山西黃土CBR與E0的相互關(guān)系式的修訂

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(山西省交通科學(xué)研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，山西 太原 030006)

路基是路面結(jié)構(gòu)的支承體，土基回彈模量是反映路基承載能力的主要力學(xué)參數(shù)。黃土地區(qū)路基路面發(fā)生了較為嚴(yán)重的病害，病害的原因很多，除了與黃土的特殊性質(zhì)有關(guān)以外，還與施工控制不當(dāng)、填土壓實不足、排水不暢、地基處理不合理、材料不合格以及設(shè)計不合理有關(guān)，回彈模量的取值直接影響到路面的設(shè)計，回彈模量的取值與實際值相差很多，這主要是因為測試回彈模量的方法多，而且，從大量試驗結(jié)果及工程經(jīng)驗可看出E0值的測定受人為因素、土質(zhì)、氣候、地理條件、測試方法等因素的影響很大。

CBR也是一種評定基層材料承載能力的試驗方法，也用于評定土基的強(qiáng)度。在國外多采用CBR作為路面材料和路基土的設(shè)計參數(shù)。由于CBR的試驗方法較簡單，設(shè)備造價低廉，在許多國家得到廣泛應(yīng)用。采用CBR法確定瀝青路面厚度，有配套的圖表，應(yīng)用十分方便，受到工程技術(shù)人員的歡迎[1-5]。

因此有必要對CBR和回彈模量之間進(jìn)行區(qū)別和聯(lián)系，為黃土地區(qū)路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供可靠的依據(jù)。國內(nèi)外對于回彈模量和CBR之間的關(guān)系式研究了很多，但是對于黃土的研究較少。為了建立黃土地區(qū)回彈模量和CBR之間的關(guān)系，對山西省黃土路基試驗段進(jìn)行了大量的試驗，通過實測數(shù)據(jù)分析土基回彈模量與CBR的相關(guān)關(guān)系，以探求土基回彈模量的合理取值，使得路面設(shè)計更能符合實際情況，以適應(yīng)未來公路交通的發(fā)展。

1 路基土質(zhì)概況

選取山平、廣源等4條高速公路的4段典型試驗路段的黃土，按照《公路土工試驗規(guī)程》[6]的試驗步驟和方法進(jìn)行土樣的物理指標(biāo)試驗。試驗結(jié)果如表1。

表1 路基黃土物理性質(zhì)指標(biāo)表測試地點比重液限塑限最佳含水量/%最大干密度/(g·cm-3)山平高速2.7030.320.8121.884河運高速2.6332.320.9121.952廣源高速2.6530.120.8121.942臨吉高速2.7026.319.8102.006

2 現(xiàn)場試驗方法

2.1 承載比CBR試驗

將4條高速公路的4段試驗路段的壓實度基本控制在96%左右，在試驗路段上選點測試，用貫入試驗得到的等級荷重除以貫入段面積(19.625 cm2)，得到各級壓強(qiáng)，繪制荷載壓強(qiáng)-貫入量曲線[7]。如曲線起點處出現(xiàn)反彎點，應(yīng)對其進(jìn)行修正，在壓強(qiáng)-貫入量曲線上一般采用貫入量為2.5 mm時的測定值為準(zhǔn)，當(dāng)貫入量為5.0 mm時的CBR大于2.5 mm時的CBR時，應(yīng)重新試驗，如重新試驗還是如此，則以貫入量5.0 mm時的CBR為準(zhǔn)，即

(1)

式中,P1為荷載壓強(qiáng)；P0為標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)，當(dāng)貫入量為2.5 mm時為7 MPa,當(dāng)貫入量為5 mm時為10.5 MPa。

山平、廣源、河運、臨吉4條高速公路試驗路段現(xiàn)場CBR的測試結(jié)果如表2，間距20 m,其均值分別為18.727、29.748、53.576和58.147。

表2 現(xiàn)場CBR測試數(shù)據(jù)山平廣源河運臨吉15.65139.30856.29455.32311.64738.33860.41965.51410.67729.84553.86780.07316.01531.54465.02954.59613.83118.92653.13959.4487.91020.14054.59556.29436.39727.66252.41143.67630.57332.02953.38252.41125.84225.47840.76459.691—34.21345.86061.147———51.441

2.2 路基回彈模量E0的測定

在測試CBR點附近進(jìn)行路基回彈模量的測定?，F(xiàn)場回彈模量E0的測定適用于在現(xiàn)場土基表面，通過用承載板對土基逐級加載、卸載的方法，荷載小于0.1 MPa時，每級增加0.02 MPa，以后每級增加0.04 MPa左右，當(dāng)回彈變形值超過1 mm時，停止加載，然后根據(jù)式(2)計算回彈模量，測得的回彈模量可用于路面設(shè)計參數(shù)?；貜椖Ａ吭囼炇茄芯客临|(zhì)路基強(qiáng)度特性常用的方法之一，根據(jù)試驗結(jié)果，繪出土質(zhì)路基頂面壓應(yīng)力與回彈變形的關(guān)系曲線，曲線的起始階段有反彎需進(jìn)行修正?；貜椖Ａ康挠嬎愎饺缦?/p>

