影響路基回彈模量的因素分析

郭桂林

（河南省濮陽市公路勘察設(shè)計(jì)院，河南濮陽 457000）

影響路基回彈模量的因素分析

郭桂林

（河南省濮陽市公路勘察設(shè)計(jì)院，河南濮陽 457000）

土基是公路的基礎(chǔ)，其質(zhì)量的高低直接影響到公路的整體，土基回彈模量是反映路基承載力的主要力學(xué)參數(shù)，它的影響因素較多。本文通過壓實(shí)度、含水量、土質(zhì)類型對(duì)土基回彈模量影響的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，回歸出了土基回彈模量與含水量、壓實(shí)度、土質(zhì)類型間的相關(guān)性。并與其它經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行比較，得出土基回彈模量與它們之間的關(guān)系公式。研究成果，對(duì)提高土基施工質(zhì)量有重要意義。

壓實(shí)度 含水量 土質(zhì)類型 土基回彈模量

路基回彈模量是反映路基承載能力的主要力學(xué)參數(shù)，土基回彈模量的較小變化會(huì)對(duì)路面結(jié)構(gòu)厚度（尤其是瀝青路面）產(chǎn)生較大影響，許多路面設(shè)計(jì)指標(biāo)和路面性能也都受到土基狀態(tài)的影響，合理的評(píng)價(jià)和選用土基回彈模型顯得尤為重要。影響路基回彈模量的因素有多種，主要包括土質(zhì)類型、壓實(shí)度和含水量三個(gè)方面。土質(zhì)類型主要包括顆粒組成和液塑限兩個(gè)指標(biāo)，任何一個(gè)因素變化都會(huì)影響路基回彈模量。

本章主要從壓實(shí)度、含水量、顆粒組和液塑限四方面研究對(duì)回彈模量的影響，采用PFWD（便攜式落錘彎沉儀）將路基設(shè)計(jì)參數(shù)回彈模量與施工控制指標(biāo)壓實(shí)度有機(jī)聯(lián)系起來，并得出一定土質(zhì)類型情況下壓實(shí)度、含水量與回彈模量的經(jīng)驗(yàn)公式，從而確定回彈模量的合理取值方法。

1　壓實(shí)度

路基的壓實(shí)度是路基施工中極其重要的環(huán)節(jié)，也是提高路基強(qiáng)度和穩(wěn)定性的根本措施。路基回彈模量在土質(zhì)類型和含水量一定的情況下，主要受壓實(shí)度影響，壓實(shí)度越大，路基承載力越大，強(qiáng)度越高，回彈模量越大。反之，壓實(shí)度越小，路基承載力越小，強(qiáng)度越低，回彈模量越小。

本文通過在室內(nèi)制作同一含水量不同壓實(shí)度試件研究壓實(shí)度與回彈模量的定量關(guān)系。具體過程為:在土質(zhì)類型選定后，以一定的含水量拌土，制定不同壓實(shí)度的試件，測(cè)得回彈模量變化的情況。試件的制備按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE40-2007）制件，試件成型后用室內(nèi)承載板測(cè)定試件的回彈模量值。通過具體試驗(yàn)結(jié)果得出，隨著壓實(shí)度的降低，回彈模量減少，壓實(shí)度降低越大，模量減少越快；得出了壓實(shí)度K與回彈模量Eb之間的直線模型關(guān)系:

其中回歸系數(shù)b的大小與土質(zhì)顆粒組成有關(guān)，粗顆粒組含量越多，系數(shù)b越大，直線的斜率越大，模量隨壓實(shí)度增加的越快。

2　含水量

2.1含水量與回彈模量的關(guān)系

在土質(zhì)類型與壓實(shí)度不變的情況下，含水量是影響回彈模量的另一重要因素。含水量很少時(shí)候回彈模量隨含水量的增加而增加，當(dāng)含水量超過某一值時(shí)，回彈模量隨含水量的增加而減小，土質(zhì)的最佳含水量即在這一值的附近。不同土質(zhì)存在不同的最佳含水量值，其回彈模量與含水量的關(guān)系也各有不同?；貜椖Ａ颗c含水量之間存在的關(guān)系如下:

其中a為土質(zhì)類型的最大回彈模量；c為回彈模量對(duì)應(yīng)的最佳含水量；b為反映回彈模量隨含水量變化敏感程度的系數(shù)，b值越大，回彈模量隨含水量的變化越明顯，含水量越小，回彈模量隨含水量的變化越緩慢。

