路基土回彈模量影響因素解析

徐潘昕 朱君

摘要：在高等級(jí)公路瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，路基土回彈模量是影響路面結(jié)構(gòu)厚度最敏感的參數(shù)之一，即使回彈模量出現(xiàn)較小的變化對(duì)路面結(jié)構(gòu)厚度也會(huì)產(chǎn)生很大的影響。為此，在瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)中，能否選用合乎實(shí)際需要路基土回彈模量，將直接關(guān)系到路面結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性與安全性。本文結(jié)合實(shí)際工作體驗(yàn)，就影響路基土回彈模量的各類因素，采用試驗(yàn)方法進(jìn)行了具體的分析與探討。

關(guān)鍵詞：路基土；回彈模量；影響因素

目前，確定路基土回彈模量的試驗(yàn)方法主要為承載板法，即在路基土現(xiàn)場(chǎng)采用直徑為30.4cm的剛性承載板，在土基表面逐漸加載和卸載測(cè)出與每級(jí)荷載相對(duì)應(yīng)的回彈變形值。然而承載板試驗(yàn)法僅適用于靜態(tài)性的回彈模量測(cè)定，且測(cè)試方法復(fù)雜繁瑣，容易導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)值之間存在較大誤差。為此，有必要采用更加科學(xué)合理的測(cè)試方法，以確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確，并能對(duì)動(dòng)態(tài)狀態(tài)下的路基土回彈模量進(jìn)行檢測(cè)。本文綜合比選了國內(nèi)外多項(xiàng)試驗(yàn)方法，最終選用室內(nèi)重復(fù)加載三軸試驗(yàn)法，對(duì)多種不同性質(zhì)路基土的回彈模量進(jìn)行了測(cè)試，并以此分析了路基土回彈模量與各類影響因素之間的關(guān)系。

一、路基土回彈模量主要影響因素概述

影響路基土回彈模量的因素，主要有以下三個(gè)方面：一、應(yīng)力狀況；二、物理狀況，包括了含水率和密實(shí)度；三、路基土的材料性質(zhì)及組成。其中，最主要的影響因素是應(yīng)力狀況，其次是含水率。

1、應(yīng)力狀況

影響路基土回彈模量的應(yīng)力狀況因素包括了：側(cè)向應(yīng)力和偏應(yīng)力；應(yīng)力反復(fù)作用次數(shù)；應(yīng)力加載時(shí)間、頻率及序列等方面。多年以來的研究結(jié)果表明，其中側(cè)向應(yīng)力和偏應(yīng)力是最重要的影響因素。早在上世紀(jì)60年代左右，Monismith和Hicks等人就通過試驗(yàn)證明，路基土回彈模量對(duì)側(cè)向應(yīng)力和偏應(yīng)力都有著很強(qiáng)的依賴性，并隨著兩者應(yīng)力的增加而有較大幅度的增長。

2、含水率

因路基土材料性質(zhì)的不同，含水率對(duì)路基土回彈模量也有著不同程度的影響。對(duì)于是開級(jí)配粒料的路基土材質(zhì)，由于其孔隙較大，滲水快，含水率對(duì)其回彈模量的影響較??；而對(duì)于是密級(jí)配的路基土材質(zhì)，則含水率對(duì)其回彈模量有著較大的影響，通常是回彈模量會(huì)隨著含水率的增加而降低。

3、密實(shí)度

通常而言，增加密實(shí)度，可以使路基土對(duì)靜載作用的相應(yīng)出現(xiàn)較大的變化，其剛度和強(qiáng)度都會(huì)有所增加。經(jīng)過多年來的試驗(yàn)研究表明，路基土回彈模量通常會(huì)隨著密實(shí)度的增加而增長。其基本原理為，當(dāng)路基土材質(zhì)中粒料越密實(shí)時(shí)，每個(gè)顆粒的平均接觸點(diǎn)數(shù)也會(huì)相應(yīng)增加，使得外載作用下的平均接觸應(yīng)力減少，顆粒接觸點(diǎn)的變形也相應(yīng)降低，使得回彈模量增加。同時(shí)，隨著顆粒接觸點(diǎn)的增多，也能有效阻止了顆粒之間的重新排列和相互滑移，避免回彈模量的降低。

二、試驗(yàn)方案及步驟

1、試驗(yàn)材料選擇

在本文中為詳細(xì)分析各種材料性質(zhì)的路基土的回彈模量與應(yīng)力狀況、含水率以及密實(shí)度之間的關(guān)系，選擇了三種有代表性的路基土進(jìn)行重復(fù)加載三軸試驗(yàn)。分別為粘土（clay），來自于祁臨高速K949和商荷高速K4；粉土（silt），來自于重隧高速K800；砂土（sand），來自于京珠高速K275。各類路基土的具體性質(zhì)參數(shù)，詳見下表1所示。

2、試驗(yàn)步驟

本文選用重復(fù)加載三軸試驗(yàn)法，作為路基土回彈模量的測(cè)定方法。其中，試驗(yàn)儀器采用的通用測(cè)試儀UTM-100，圍壓采用的是氣壓加載的方式。

