路基土和粒料回彈模量影響因素分析

趙 強(qiáng)

（邯鄲市交通局公路工程二處，河北 邯鄲 056001）

0 引言

路基土和粒料的回彈模量是影響瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的重要參數(shù)之一。對于處于特定狀態(tài)的粒料和路基土，影響其模量取值的主要因素是應(yīng)力狀況。道路在運(yùn)營期間內(nèi)時，粒料和路基土在車輛荷載反復(fù)作用下，具有很強(qiáng)的應(yīng)力依賴非線性性質(zhì)，對于不同路面類型以及不同交通等級的結(jié)構(gòu)組合，不同層位處的粒料層和路基的應(yīng)力狀況是不相同的，所以其模量值也不會相同，因此，在粒料和路基土模量參數(shù)的測試過程中，不僅要遵循反映材料基本特性的要求，還要能夠近似模擬材料的實(shí)際受力狀態(tài)。但是，我國現(xiàn)有粒料和路基土的模量參數(shù)測試方法并不能滿足這兩個條件。本文通過對大量不同路基土和粒料回彈模量相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研和綜合比較，在充分借鑒國內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國實(shí)際狀況，總結(jié)出路基土和粒料回彈模量的影響因素。

1 含水量對路基土和粒料回彈模量的影響

含水量對土與粒料回彈模量的影響比較復(fù)雜。土與粒料回彈模量不僅與含水量本身有關(guān)，還與材料的類型和組成等因素相關(guān)。開級配粒料孔隙大，滲水較快，含水量對其回彈模量影響很小，但對于密級配粒料，含水量對其回彈模量影響則較大，尤其是在細(xì)料含量高并接近水飽和的情況下。

通常認(rèn)為，部分飽和粒料與干粒料的回彈響應(yīng)接近，當(dāng)接近飽和狀態(tài)時，粒料的回彈相應(yīng)會出現(xiàn)比較明顯的變化。目前國內(nèi)外部分學(xué)者指出，粒料在高飽和度條件下回彈模量對含水量有顯著依賴性，其變化趨勢隨著飽和度的提高而降低。例如，Yoder和Haynes研究發(fā)現(xiàn)，礫石材料飽和度從97%降至70%時，回彈模量反而升高了50%。Hicks和Monismith的研究表明，當(dāng)土和粒料的含水量超過最佳含水量時，回彈模量會隨著含水量的增大逐漸降低。由于飽和粒料在重復(fù)加載條件下會產(chǎn)生超孔隙水壓力，從而使材料中的有效應(yīng)力降低，隨后表現(xiàn)為材料強(qiáng)度與剛度的降低。綜合分析認(rèn)為并不是飽和度影響了材料的力學(xué)行為，而是孔隙水壓的變化影響了其變形行為。Hicks指出，僅基于總應(yīng)力分析時，才會得出模量隨飽和度增大而降低的結(jié)論。Pappin也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果基于有效應(yīng)力分析時，所得回彈模量幾乎保持不變。但Thom和Brown認(rèn)為，即使不產(chǎn)生孔隙水壓力，也會因水對顆粒的潤滑作用而使集料試件變形增大致使模量下降。對這些試驗(yàn)結(jié)果的另一種解釋是，因水的表面張力而產(chǎn)生的負(fù)孔隙壓力聚集在部分飽和材料的顆粒接觸點(diǎn)附近，負(fù)孔隙水壓力隨含水量增加而降低，導(dǎo)致顆粒間接觸力下降。這是因?yàn)樗谶@種材料的孔隙中更易保持，而均勻級配材料則允許水自由排放。Dawson等研究了一系列良好級配未處治集料后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)陀谧罴押繒r，模量傾向于隨含水量的增大而提高；超過最佳含水量后，模量則隨含水量的增大而快速減小。圖1為Tian等對砂巖碎石在3種含水量（最佳含水量、低于最佳含水量2%、高于最佳含水量2%）條件下的三軸試驗(yàn)結(jié)果，從圖中可以看出高于最佳含水量（飽和度為86%）時的回彈模量最小。圖2為Khoury和Musharraf對砂性路基土在不同含水量條件下的三軸試驗(yàn)結(jié)果，圖像表明回彈模量隨含水量的增加而快速下降。

圖1 砂巖碎石在不同含水量時的回彈模量測試平均值

圖2 砂性土回彈模量隨含水量的變化

與粒料相比，黏性土的回彈模量更易受含水量的影響。已經(jīng)有學(xué)者指出，黏性土的回彈模量隨含水量的提高呈現(xiàn)出非線性減小的變化趨勢。Huang以及Butalia等的研究認(rèn)為，黏性土飽和試件的模量顯著低于非飽和試件，這種降低可能是孔隙水壓力集結(jié)的結(jié)果。Li和Qubain指出，黏性土完全飽和試件的模量約為最佳含水量條件下模量的1/2[4]。此外，壓實(shí)含水量對黏性土的模量也有顯著影響。有研究表明，低于最佳含水量壓實(shí)的試件表現(xiàn)出較高的模量，超過最佳含水量后，回彈應(yīng)變隨含水量的增大迅速增大，從而引起回彈模量降低。

