基于模量法評(píng)價(jià)碎石土路基壓實(shí)效果的試驗(yàn)研究

郭肖紅，羅敏敏，周 江

（1.浙江中材工程勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，浙江 杭州 310022；2.浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310028）

0 引 言

在公路建設(shè)中，路基填土的壓實(shí)問(wèn)題一直受到工程界的重視。在路基填筑施工中，均需要分層攤鋪、碾壓和質(zhì)量檢測(cè)。細(xì)粒土壓實(shí)效果的檢測(cè)與評(píng)價(jià)已有一套比較成熟和公認(rèn)的方法，可按照有關(guān)的規(guī)范[1]和標(biāo)準(zhǔn)[2]執(zhí)行，如灌水法、灌砂法、蠟封法以及環(huán)刀法等直接密度測(cè)試法；而對(duì)于碎石土路基，雖然已有其力學(xué)特性[3]、壓實(shí)特性[4-5]的研究成果報(bào)道，但壓實(shí)效果檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法[6]尚不成熟。

鑒于現(xiàn)行國(guó)內(nèi)外路基設(shè)計(jì)理論和方法主要采用反應(yīng)模量和動(dòng)回彈模量來(lái)表示路基的抗變形能力，本文針對(duì)碎石土路基的特點(diǎn)建立路基模型，通過(guò)承載板試驗(yàn)和便攜式落錘彎沉儀（PFWD）試驗(yàn)檢測(cè)不同工況下碎石土路基的反應(yīng)模量和動(dòng)回彈模量，建立反應(yīng)模量、動(dòng)回彈模量與壓實(shí)度之間的定量關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)快速、可操作性強(qiáng)的碎石土路基的壓實(shí)效果檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法，為工程實(shí)踐提供借鑒。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用人工配制的碎石土作為回填材料（圖1），最大粒徑dmax=26 mm，分別按含石量G=30%、50%、75%配制。根據(jù)公路標(biāo)準(zhǔn)[12]，對(duì)配制好的碎石土進(jìn)行篩分試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)（干土法），不同含石量碎石土的最大干密度如表1所示，本次試驗(yàn)用碎石土和規(guī)范[13]推薦碎石土集料的級(jí)配曲線如圖 2。對(duì)坑壁的黏性土進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)得到其密度ρ=1.89 g/cm3，含水率ω=13.6%，黏聚力?=36 kPa，內(nèi)摩擦角 φ=22°。

圖1 不同含石量碎石土示意圖Fig.1 Diagram of different gravel soil with different stone contents

表1 碎石土參數(shù)Table 1 Gravel soil parameters

圖2 不同含石量碎石土級(jí)配曲線Fig.2 Gradation curve of different gravel soil with different stone contents

采用的加筋材料為聚乙烯塑料雙向拉伸土工格柵，其質(zhì)量為 360 g/m2，網(wǎng)格尺寸為 33 mm×33 mm，肋條寬3 mm，厚1 mm。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[14]進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到筋材的抗拉強(qiáng)度和延伸率特性指標(biāo)如表2。

表2 筋材參數(shù)Table 2 Reinforcement parameters

1.2 試驗(yàn)方法

在黏性土地基中開(kāi)挖直徑1.5 m、深1.0 m的試驗(yàn)坑[15]。按表3的試驗(yàn)方案共進(jìn)行3組13項(xiàng)模型試驗(yàn)。對(duì)于每項(xiàng)試驗(yàn)，分6層回填碎石土，每層填土壓實(shí)后的高度15 cm，總回填高度90 cm，筋材布設(shè)方式如圖 3。試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞钪瓿珊?，依次進(jìn)行承載板試驗(yàn)、PFWD試驗(yàn)和灌砂試驗(yàn)。灌砂試驗(yàn)用以檢驗(yàn)碎石土填筑的實(shí)際壓實(shí)度，承載板試驗(yàn)和PFWD試驗(yàn)要點(diǎn)描述如下：

表3 試驗(yàn)方案Table 3 Test plan

圖3 筋材布設(shè)方案Fig.3 Reinforcement layout scheme

（1）承載板試驗(yàn)