（1）試件的制備。試驗(yàn)中所采用的試件尺寸為10×20cm，通過萬能液壓試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行靜壓壓實(shí)成型。根據(jù)具體的試驗(yàn)結(jié)果，分別按照90%以及96%的密實(shí)度來實(shí)現(xiàn)試件的制備，并通過試驗(yàn)前和試驗(yàn)后所測(cè)試到的試件高度平均值，對(duì)其實(shí)際密實(shí)度進(jìn)行計(jì)算。

（2）試驗(yàn)中參數(shù)的選擇。在整個(gè)重復(fù)加載三軸試驗(yàn)中，荷載的波形為半正矢波，荷載的頻率為10Hz。加載的時(shí)間和荷載的間隙時(shí)間分別為0.2s和0.8s。

（3）加載序列的確定。根據(jù)我國路面結(jié)構(gòu)的實(shí)際特點(diǎn)，并參考國內(nèi)外學(xué)者的試驗(yàn)方法，對(duì)本文試驗(yàn)中的三軸加載序列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和制定。在加載過程中，要求每個(gè)加載步驟，都應(yīng)當(dāng)?shù)葢?yīng)變力穩(wěn)定后，再選擇最后5次的數(shù)據(jù)來分析計(jì)算路基土的回彈模量。

3、試驗(yàn)中的誤差控制

為有效控制試驗(yàn)中出現(xiàn)的誤差，在本文中對(duì)不同性質(zhì)的路基土樣均制備了三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件。且每個(gè)試件的實(shí)際含水量、實(shí)際密實(shí)度都與目標(biāo)含水量、目標(biāo)密實(shí)度的誤差均不超過2%。

當(dāng)試驗(yàn)過程中預(yù)壓加載次數(shù)達(dá)到1000次以后，如果試件的垂直永久應(yīng)變力超過5%，則應(yīng)當(dāng)停止繼續(xù)預(yù)壓。此時(shí)應(yīng)當(dāng)詳細(xì)分析試件仍沒有獲得足夠密實(shí)度的原因。若無法合理解釋，則應(yīng)當(dāng)再重新選用標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行測(cè)試。在最終試驗(yàn)結(jié)果中，要求每個(gè)試件所測(cè)量得到的回彈模量值，和平均值之間的誤差不得大于5%。

三、試驗(yàn)結(jié)果與分析

1、應(yīng)力狀況對(duì)回彈模量的影響分析

選用具有最佳含水量以及目標(biāo)密實(shí)度為96%試件，對(duì)各應(yīng)力狀況下的路基土回彈模量進(jìn)行分析，粘土1和粘土2的回彈模量與應(yīng)力關(guān)系曲線，其結(jié)果見下圖1所示。

對(duì)上圖中回彈模量和應(yīng)力關(guān)系曲線的分析，可得出以下結(jié)論：

（1）在不同應(yīng)力狀態(tài)下，相同含水率和密實(shí)度的路基土回彈模量有著較大的變化，上圖中顯示的最大差異量達(dá)到了2.8倍左右。

（2）從圖1、圖2中可看出，側(cè)向應(yīng)力對(duì)粘土的回彈模量有著較大的影響，相對(duì)而言偏應(yīng)力則影響較小，但是影響也非常明顯。

2、含水率、密實(shí)度對(duì)路基土回彈模量的影響分析

在本文試驗(yàn)中，不同含水率和密實(shí)度條件下粘土的回彈模量，詳見下圖2。其中，在同一偏應(yīng)力作用下，不同側(cè)向應(yīng)力路基土回彈模量是沿著縱坐標(biāo)進(jìn)行依次排列的，其側(cè)向應(yīng)力值依次為：60kPa、45kPa、30kPa和15kPa。

對(duì)上圖中進(jìn)行系統(tǒng)分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）粘土的回彈模量對(duì)含水率的變化較為敏感，在相同壓力狀態(tài)和密實(shí)度條件下，隨著其含水量的上升，粘土回彈模量出現(xiàn)明顯下降。同時(shí)，經(jīng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，粉土和砂土的回彈模量對(duì)含水率變化也較為敏感。證明了含水率對(duì)路基土回彈模量有著直接且重要的影響。

（2）在本文中對(duì)密實(shí)度的影響試驗(yàn)，主要是通過在相同壓力狀態(tài)以及含水率為最佳含水量的條件下，將密實(shí)度從96%降低到90%，以測(cè)定密實(shí)度對(duì)路基土回彈模量的影響。從上圖中可以看出，粘土的回彈模量因密實(shí)度的變化而出現(xiàn)較大的改變，其回彈模量降低到原來的65%左右。

總結(jié)：

本文采用重復(fù)加載三軸試驗(yàn)法對(duì)三類典型的路基土回彈模量進(jìn)行了試驗(yàn)，并通過數(shù)據(jù)證明了應(yīng)力狀態(tài)、含水率和密實(shí)度對(duì)路基土回彈模量的影響。由于路基土回彈模量的設(shè)計(jì)與計(jì)算，將直接關(guān)系到路面結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性與安全性，因此必須重點(diǎn)考慮到應(yīng)力狀態(tài)、含水率和密實(shí)度對(duì)回彈模量的影響，并以此確定合理的試驗(yàn)內(nèi)容與取值條件。

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