2.2浸水前后回彈模量的變化

當(dāng)試件按一定的壓實(shí)度和含水量制成后，用PFWD測(cè)定浸水前回彈模量值，按《土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE40-2007）所規(guī)定的方法將試件浸水4d，再用PFWD測(cè)浸水后回彈模量值。對(duì)同一壓實(shí)度不同含水量的試件，不用的土質(zhì)浸水前后回彈模量值的變化不同，級(jí)配良好的土浸水后回彈模量減少的小。含水量越大回彈模量減少越小，含水量越小膨脹量越大。雖然含水量低于最佳含水量的壓實(shí)土樣在浸水飽和前的強(qiáng)度很高，但浸水飽和后的強(qiáng)度卻大大降低，含水量越小的土樣，強(qiáng)度降低的幅度越大，即強(qiáng)度穩(wěn)定性越差。而在最佳含水量時(shí)被壓實(shí)的土樣，浸水飽和后的強(qiáng)度較高，浸水前后的強(qiáng)度差異不大，水穩(wěn)性最好。這也是工程中總是要求在最佳含水量狀態(tài)下壓實(shí)的原因。

對(duì)于同一含水量不同壓實(shí)度試件，浸水后壓實(shí)度越大回彈模量減少的越小，其值減少50%-70%壓實(shí)度與膨脹量大致呈拋物線關(guān)系變化，即壓實(shí)度小于90%時(shí)，膨脹量隨壓實(shí)度的增加而增加。當(dāng)壓實(shí)度大于90%時(shí)，膨脹量隨壓實(shí)度的增加而減小，現(xiàn)場(chǎng)路基施工中要求壓實(shí)度必須大于90%，有其強(qiáng)度方面的考慮，同時(shí)也注意了路基浸水后水穩(wěn)定性的問題。壓實(shí)土的膨脹量除了與土質(zhì)有關(guān)外，很大程度上與初始含水量有關(guān)，壓實(shí)含水量低于最佳含水量時(shí)壓實(shí)的土與略高于最佳含水量時(shí)的土相比，有較大的膨脹量。因此從水穩(wěn)定性的角度看，壓實(shí)時(shí)采用接近或略大于最佳含水量的含水量值，吸水量與膨脹量最小，最為穩(wěn)定。

現(xiàn)場(chǎng)施工中，含水量是影響路基壓實(shí)的關(guān)鍵因素之一，用一定的壓實(shí)機(jī)械，碾壓不同路基填料使之達(dá)到一定的壓實(shí)度，合適的含水量波動(dòng)具有一定的范圍，這個(gè)范圍習(xí)慣上稱為控制含水量。至今，國(guó)內(nèi)規(guī)范都以擊實(shí)試驗(yàn)確定的最佳含水量為基準(zhǔn)，執(zhí)行“+2，-3”的標(biāo)準(zhǔn)。這種標(biāo)準(zhǔn)有道理但是缺乏理論依據(jù)。對(duì)于粗粒土類型（如砂性土和塑性指數(shù)低的砂礫土、碎石土），在施工碾壓時(shí)，填料對(duì)含水量的影響不敏感，在投入使用后水的浸入不會(huì)使土體發(fā)生明顯膨脹。含水量減少，土體也不會(huì)明顯收縮，可以放寬對(duì)含水量的控制。對(duì)于細(xì)粒土（黏性土）水的浸入使土體含水量增加，體積發(fā)生明顯膨脹，含水量變小，體積發(fā)生明顯收縮，引起土體開裂，使路基承載力下降。因此，在道路使用期間，可能浸水的情況下，應(yīng)選擇略大于最佳含水量的含水量進(jìn)行壓實(shí)。

室內(nèi)試驗(yàn)可以很好的控制壓實(shí)度和含水量，從而可以分析單一因素對(duì)回彈模量的影響，而現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的回彈模量受綜合因素的影響。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，不能按要求控制路基的壓實(shí)度與含水量，且填筑的土層變化大，所以路基回彈模量的檢測(cè)結(jié)果是在綜合因素作用下的結(jié)果?；貜椖Ａ颗c壓實(shí)度和含水量之間存在如下關(guān)系:

其中:a1、a2、a3、a4為回歸系數(shù)；K為壓實(shí)度；w為含水量。

3　顆粒組成

土骨架由土粒組成，土粒的大小很不均勻，不同粒徑的土粒在土中的相對(duì)含量是決定土的工程性質(zhì)的重要指標(biāo)之一。對(duì)土的顆粒組成進(jìn)行劃分，一定的顆粒變化范圍稱為一個(gè)粒組。粒組的劃分反映土隨粒徑的變化、工程性質(zhì)由量變到質(zhì)變的規(guī)律。道路工程中將土粒按粒徑劃分為三大組:巨粒組、粗粒組和細(xì)粒組。粒徑劃分點(diǎn)為60mm和0.074mm，每一粒組又可分為若干小組。天然土是各種不同大小土粒的混合體，不同粒組在土中的相對(duì)含量決定著土的工程性質(zhì)。這種相對(duì)含量用各粒組的質(zhì)量所占土體總質(zhì)量的百分比表示，即為土的級(jí)配。