2 材料級配、細(xì)料含量、最大粒徑對路基土和粒料回彈模量的影響

2.1 材料級配對路基土和粒料回彈模量的影響

在相同壓實(shí)功作用下，不同級配的粒料可達(dá)到不同的密實(shí)度。密實(shí)度較高的粒料，回彈模量也相應(yīng)較高。密級配粒料易于壓實(shí)而達(dá)到較高的密實(shí)度，故其回彈模量要高于開級配粒料。Raad[5]等對不同級配的粒料進(jìn)行水飽和、不排水重復(fù)加載三軸試驗(yàn)，在試件處于壓實(shí)含水量時，密級配粒料的回彈模量高于開級配粒料，但水飽和后，粒料在不排水的情況下會產(chǎn)生超孔隙水壓力，導(dǎo)致回彈模量降低，而開級配粒料抵抗超孔隙水壓力的能力要大于密級配粒料，因而對路面產(chǎn)生的損害要少。且開級配粒料的排水性能優(yōu)于密級配粒料，出現(xiàn)的超孔隙水壓力小，由此引起的回彈模量降低也小。Thom和Brown研究了不同級配石灰石碎石，指出均勻級配集料僅比良好級配集料稍微強(qiáng)一些。Plaistow指出，當(dāng)在良好級配材料中加入水時，級配的影響顯著增加，因?yàn)檫@些材料的孔隙可以持水。同時，良好級配材料也能獲得較均勻級配、材料更高的密度，因?yàn)檩^小的顆粒填充了較大顆粒之間的空隙。因此，Plaistow認(rèn)為，級配通過控制材料體系含水量和密度，間接地影響未處治集料的回彈行為。Heydinger等比較了級配對石灰石、礫石和礦渣回彈模量的影響，其研究表明石灰石在開級配時表現(xiàn)出較高的模量，而礫石模量的變化趨勢則不顯著；對礦渣結(jié)果則相反，較密的級配傾向于獲得更高的模量。Van Niekerk等調(diào)查研究了有限數(shù)量的砂、軋制碎圬工體、軋制碎混凝土的行為，結(jié)果表明良好級配較均勻級配有更高的剛度。盡管這與前文一些研究者的觀點(diǎn)相沖突，但Van Niekerk等認(rèn)為，由于在相同條件下，良好級配材料具有較大的接觸面積，因而對相同變形能承受更大的偏應(yīng)力，導(dǎo)致較高模量。

2.2 細(xì)料含量對路基土和粒料回彈模量的影響

細(xì)料含量對粒料回彈模量的影響與含水量、密實(shí)度等因素相關(guān)。國外一些學(xué)者指出，回彈模量通常隨細(xì)料含量的增加而減小。Hicks發(fā)現(xiàn)，對部分破碎的集料，回彈模量隨細(xì)料含量的增加而有所降低，但對完全破碎的集料則相反。Hicks指出，當(dāng)細(xì)料含量在2%～10%范圍內(nèi)變化時，其對模量的影響很小。但是，Itani發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細(xì)料含量從0提高到10%時，回彈模量值降低約60%。以上學(xué)者研究表明，將黏粒加入軋制碎集料時，回彈模量值開始比較高，隨后就開始下降，而且下降的趨勢比較明顯。起初模量的發(fā)展歸因于孔隙的填充和接觸的增加，隨著加入黏粒的增多，過多的細(xì)料間隔了粗顆粒，以致力學(xué)性能僅依靠于細(xì)料，模量降低。因此，在粒料中增加細(xì)料含量便于壓實(shí)，密實(shí)度的增加有利于回彈模量的提高。

2.3 最大粒徑對路基土和粒料回彈模量的影響

對具有相同細(xì)料含量和類似粒徑分布的粒料，回彈模量隨最大粒徑的增大而提高。按照Kolisoja對這種現(xiàn)象的解釋，作用于粒料的荷載主要部分是由顆粒序列傳遞的，當(dāng)荷載通過較粗的顆粒傳遞，較小數(shù)目的顆粒接觸導(dǎo)致更少的總變形及更高的回彈模量。

3 材料類型與顆粒形狀對路基土和粒料回彈模量的影響

Heydinger等人的研究指出，礫石比石灰石碎石有更高的模量。此外，許多學(xué)者指出，具有棱角形及次棱角形的軋制碎集料比圓形及接近圓形的未破碎礫石具有更好的荷載傳遞能力和較高的回彈模量。Barksdale和Itani調(diào)查研究了幾種類型的集料，觀察到粗糙的、有角的破碎集料比圓形的礫石，在低平均正應(yīng)力條件下的回彈模量約高50%，在高平均正應(yīng)力條件下的回彈模量則約高25%。

4 結(jié)語

與國外相比，國內(nèi)在路基土與粒料動態(tài)回彈模量方面的研究還比較薄弱。但是，由于自然環(huán)境、路面結(jié)構(gòu)、材料屬性等諸多方面的差異，我國不可能全面、直接地應(yīng)用國外相關(guān)成果，而應(yīng)當(dāng)在充分借鑒的同時，結(jié)合國內(nèi)實(shí)際情況，對路基土與粒料動態(tài)回彈模量進(jìn)行深入研究，找出適合我國國情的路基土和粒料的回彈模量影響因素，為我國瀝青路面設(shè)計(jì)提供合理的參數(shù)。

[1] 查旭東.基于同倫方法的路面模量反算的研究[D].西安：長安大學(xué)，2001.

[2] Hicks R G,Monismith C L.Factors Influencing the Resilient Properties of Granular Materials[J].Highway Research,1971(34):15-31.

[3] Hornych P,Kazai A,Piau,J M.Study of the Resilient Behavior of Unbound Granular Materials[C]//R S Nordal,G Rafsdal.Proceedings of the 5th International Conference on the Bearing Capacity of Roads and Airfields.Illinois:University of Illinois Press,1998:1277-1287.

[4] Li D,Selig E T.Resilient Modulus for Fine-Grained Subgrade Soil[J].Journal of Geotechnical Engineering,1994,120(6):939-957.

[5]張博，蘇躍宏.瑞利波檢測土基模量的一些試驗(yàn)研究[J].山西建筑，2006，32（4）： 103-112.