(2)

式中,E0為土基回彈模量;μ0為土的泊松比,土基一般取0.35;Li為實測回彈變形值;Pi為對應(yīng)于Li的各級壓力值。

山平、廣源、河運和臨吉高速現(xiàn)場回彈模量測試結(jié)果如表3，間距20 m,其均值分別為29.936、36.093、52.180和70.640。

表3 現(xiàn)場回彈模量測試數(shù)據(jù)山平廣源河運臨吉26.77037.11366.44577.94323.18537.48064.79387.71315.96653.66470.673122.84719.33829.43757.24443.09117.68427.47445.91861.58621.69441.97644.35462.17544.99031.15960.04346.81749.67838.88947.50268.23850.11628.25931.07852.978—35.48033.753108.824———44.824

3 回彈模量與CBR相互關(guān)系式的修訂

對4條高速公路的現(xiàn)場試驗結(jié)果進(jìn)行分析和整理， 剔除離散型大的測點數(shù)據(jù)，對現(xiàn)場回彈模量和CBR測試的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到如表4的相關(guān)關(guān)系式。

表4 黃土路基回彈模量和CBR的相關(guān)性試驗路段測點數(shù)量擬合關(guān)系式相關(guān)系數(shù)山平高速9E0=0.699 6CBR0.959 1R2= 0.726廣源高速10E0=6.457 7CBR0.477 6R2= 0.674河運高速10E0=0.066 6CBR1.659 6R2= 0.708`臨吉高速11E0=0.070 9CBR1.696 3R2= 0.758

從表2的現(xiàn)場測試結(jié)果看出，4條試驗路段的現(xiàn)場測試回彈模量值在地理位置上呈現(xiàn)出由北向南逐漸增大的趨勢，因此，晉南和晉北的回彈模量會有較大的差異。

許多研究人員對山西黃土的回彈模量和CBR的相關(guān)關(guān)系做了大量的研究，其中，山西省交通廳科研計劃項目《山西省濕陷黃土路基設(shè)計施工關(guān)鍵技術(shù)研究》研究報告中對山西黃土建立了如下的相關(guān)關(guān)系式

E0=44.04(CBR)0.77-4.15

(3)

式中，CBR為標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下的測定值。現(xiàn)將4個場地的現(xiàn)場回彈模量E0與CBR測試值帶入該公式進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果如圖1。

圖1 典型場地回彈模量與CBR擬合曲線

從圖1中可以看出，用公式(3)擬合山西典型場地土體回彈模量與CBR曲線時，部分?jǐn)M合較好，但總體上擬合效果較差，分析原因主要是由于晉南和晉北土樣回彈模量在地域上有所差異，并且CBR的試驗條件也不同，將公式(3)作以修正，將山西場地分析晉南和晉北兩大區(qū)域，分別研究其回彈模量與CBR的相關(guān)關(guān)系，分析結(jié)果如圖2，圖3所示。從圖2、圖3中可以看出，將山西土體分為晉南和晉北后擬合效果較好，其中晉北地區(qū)的土體其回彈模量與CBR的關(guān)系符合冪指數(shù)關(guān)系，表達(dá)式為

圖2 晉北回彈模量與CBR的關(guān)系曲線 圖3 晉南回彈模量與CBR的關(guān)系曲線

式中,A1=5.04;B1=0.6;C1=-5.15。

晉南地區(qū)的土體回彈模量與CBR的關(guān)系符合指數(shù)關(guān)系，表達(dá)式為

E0=A2eB2·CBR

(5)

式中,A2=9.736 7;B2=0.032 3。其中，CBR和E0是現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

(1)公式(4)和公式(5)是根據(jù)4條試驗路段上的測試數(shù)據(jù)擬合得到的，測試結(jié)果具有一定的參考價值，但仍具有一定的局限性，希望通過更加深入的研究來補(bǔ)充和完善該公式。

(2)根據(jù)山西省土質(zhì)類型分布規(guī)律，山西黃土路基的回彈模量在地理位置上呈現(xiàn)出由北向南逐漸增大的趨勢，提出了適合山西黃土?xí)x北和晉南的回彈模量和CBR的相關(guān)關(guān)系式，為確定黃土路基的回彈模量值提供一定的應(yīng)用依據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]南浩林.土基回彈模量三種測試方法的相關(guān)性分析[J].山西交通科技，2006(5)：9-11．

[2]鄧學(xué)鈞.路基路面工程[M].北京：人民交通出版社，2003.

[3]賀國佑，劉鋒民．新疆地區(qū)路基回彈模量E0研究[J]．中外公路， 2008， 28(2) :58-61.

[4]吳喜榮,申俊敏.山西黃土CBR的影響分析[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013(1) ：71-75．

[5]龐巍，楊廣慶，呂鵬.影響公路路基填料CBR試驗值的因素分析[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，19(4) ：26-29．

[6]交通部公路科學(xué)研究院．JTG E40—2007 公路土工試驗規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2007.

[7]交通部公路科學(xué)研究院．JTG 059—95 公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，1995.