路基回彈模量隨季節(jié)變化規(guī)律的研究

摘 要：通過室內(nèi)試驗(yàn)得到路基回彈模量與壓實(shí)度、稠度的回歸公式；通過現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期觀測(cè)，找到路基含水量（稠度）隨季節(jié)變化規(guī)律；進(jìn)行變量轉(zhuǎn)換，找出路基回彈模量隨季節(jié)的變化規(guī)律，為公路路面設(shè)計(jì)提供重要的參考。

關(guān)鍵詞：路基；回彈模量；壓實(shí)度；含水量；季節(jié)；變化規(guī)律

中圖分類號(hào)：U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）17-0000-00

路基作為路面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，承受著上部結(jié)構(gòu)的自重和車輛荷載，其抗變形能力對(duì)路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性起重要作用。無論是瀝青路面還是水泥混凝土路面出現(xiàn)的病害，相當(dāng)部分是由于路基強(qiáng)度不足、穩(wěn)定性差并在外部荷載作用下產(chǎn)生過大的變形所引起的。

我國(guó)常用路基回彈模量E0表征路基抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，路基回彈模量是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最為重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)通常按照現(xiàn)行規(guī)范方法獲得。但在公路結(jié)構(gòu)中，路基回彈模量是一個(gè)有關(guān)土的類型、含水量、壓實(shí)度以及測(cè)試方法的復(fù)雜參數(shù)，其中路基含水量是一個(gè)隨季節(jié)變化的因素，因此路基回彈模量E0是一個(gè)隨季節(jié)變化的函數(shù)。如果按照規(guī)范方法得到的E0將是一常量，且與路基實(shí)際強(qiáng)度存在較大偏差，直接影響路面結(jié)構(gòu)的整體可靠性。

目前，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)路基回彈模量進(jìn)行了深入研究，主要針對(duì)路基回彈模量的影響因素。但是，對(duì)于路基回彈模量隨季節(jié)的變化規(guī)律，國(guó)內(nèi)研究較少。因此，本文在國(guó)內(nèi)學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，選取試驗(yàn)路段通過試驗(yàn)檢測(cè)及相關(guān)方法研究，分析找出路基回彈模量隨季節(jié)的變化規(guī)律，為公路路面設(shè)計(jì)提供重要的參考。

1 路基回彈模量E0的影響因素

1.1 土質(zhì)對(duì)E0的影響

我國(guó)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2007）中訂立了公路路基土的分類方法。不同的土類含有不同粒徑的土顆粒：砂粒成分多的土，強(qiáng)度構(gòu)成以內(nèi)摩擦力為主，強(qiáng)度較高，受水的影響小，但是施工時(shí)不易壓實(shí)；粘粒成分多的土，以粘聚力為主形成強(qiáng)度，其強(qiáng)度隨密實(shí)程度的不同，變化較大，但易壓實(shí)，強(qiáng)度隨含水量的增大而降低；介于前兩者之間的粉性土，以摩擦力和粘聚力共同形成強(qiáng)度，但是其毛細(xì)現(xiàn)象強(qiáng)烈，路基強(qiáng)度和承載力隨著毛細(xì)水上升、濕度增大而下降。從優(yōu)選路基填筑材料角度來說，砂性土是最好的路基填筑材料，粘性土次之，粉性土是路基不良的填筑材料。

1.2 壓實(shí)度對(duì)E0的影響

壓實(shí)度是影響路基回彈模量的關(guān)鍵因素。充分壓實(shí)的路基可以發(fā)揮較高的承載能力，能夠減少路基和路面在車輛荷載作用下產(chǎn)生的變形。用施工機(jī)械進(jìn)行路基壓實(shí)時(shí)，在荷載作用下，大小顆粒重新排列和互相靠攏，小顆粒進(jìn)入大顆粒的空隙中，土體孔隙率減少，碾壓越密實(shí)，單位體積內(nèi)的固體顆粒越多，空氣越少。我國(guó)現(xiàn)行路基工程通過室內(nèi)土基擊實(shí)試驗(yàn)得到土體最大干密度和對(duì)應(yīng)的最佳含水量，以此控制施工現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)質(zhì)量。

1.3 含水量對(duì)E0的影響

除受土質(zhì)和壓實(shí)度影響外，路基回彈模量還隨著路基含水量變化而變化，有關(guān)資料顯示：保持干密度不變，僅含水量增加1%可使路基回彈模量降低8～18%，平均降低11%；如果考慮含水量增加使干密度減小，則含水量增加1%，回彈模量降低的百分率還要大于11%。規(guī)范也給出了不同地區(qū)各類土質(zhì)在不同含水量（稠度）狀態(tài)下回彈模量的參考資料。

