D30-2015 公路路基设计规范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[20] GB 50007-2011 建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

............试读结束............

查阅全文加微信：3231169

如来写作网：gw.rulaixiezuo.com（可搜索其他更多资料）

本文内容由互联网用户自发贡献，该文观点仅代表作者本人。本站仅提供信息存储空间服务，不拥有所有权，不承担相关法律责任。如发现本站有涉嫌抄袭侵权/违法违规的内容， 请发送邮件至 3231169@qq.com 举报，一经查实，本站将立刻删除。
如若转载，请注明出处：https://www.qingsongxiezuo.com/15183.html