服役状态下非饱和处治膨胀土路基性能衰变与损伤破坏机理研究

Under the background of the engineering construction of expressway in expansive soil area, taking the performance deterioration mechanism of unsaturated lime-treated subgrade induced by vehicle dynamic load coupled with drying-wetting cycles as main thread, the project establishes a dynamic analytical model of the vehicle-pavement-unsaturated subgrade coupling system by modifying the Biot's wave theory. Then, the dynamic analytical model is verified using field tests, and is used to illustrate the variation laws of dynamic response under different axial loads and vehicle speed. The moisture conditions and threshold values of the subgrade soil under atmospheric are also obtained by in-situ test method. Furthermore, a series of laboratory tests including static, dynamic triaxial tests, CT scanning observations and conductivity measurements are conducted on the unsaturated subgrade soil specimens after experienced several drying-wetting cycles with different cycle numbers and amplitudes. The damage evolution mechanism is revealed from the micro-scale and macro-scale respectively, and a prediction function is obtained by taking account into the CT number and conductivity of the soil specimens. Moreover, a damage evolution model is proposed to predict the long-term performance of subgrade soil under vehicle dynamic load coupled with drying-wetting cycles, and some technical measures are also proposed to improve the long-term service performance of the treated subgrade. The method developed herein may be used as theoretical basis and technical support for the construction and safe operation of expressway in expansive soil area.

本项目以膨胀土地区高速公路建设为背景，以服役状态下非饱和处治膨胀土路基在长期交通荷载和循环湿度变化耦合作用下的性能衰变机制为主线，通过对经典Biot波动方程的修正，建立交通荷载作用下车辆-路面-非饱和土路基动力耦合分析模型，利用现场行车试验对模型进行验证，探讨不同轴载、车速下路基动力响应分布规律。利用路基湿度变化的原位测试，查明气候作用下路基的湿度状态与变化界限阈值。基于路基动应力分布及湿度变化规律，全面开展非饱和路基土体在不同干湿循环幅度及次数后的静动力学特性试验，并同步进行细观CT扫描和宏观电导率试验，从细观、宏观尺度分别研究交通荷载和干湿循环耦合作用下路基土体的损伤演化规律，提出非饱和路基土体损伤演化的宏细观评价方法，在此基础上建立非饱和路基在长期交通荷载和循环湿度变化耦合作用下的损伤演化模型，提出保证路基长期稳定性的工程技术措施，为膨胀土地区公路建设和安全运营提供理论依据和技术支持

我国膨胀土分布广泛，如何解决大量在建和待建的膨胀土地区高等级公路路基病害问题，已经成为众多科研学者迫切攻克的难题。由于气候变化引起土体的干湿循环效应，高速公路路基常常处于一种非饱和状态，路基内含水处于一种不断变化的状态，同时路基作为承载上部荷载的重要结构，也会受到重复不断的交通荷载作用。路基的真实服役状态是同时承受循环动荷载与气候变化耦合作用条件下的。本项目采用理论推导、数值分析与室内外实验相结合的手段，对交通荷载和干湿循环耦合作用下的非饱和路基性能衰变规律进行研究，进而提出了反映路基结构状态变化指标与路基损伤演化评价方法。主要研究内容如下：.一、考虑路基非饱和特征及路面不平整的特点，采用Fourier变换和动力刚度矩阵法，建立了车辆-不平整路面-非饱和土路基大系统耦合动力学分析模型。利用该模型研究了不同荷载形式下非饱和路基的动力响应规律。同时，系统地研究了饱和度、车辆轴重、车速、路面不平整、基床材料参数等因素对非饱和路基动力响应的影响规律。.二、利用依托工程怀芷高速试验段，进行了现场行车试验，分析了路基湿度、车速、轴重及深度对路基动力响应的影响，同时利用现场行车试验数据对建立的模型进行了检验与修正，结合理论数值计算数据，提出了反映路基结构变化指标。开展了室外击震模型试验，对前述结果进行了进一步验证。.三、以广西南宁膨胀土作为原材料，对其进行掺石灰处治并进行一系列基本性质试验。利用两种不同的干湿循环试验方法对土样进行了不同次数和幅度的干湿循环试验，探讨了土样变形在不同干湿循环条件下的演化规律。.四、为体现交通荷载与干湿循环的耦合作用，对经历不同干湿循环次数和幅度的土样开展了全面的动三轴试验。通过试验研究了动应力幅值、干湿循环次数、干湿循环幅度、围压等因素对土样累积塑性应变以及动回弹模量的影响；对经历不同动应力和干湿循环耦合作用后的土样开展了电阻率测试，研究了不同耦合条件下土样电阻率的变化规律，提出了基于电阻率、动回弹模量路基损伤评价方法，为建立交通荷载和干湿循环耦合作用下路基损伤演化模型奠定了基础。