2 路基回彈模量E0隨季節(jié)變化規(guī)律研究

2.1 試驗(yàn)路段選取及研究方法

選取正在運(yùn)營(yíng)的京港澳高速公路（韶關(guān)段）和深汕高速公路（惠州段）作為試驗(yàn)路段展開調(diào)查研究。對(duì)試驗(yàn)段路基土進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣，通過室內(nèi)試驗(yàn)分析研究路基回彈模量與壓實(shí)度、稠度（含水量）的相關(guān)性，得到E0與K、WC的回歸公式；對(duì)試驗(yàn)段路基土不同深度埋設(shè)溫濕度傳感器，進(jìn)行路基含水量觀測(cè)，找出路基含水量隨季節(jié)變化規(guī)律；以含水量為變量，通過變量轉(zhuǎn)換，分析找到路基回彈模量隨季節(jié)變化規(guī)律。

2.2 路基回彈模量與壓實(shí)度、稠度的相關(guān)性

對(duì)試驗(yàn)路段路基土現(xiàn)場(chǎng)取樣，并在室內(nèi)按照不同壓實(shí)度及不同含水量條件進(jìn)行路基回彈模量試驗(yàn)。找出不同路段路基回彈模量與壓實(shí)度、稠度的關(guān)系式。

（1）京港澳高速公路（韶關(guān)段）代表土樣室內(nèi)E0試驗(yàn)。京港澳高速公路（韶關(guān)段）位于廣東省二級(jí)公路自然區(qū)劃Ⅳ6區(qū)內(nèi)，路基土質(zhì)為低液限粘土（CL）；測(cè)得該土樣液限WL=45.0%，塑限WP=22.0%，塑性指數(shù)IP=23.0%；重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)下土樣最大干密度ρdmax=1.86 g/cm3，最佳含水量W0=16.2%。試件含水量W分別取10%、14%、18%、22%和26%五個(gè)水平；試件壓實(shí)度K分別取85%、90%、94%、96%、98%和100%六個(gè)水平；土基回彈模量試驗(yàn)按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）強(qiáng)度儀法進(jìn)行。不同含水量及不同壓實(shí)度下室內(nèi)路基土回彈模量試驗(yàn)結(jié)果見表1所列。

對(duì)表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算分析，得到路基回彈模量隨壓實(shí)度及稠度變化的經(jīng)驗(yàn)公式：

（1）

式中：E0為回彈模量（MPa）；K為壓實(shí)度（%）；WC為稠度。

（2）深汕高速公路（惠州段）代表土樣室內(nèi)E0試驗(yàn)。深汕高速公路（惠州段）位于廣東省二級(jí)公路自然區(qū)劃Ⅳ7區(qū)內(nèi)，路基土質(zhì)為為含礫低液限粘土（CLG）；測(cè)得該土樣液限WL=41.3%，塑限WP=22.9%，塑性指數(shù)IP=18.4%；重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)下土樣最大干密度ρdmax=1.94 g/cm3，最佳含水量W0=12.6%。試件含水量W分別取10%、14%、18%、22%和26%五個(gè)水平；試件壓實(shí)度K分別取85%、90%、94%、96%、98%和100%六個(gè)水平；土基回彈模量試驗(yàn)按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）強(qiáng)度儀法進(jìn)行。不同含水量及不同壓實(shí)度下室內(nèi)路基土回彈模量試驗(yàn)結(jié)果見表2所列。

對(duì)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算分析，得到路基回彈模量隨壓實(shí)度及稠度變化的經(jīng)驗(yàn)公式：

（2）

式中：E0為回彈模量（MPa）；K為壓實(shí)度（%）；WC為稠度。

2.3 路基含水量隨季節(jié)變化規(guī)律

舊路路基含水量采用溫濕度傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，每個(gè)試驗(yàn)路段布設(shè)含水量傳感器3個(gè)。傳感器水平布設(shè)于路面硬路肩邊緣以內(nèi)3m，垂直布設(shè)于路床范圍內(nèi)：路基項(xiàng)面以下10cm、30cm、50cm（如圖1所示）。對(duì)埋設(shè)的溫濕度傳感器設(shè)定每天早晚各采集一次測(cè)試結(jié)果，并計(jì)算3個(gè)不同深度的平均值作為路基土平均含水量。監(jiān)測(cè)時(shí)間為一年。

（1）京港澳高速公路（韶關(guān)段）路基含水量季節(jié)變化觀測(cè)。

京港澳高速公路路基含水量觀測(cè)結(jié)果見表3所列。

將表3檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到舊路路基含水量隨時(shí)間變化的經(jīng)驗(yàn)公式： W=-0.179T 2+2.2035T+17.598 （W為含水量、T為月份）。對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：1月～6月為路基含水量上升階段，7月～12月為路基含水量下降階段。

（2）深汕高速公路（惠州段）路基含水量季節(jié)變化觀測(cè)。

深汕高速公路路基含水量觀測(cè)結(jié)果見表4所列。

將表4檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到舊路路基含水量隨時(shí)間變化的經(jīng)驗(yàn)公式： W=-0.3099T 2+4.181T +11.866 （W為含水量、T為月份）。對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：1月～7月為路基含水量上升階段，8月～12月為路基含水量下降階段。