土質(zhì)顆粒組成影響回彈模量值，若土質(zhì)顆粒級(jí)配良好，不均勻系數(shù)與曲率系數(shù)均符合要求，則回彈模量值隨壓實(shí)度的增加穩(wěn)步上升；若土質(zhì)顆粒級(jí)配不好，回彈模量值總體趨勢(shì)也是隨壓實(shí)度的增加而增加。顆粒組成對(duì)回彈模量的影響與現(xiàn)場(chǎng)含水量有關(guān)，對(duì)應(yīng)粗粒土，大小顆?；ハ嗲稊D，壓實(shí)后的狀態(tài)受水的影響較小，穩(wěn)定性好，不易發(fā)生明顯的收縮膨脹。而對(duì)于細(xì)粒土，遇水后膨脹較大，不易在含水量小的情況下壓實(shí)。

4　液塑限

液限和塑限在國(guó)際上稱為“阿太堡界限”，是粘性土的重要土性指標(biāo)。土體從流體性狀態(tài)向塑性狀態(tài)的過渡的界限稱為液限，液限能較好的反映土土的壓縮性、膨脹性和收縮性等。塑性是土體由塑性體狀態(tài)向脆性固體狀態(tài)過渡的界限含水量。而塑性指數(shù)是指處于塑性狀態(tài)的含水量變化范圍，既是液限與塑限至差值。

對(duì)于粗粒土，液塑限對(duì)回彈模量的影響不大。因?yàn)橐核芟奕⊥令w粒粒徑為0.5mm以下的土，對(duì)應(yīng)粗顆粒0.5mm不具代表性，得到的液塑限值只是表明在該土質(zhì)類型中0.5mm以下土的性質(zhì)，粗粒土顆粒通過接觸點(diǎn)直接接觸，粒間出重力或者有時(shí)具有有一定的毛細(xì)壓力之外，其他粘結(jié)力十分微弱，回彈模量主要受壓實(shí)度的影響。對(duì)于細(xì)粒土，液塑限對(duì)回彈模量的影響很大。細(xì)粒土顆粒由于微細(xì)顆粒特別是黏土顆粒之間存在著重力以外的分子引力和靜電力的作用，使顆粒之間相互黏結(jié)而顯黏性。靜電引起結(jié)合水膜，顆粒之間常常不再是直接接觸而是通過結(jié)合水膜相黏結(jié)，使這類土具有可塑性。高液限和高塑性指數(shù)的土質(zhì)，由于土中黏土礦物的影響，當(dāng)路基含水量增大時(shí)產(chǎn)生膨脹，路基回彈模量減少，承載力下降。

5　路基回彈模量取值方法

經(jīng)前面分析可以得出，路基回彈模量與土質(zhì)類型的顆粒組成、液塑限、壓實(shí)度、含水量均存在一定的關(guān)系。所以尋找一種以壓實(shí)度、含水量、顆粒組成和液塑限共同影響下的回彈模量的確定方法具有實(shí)際意義。所以，綜合考慮各因素的影響，采用稠度代替含水量、液限和塑性指數(shù)對(duì)回彈模量的影響進(jìn)行分析。

各因素與回彈模量的關(guān)系:

其中:a1、a2、a3、a4為回歸系數(shù)；K為壓實(shí)度；Bm為稠度；d為礫粒（顆粒直徑為2～60mm）含量百分比。

6 結(jié)語

路基回彈模量是反映路基承載能力的主要力學(xué)參數(shù)，影響路基回彈模量的因素有土質(zhì)類型、壓實(shí)度和含水量三個(gè)方面。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三方面對(duì)回彈模量的影響規(guī)律，得出它們與回彈模量的經(jīng)驗(yàn)公式，從而確定回彈模量的合理取值方法。

（1）在土質(zhì)類型和含水量一定的情況下，壓實(shí)度越大，回彈模量越大。反之，壓實(shí)度越小，回彈模量越小。

（2）含水量很少時(shí)候回彈模量隨含水量的增加而增加，當(dāng)含水量超過某一值時(shí)，回彈模量隨含水量的增加而減小，土質(zhì)的最佳含水量基本在分界點(diǎn)附近。

（3）土質(zhì)顆粒級(jí)配良好，回彈模量值隨壓實(shí)度的增加而增加比較明顯；液塑限對(duì)粗粒土的回彈模量的影響不大。對(duì)于細(xì)粒土，液塑限對(duì)回彈模量的影響很大。

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