壓實穩(wěn)定粉土路基強度特性研究

李 勁

（山西省公路局 運城分局，山西 運城 044000）

公路路基作為路面的基礎，對路面結構的性能表現(xiàn)有著重要的作用，穩(wěn)定的路基能夠為路面承受外界荷載時提供可靠的支撐。土基回彈模量和CBR值是評價土基承載能力的常用指標。其中，路基回彈模量的大小直接表明了路基在荷載作用下的抗變形能力，在國內外的路面設計規(guī)范中，路基回彈模量均是描述路基力學性能的技術指標，其取值大小會直接影響到路面結構層的設計厚度[1]。在我國的路面設計規(guī)范中，路基動態(tài)回彈模量是描述其力學性能一個很重要的參數(shù)。在國外路面設計方法中，如：《Shell瀝青路面設計方法》、《AI瀝青路面設計方法》，各層材料以及路基都需要考慮到動態(tài)回彈模量的測定。

CBR值是反應土基強度的指標，當采用粉土作為路基填料時，我國現(xiàn)行路基設計和施工技術規(guī)范對其CBR值有著明確的要求。相比于三軸剪切試驗，CBR試驗設備簡單、操作容易，因此被國內外廣泛地推廣應用。國外一些國家的設計指南將CBR值作為控制路基填料、路面材料性能表現(xiàn)的重要參數(shù)，甚至在進行路面設計時也將CBR值作為控制指標。我國現(xiàn)行《公路路基設計規(guī)范》（JTG F10—2015）對不同等級公路路基的CBR值也有相應的規(guī)定。

粉土是工程建設中常見的土類之一，其顆粒組成絕大部分為粉粒，而粗粒和黏粒占小部分。粉土與黏土、砂土不同，其塑性指數(shù)不大于10，工程性質密實的粉土為良好路基；飽和稍密的粉土，地震時易產生液化，為不良路基。因此，在行車荷載的反復作用下，壓實穩(wěn)定粉土路基的回彈模量有其獨特的力學表現(xiàn)。陳聲凱等人[2]對4種不同路基土樣進行了重復加載三軸試驗，并建立了相應土試樣的回彈模量Uzan模型，為路面結構的設計取值提供了技術指導。凌建明等人[3]的研究表明路基土含水量、應力水平和壓實度對其回彈模量有顯著的影響。林云龍等人[4]研究了不同固化劑后粉土回彈模量的變化情況以及穩(wěn)定粉土對路面結構的影響。梁軍鋒對淮北地區(qū)粉土路基的壓實與質量評定標準做了進一步的試驗研究[5]。

土基回彈模量和CBR值與土質、含水量、壓實度以及測試方法密切相關，因此在設計和施工時回彈模量和CBR的取值容易受到各種因素的干擾。粉土一般廣泛存在于黃河及長江下游地區(qū)，粉土黏粒含量少,塑性指數(shù)小，作為路基填土，施工時成型比較困難，路基壓實度很難滿足要求。隨著公路建設的快速發(fā)展，土基強度指標，特別是回彈模量和CBR值從整個道路項目前期調研、設計至后期施工維護整個過程中都有著重要的地位。一般任務，含水量和壓實度是影響土基回彈模量和CBR的兩個重要因素，但不同類型路基的相互關系不同。本文以某高速公路壓實穩(wěn)定粉土路基為研究對象，探討其強度特性。

1 路基強度指標

1.1 加州承載比CBR

CBR是一種評價材料強度的試驗方法，在相同貫入量下比較路基材料與標準碎石的壓力值來評價路基材料的承載能力，本次試驗操作的具體過程為：

a）在最佳含水量下，制備15.24×11.43 cm（直徑×高）土試樣；

b）以變形速率1.27 mm/min在土試樣頂面中心處施加荷載；

c）記錄不同貫入量時的單位壓力，繪制貫入量-單位壓力關系曲線；

d）在關系曲線上讀取貫入量為2.5 mm和5 mm時壓力值（MPa）。

根據上述試驗結果，分別計算貫入量為2.5 mm和5 mm土樣的CBR值：

1.2 動態(tài)回彈模量

對路基施加瞬時動態(tài)脈沖荷載，加載的最后5個循環(huán)的平均偏應力值和平均可恢復變形分別為σd、εr，σd與 εr的比值即為動態(tài)回彈模量：