2.4 路基回彈模量隨季節(jié)變化規(guī)律

舊路在運(yùn)營(yíng)后，路基的壓實(shí)度會(huì)隨車輛荷載作用不斷增大，經(jīng)過多年運(yùn)營(yíng)路床范圍內(nèi)壓實(shí)度均會(huì)超過施工中的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)（壓實(shí)度為96%）。在研究分析時(shí)，取路基壓實(shí)度為96%時(shí)路基回彈模量與稠度的關(guān)系，以稠度（含水量）為變量，通過轉(zhuǎn)換變量找出路基回彈模量隨季節(jié)的變化規(guī)律。

（1）京港澳高速公路（韶關(guān)段）路基回彈模量季節(jié)變化規(guī)律。通過室內(nèi)試驗(yàn)，得到京港澳高速公路路基回彈模量與壓實(shí)度、稠度的回歸公式E0=50.2K 2.15WC 1.04 ，控制試驗(yàn)壓實(shí)度K=96%，得到E0、WC關(guān)系式E0=45.9WC 1.04；路基土質(zhì)為低液限粘土（CL），土樣液限WL=45.0%，塑限WP=22.0%，塑性指數(shù)IP=23.0%；路基含水量隨季節(jié)變化觀測(cè)結(jié)果見表3所列，以含水量（稠度）為變量、進(jìn)行變量轉(zhuǎn)換，由E0～WC關(guān)系式計(jì)算分析，得到路基回彈模量隨季節(jié)變化，見表5所列。

將表5數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得到路基回彈模量隨時(shí)間變化的經(jīng)驗(yàn)公式：E0=0.372T 2-4.5789T+55.137 （T為月份）。由表5和圖2可知：京港澳高速公路（韶關(guān)段）路基回彈模量隨季節(jié)經(jīng)歷減小和增大兩個(gè)階段。其中，1月至6月為回彈模量減小階段，6月至12月為回彈模量增大階段，6月回彈模量為全年最低，而路基含水量為全年最高。

（2）深汕高速公路（惠州段）路基回彈模量季節(jié)變化規(guī)律。通過室內(nèi)試驗(yàn)，得到深汕高速公路路基回彈模量與壓實(shí)度、稠度的回歸公式E0=56.9K 2.63WC 1.18 ，控制試驗(yàn)壓實(shí)度K=96%，得到E0、WC關(guān)系式E0=51.1WC1.18；路基土質(zhì)為含礫低液限粘土（CLG）；土樣液限WL=41.3%，塑限WP=22.9%，塑性指數(shù)IP=18.4%；路基含水量隨季節(jié)變化觀測(cè)結(jié)果見表4所列，以含水量（稠度）為變量、進(jìn)行變量轉(zhuǎn)換，由E0～WC關(guān)系式計(jì)算分析，得到路基回彈模量隨季節(jié)變化，見表6所列。

將表6數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得到路基回彈模量隨時(shí)間變化的經(jīng)驗(yàn)公式：E0=0.372T 2-4.5789T+55.137 （T為月份）。由表6和圖3可知：1月至7月為回彈模量減小階段，7月至12月為回彈模量增大階段，7月回彈模量為全年最低，而路基含水量為全年最高，由此可見，含水量是影響細(xì)粒土路基回彈模量的重要因素。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)路基回彈模量隨季節(jié)變化規(guī)律的研究，得到以下結(jié)論。

（1）根據(jù)室內(nèi)路基回彈模量試驗(yàn)，得到不同路段路基回彈模量與壓實(shí)度、稠度的經(jīng)驗(yàn)公式，說明壓實(shí)度和含水量（稠度）是細(xì)粒土路基回彈模量的重要影響因素。（2）根據(jù)路基含水量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，找到路基含水量隨季節(jié)變化規(guī)律。含水量隨時(shí)間經(jīng)歷上升階段和下降階段。（3）以含水量（稠度）作為變量，進(jìn)行變量轉(zhuǎn)換，計(jì)算分析得到路基回彈模量隨季節(jié)變化規(guī)律。路基回彈模量隨時(shí)間經(jīng)歷增大階段和減小階段，與含水量成相反趨勢(shì)。（4）路基回彈模量是關(guān)于土的種類、含水量、壓實(shí)度以及時(shí)間的復(fù)雜函數(shù)，在公路路面設(shè)計(jì)中，建議對(duì)路基回彈模量進(jìn)行可靠度分析，提高路基路面設(shè)計(jì)的可靠性。

本文尚未開展路基回彈模量可靠度分析，將作為后續(xù)研究的重點(diǎn)。

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收稿日期：2018-05-31

作者簡(jiǎn)介：魏望（1985—），男，漢族，陜西西安人，本科，中級(jí)工程師，研究方向：路基、路面工程及路用材料等。