承載板試驗(yàn)參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[16]進(jìn)行，選用直徑30 cm、厚度20 mm的圓形剛性承載板；用最大壓力為50 kN的液壓千斤頂加載，配以壓力傳感器讀取分級(jí)荷載；由4只地錨和主副梁提供反力；用對(duì)稱(chēng)布置的3個(gè)百分表（精度為0.01 mm）監(jiān)測(cè)沉降。

采用承載板試驗(yàn)測(cè)定路基反應(yīng)模量時(shí)，有兩種荷載控制方法[17]，當(dāng)路基較軟時(shí)用0.127 cm的沉降量控制承載板的荷載；若路基較為堅(jiān)硬難以達(dá)到0.127 cm沉降量時(shí)，以0.07 MPa作為承載板的控制荷載。對(duì)于壓實(shí)后的碎石土路基，本次試驗(yàn)采用后者。加載共分為 7級(jí)，每級(jí)荷載增量為 35 kPa（2.4 kN），持續(xù)15 min或達(dá)到沉降量相對(duì)穩(wěn)定（相鄰兩次沉降差小于0.01 mm），讀取沉降值后施加下一級(jí)荷載，直至試驗(yàn)結(jié)束。

（2）便攜式落錘彎沉儀（PFWD）試驗(yàn)

往回走，經(jīng)過(guò)喧鬧嘈雜的步行街，他們遇到一個(gè)賣(mài)玫瑰的男孩。玫瑰還剩下兩朵，楚墨想全買(mǎi)下來(lái)，男孩卻只肯賣(mài)他一朵。“我必須留一朵給我的女朋友，”男孩說(shuō)，“每天我都會(huì)送她一朵玫瑰。”楚墨問(wèn)：“每天都送？”男孩點(diǎn)點(diǎn)頭。楚墨說(shuō)：“你可真浪漫?！蹦泻㈧t腆地笑笑。楚墨說(shuō)：“可是做為過(guò)來(lái)人，我相信你堅(jiān)持不了三年?！蹦泻⒄f(shuō)：“你說(shuō)的對(duì)。她得了白血病，醫(yī)生說(shuō)她最多還能活一年?！背纯茨泻⒌哪?，他相信男孩沒(méi)有說(shuō)謊。楚墨忙說(shuō)對(duì)不起對(duì)不起他只是想開(kāi)個(gè)玩笑，男孩大度地笑笑，說(shuō)：“玫瑰還要嗎？”

PFWD檢測(cè)是一種能夠?qū)β坊休d能力進(jìn)行快速檢測(cè)的新型檢測(cè)方法，具有檢測(cè)效率高、操作簡(jiǎn)單、設(shè)備便攜、對(duì)場(chǎng)地要求低等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)測(cè)量。其原理可歸納為：將一固定重量的落錘（質(zhì)量為10 kg），在某一規(guī)定的高度釋放，使其在重力作用下運(yùn)動(dòng)，沖擊安放在檢測(cè)層位上的載荷板而產(chǎn)生類(lèi)似正弦波的沖擊荷載。由于受到?jīng)_擊荷載的作用，載荷板與檢測(cè)部位共同出現(xiàn)豎向位移，形成彎沉[18]，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)物在施加動(dòng)荷載后產(chǎn)生的彎沉值、動(dòng)應(yīng)變和動(dòng)應(yīng)力等參數(shù)的檢測(cè)，然后依據(jù)Boussinesq理論計(jì)算用于描述路基動(dòng)力特性的動(dòng)態(tài)變形模量指標(biāo)——Evd。雖然路基是一種彈塑性體，其本構(gòu)關(guān)系具有明顯的非線性，但由于PFWD的落錘對(duì)路基表面施加動(dòng)荷載時(shí)，落錘對(duì)路基的作用時(shí)間非常短，一般情況下不超過(guò)20 ms，路基還未出現(xiàn)塑性變形，荷載就已經(jīng)卸除，即可以認(rèn)為在落錘的沖擊下路基主要產(chǎn)生了彈性變形，測(cè)得的變形以回彈變形為主[19]。將所得的路基動(dòng)態(tài)變形模量Evd值近似當(dāng)作路基動(dòng)回彈模量EP值，即：