路基動態(tài)回彈模量的測量與取值會受到多方面因素的影響，包括應力狀況、材料性質和物理狀況等，其中應力狀況是路基回彈模量最大的因素。為了準確描述路基動態(tài)回彈模量與3種影響因素的定性或定量的關系，首先需要按照材料的實際受力狀態(tài)建立準確的本構模型，然后對模型中設置相應的參數(shù)來表達材料性質和物理條件對回彈模量的影響。通過比較常用路基動態(tài)回彈模量的試驗方法（重復加載三軸試驗、彎沉盆反演和土樣物理特性推算），并根據試驗室能夠提供的試驗條件，本文采用重復加載三軸試驗對粉土的動態(tài)回彈模量進行試驗研究。

按照美國標準AASHTOT307進行試驗操作，試驗儀器采用英國GDS力學測試系統(tǒng)，試件的加載波形設置為哈維斯波，加載和間歇時間分別設置為0.1 s和0.9 s，重復加載三軸試驗系統(tǒng)的結構圖見圖1。

圖1 重復加載三軸試驗系統(tǒng)

具體過程為：

a）對成型的土試樣預加載1 000次消除土樣的初始變形造成的誤差；

b）設置不同的圍壓和偏應力大小，在各條件下分別重復加載100次；

c）根據式（3）計算各條件下的動態(tài)回彈模量MR值。

2 試驗設計

2.1 試驗土樣

本次研究選取某高速公路壓實穩(wěn)定粉土路基，在最佳含水率下，分別以壓實度為70%、85%、90%和95%制備粉土試樣，每個壓實度進行3組平行試驗，對12個成型土樣分別進行試驗。試驗步驟參照土工試驗規(guī)范，試驗測得粉土的具體參數(shù)如表1所示，從表中的液塑限指標我們可以確定土樣為粉土。

2.2 土樣的液塑限測試

試驗按照《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40—2007）的試驗方法對兩種土樣進行液塑限測試，具體結果如表1。

表1 土樣的液塑限指標

2.3 比重測試

土比重采用比重瓶法進行測定。由于所選土樣粒徑小于5 mm，故可采用比重瓶法測定，測試結果如表2。

表2 土樣的比重測試結果

2.4 顆粒尺寸分布測試

依據物理分析法對土樣進行顆分試驗，試驗結果如表3。

表3 土樣的顆粒組成測試結果

2.5 擊實特性試驗

采用室內重型標準擊實試驗確定粉土填料的最佳含水量與最大干密度，作為粉土變形特性試驗研究的基礎。試驗方法和試驗設備的主要參數(shù)如表4所示。

表4 標準擊實試驗方法

2.6 試驗結果分析

圖2 粉土含水量與干密度關系曲線

如圖2所示為試驗測試土樣1、土樣2的干密度與水量曲線，橫坐標為含水量，縱坐標為干密度。由圖可知，當含水量達到最佳狀態(tài)時，路基的壓實效果最好，可獲得最佳含水率和最大干密度。

2.7 強度試驗方法

路基粉土試樣回彈模量的測試方法采用我國《公路路基設計規(guī)范》（JTG D30—2015）中規(guī)定的三軸重復加載試驗，加載序列如規(guī)范規(guī)定；粉土試樣CBR值的測定分為兩種條件：浸水和不浸水，具體操作步驟按照CBR試驗規(guī)程進行。

3 試驗結果

按照上述試驗方法對得到12組粉土試樣的回彈模量值，將相同壓實度水平下3組粉土試樣的模量平均值作為各壓實度下的計算回彈模量值，并繪制粉土回彈模量隨壓實度的變化曲線，如圖3所示。

利用軟件MATLAB對回彈模量與CBR值、壓實度K的關系進行非線性分析，得到兩種試驗條件下的關系式。

圖3 粉土動態(tài)模量與壓實度關系曲線

MR=3.254CBR1.045K2.735（R2=0.74）（浸水條件），

MR=6.27CBR1.035K2.05（R2=0.67）（不浸水條件）。

4 結語

本文對一種壓實穩(wěn)定粉土路基的強度特性進行了研究，在最佳含水率下，分別以壓實度70%、85%、90%和95%制作粉土試樣并進行了室內CBR試驗和重復加載三軸回彈模量試驗。結果表明：壓實穩(wěn)定粉土路基動態(tài)回彈模量隨著壓實度的增加而增大，且與CBR和壓實度K呈雙參數(shù)冪函數(shù)關系。