路基處治土回彈模量預估

夏 寧,黃琴龍

（同濟大學道路與機場工程系,上海 200092）

路基是路面結(jié)構(gòu)的支撐體,行車荷載通過路面結(jié)構(gòu)傳遞至路基,路基的應力應變特性對于道路結(jié)構(gòu)的強度和剛度起著重要的作用。在我國現(xiàn)行的瀝青路面設(shè)計規(guī)范中,路基的回彈模量作為表征路基應力應變特性的力學參數(shù)指標,它反映路基的抗變形能力,其取值直接影響到路面的設(shè)計厚度。

國內(nèi)外學者對各種工況下路基土的回彈模量進行了大量研究[1-8],結(jié)果表明:濕度、壓實度、土質(zhì)類型等是影響路基土回彈模量的重要因素。但是對于路基處治土的回彈模量研究卻較少,尤其是關(guān)于路基處治土回彈模量預估方面的研究。

本文通過室內(nèi)試驗,對長江口細砂-水泥（簡稱水泥砂）這種路基處治土的基本力學性能進行研究;基于試驗數(shù)據(jù),建立了水泥砂的回彈模量與壓實度、水泥含量的預估方程,并通過試驗進行驗證。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗依托長江公路通道工程（上海段）,該工程是在長江口一條完整的上海經(jīng)崇明至江蘇的越江通道。該工程考慮崇明島土源匱乏,而工程靠近海邊,離碼頭不遠,運輸便捷,結(jié)合細砂具有水穩(wěn)性好、沉降均勻,施工時受水和不利季節(jié)的影響小等特點,采用長江口細砂作為路堤填料。

長江口細砂組成主要集中在砂類土中的細砂組,即粒徑大于0.074 mm顆粒含量多于總質(zhì)量的75%[9],其主要物理力學性質(zhì)參數(shù)如表1。

表1 路基土物理力學性質(zhì)參數(shù)

1.2 試驗方案

按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTJ 057-94）[10]中所述回彈模量室內(nèi)試驗方法進行試驗,試驗方案簡要步驟如下。

1.2.1 試件制備

根據(jù)高速公路要求的壓實標準（如表2）,試驗中試件壓實度分別取96%,98%,100%;試件的水泥含量（占試件總質(zhì)量的比重）以及設(shè)計含水量如表3所示,含水量為最佳含水量附近所取;試件成型方式采用靜壓成型,這樣方便于控制試件的壓實度。

表2 高速公路壓實標準

表3 設(shè)計含水量

1.2.2 養(yǎng)生

養(yǎng)生時間是需要而定,作為工地控制,通常都只取7 d,整個養(yǎng)生期間的溫度,在北方地區(qū)應保持20℃±2℃,在南方地區(qū)應保持25℃±2℃。試驗中取7 d和28 d兩種養(yǎng)生試件。將試件在養(yǎng)生的最后一天浸潤在常溫水中后再取出試驗。

1.2.3 逐級反復加卸載

本實驗中選用0.2 MPa為加載板上的計算單位壓力的選定值,以此算得試驗施加荷載為1.5 kN。將施加荷載分成5個等分,作為每次施加的壓力值。實際施加的荷載應較預定級數(shù)增加一級。施加第1級荷載,待荷載作用達1 min時,記錄儀器電子顯示屏上的壓力和位移讀數(shù),同時卸去荷載,讓試件的彈性形變恢復。待卸載完成后,穩(wěn)定30 sec記錄儀器電子顯示屏上的壓力和位移讀數(shù)。按照上述過程反復加卸載5級,最后將數(shù)據(jù)進行整理。

2 試驗結(jié)果與分析

通過試驗結(jié)果,具體從水泥含量、齡期和壓實度三個方面分析對水泥砂的回彈模量影響,并建立回彈模量與水泥含量、壓實度的預估方程。

2.1 處治土回彈模量和水泥含量及齡期之間的關(guān)系

水泥砂試件在不同水泥含量、齡期下的回彈模量測試結(jié)果（96%壓實度）如圖1所示。由圖所示,水泥砂試件的回彈模量隨著齡期、水泥含量的增大而增大,齡期、水泥含量對回彈模量有著重要的影響。水泥含量在4%～6%時,無論是7 d齡期還是28 d齡期下的回彈模量,都在一個小范圍內(nèi)波動,相差不大;在水泥含量顯著上升,達到15%甚至25%時,回彈模量就有了顯著的增加。這就說明隨著水泥含量的增加,回彈模量是不斷增加的,但是在水泥含量并不高的情況下,隨著水泥含量的增加回彈模量的增幅并不大,當水泥含量達到較高水平時,即對回彈模量產(chǎn)生顯著的影響。

同時,由兩種齡期下的回彈模量強度可以看出,齡期也是影響回彈模量的重要因素。水泥在不同齡期下的強度是不同的,這就影響水泥砂的強度。28 d的回彈模量要顯著大于7 d的。

經(jīng)回歸分析,水泥砂回彈模量Mr（MPa）與水泥含量x（%）之間存在著指數(shù)關(guān)系,擬合出如下方程:

用以上兩式預估Mr值,其預估值與實測值偏差5%,3%。

2.2 回彈模量和壓實度之間的關(guān)系

試驗中取4%與5%水泥含量的28 d齡期的水泥砂試驗結(jié)果來說明壓實度對回彈模量的影響,并建立其相應水泥含量下的回彈模量值預估方程。28 d齡期下4%與5%水泥含量的回彈模量試驗結(jié)果如圖2所示。

圖1 水泥含量與回彈模量關(guān)系圖

由圖2可以看出:隨著壓實度、水泥含量的增加,回彈模量也顯著增加,在壓實度達到100%時,回彈模量達到最大;無論水泥含量多少,壓實度y（%）與回彈模量Mr（MPa）存在指數(shù)關(guān)系。

經(jīng)回歸分析,水泥砂回彈模量Mr（MPa）與壓實度y（%）之間存在著指數(shù)關(guān)系,擬合出如下方程:

用以上兩式預估Mr值,其預估值與實測值偏差5%,5%。

4 結(jié)論

本文通過試驗,研究了水泥砂這種路基處治土回彈模量的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)回彈模量與水泥含量、壓實度成指數(shù)關(guān)系,并建立預估模型。通過室內(nèi)試驗驗證,預估模型具有較高的準確度。但由于室內(nèi)試驗條件限制以及室內(nèi)與現(xiàn)場的差異性,預估模型存在一定問題,需要再進一步通過大量室內(nèi)試驗以及現(xiàn)場檢測修正模型。

圖2 壓實度與回彈模量關(guān)系圖

[1]凌建明,陳聲凱,曹長偉.路基土回彈模量影響因素分析[J].建筑材料學報,2007,10（4）:446-451.

[2]姚祖康.道路路基路面工程[M].上海:同濟大學出版社,2001.

[3]保衛(wèi)國.路基土吸力對其回彈模量的影響研究[J].民航科技,2001,88（6）:63-66.

[4]謝華昌,凌建明.濕度和吸力對處治土路基回彈模量的影響[J].中國公路學報,2001,14（9）:19-21.

[5]RAO S.Analysis of in-situ moisture content data for Arkansas subgrades[D].Arkansas:University of Arkansas,1997.

[6]KSAIBATI A F.Effect ofMoisture on the Modulus Values of Base and Subgrade Materials[C/CD].79thAnnual Meeting of Transportation Research Board,2000.

[7]ANDREW G H.Evaluation Of Seasonal Effects On Subgrade Soils[C/CD].82nd Annual Meeting of Transportation Research Board,2003.

[8]PHILLIP S K.OOI A.Ricardo Archilla,KealohiG.Sandefur.ResilientModulusModels for Compacted Cohesive Soils[C/CD].83rd AnnualMeeting of Transportation Research Board,2004.

[9]張海霞,凌建明,蔣鑫,等.長江口細砂路用性能的試驗研究[J].公路工程,2008,33（3）:142-146.

[10]JTJ 057-94,公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程[S].