式中：p為單位壓力，MPa；a為載荷板半徑，m；μ0為泊松比，本文的碎石土取μ0=0.25；l為實(shí)測(cè)載荷板中心彎沉峰值，m；EP為路基動(dòng)回彈模量，MPa。

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[16]進(jìn)行PFWD測(cè)試。試驗(yàn)選取5個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)測(cè)試3次，最后每組測(cè)試結(jié)果取平均值，測(cè)點(diǎn)位置如圖4所示。

圖4 PFWD測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 Arrangement of PFWD measurement points

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 壓實(shí)度測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)灌砂法對(duì)模型碎石土路基的壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果如表4。由表4可知，通過(guò)灌砂法檢測(cè)得到的壓實(shí)度與目標(biāo)壓實(shí)度的誤差不超過(guò) 1%，說(shuō)明試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞钪^(guò)程中壓實(shí)度控制良好。

表4 壓實(shí)度測(cè)試結(jié)果Table 4 Compaction test results %

2.2 反應(yīng)模量測(cè)試結(jié)果分析

（1）荷載與沉降（P-s）關(guān)系曲線

將各碎石土路基承載板試驗(yàn)得到的荷載與沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制成P-s曲線，如圖5和圖6所示。由圖5可知，填料壓實(shí)度對(duì)碎石土路基沉降的影響比含石量大，提高壓實(shí)度可以明顯減少沉降量；含石量對(duì)碎石土路基沉降也有一定程度的影響，在相同壓實(shí)度的條件下，各級(jí)荷載下碎石土路基的沉降量隨著含石量增大而減小。由圖6可知，加筋對(duì)碎石土路基沉降的影響不如填料壓實(shí)度影響大，但在相同壓實(shí)度條件下，加筋可以明顯減小碎石土路基的沉降量；且填料壓實(shí)度越低時(shí)，加筋減小沉降的效果越明顯。

圖5 含石量對(duì)碎石土路基P-s曲線的影響（n=0）Fig.5 P-s curve of different gravel soil subgrade under different stone contents (n=0)

圖6 加筋對(duì)碎石土路基P-s曲線的影響（G=75%）Fig.6 P-s curve of reinforced and unreinforced gravel soil subgrade under different compaction degrees (G=75%)

（2）反應(yīng)模量的影響因素分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，按下式計(jì)算路基反應(yīng)模量[17]：

式中：p為控制荷載，即0.07 MPa；s為控制荷載對(duì)應(yīng)的沉降量，m；K30為地基系數(shù)，MPa/m；K為路基反應(yīng)模量，MPa/m。

基于計(jì)算結(jié)果，繪制碎石土路基反應(yīng)模量隨含石量及加筋層數(shù)的變化曲線（圖7和圖8）。由圖7和圖8可知，碎石土路基的反應(yīng)模量隨著壓實(shí)度、含石量和加筋層數(shù)的增加而增加，但填料壓實(shí)度對(duì)碎石土路基反應(yīng)模量的影響比含石量和加筋的影響更大。加筋可提高碎石土路基的反應(yīng)模量，且隨著加筋層數(shù)的增加而增大；填料壓實(shí)度較低時(shí)，加筋提高碎石土路基反應(yīng)模量的效果更好。

圖7 反應(yīng)模量隨含石量的變化曲線（n=0）Fig.7 Curves of reaction modulus with different stone contents (n=0)

圖8 反應(yīng)模量隨加筋層數(shù)的變化曲線（G=75%）Fig.8 Curves of reaction modulus with different reinforcement layers (G=75%)

2.3 動(dòng)回彈模量測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)碎石土路基進(jìn)行PFWD試驗(yàn)，并按式（1）計(jì)算動(dòng)回彈模量EP。EP隨含石量和加筋層數(shù)的變化規(guī)律如圖9和圖10所示。

圖9 動(dòng)回彈模量隨含石量的變化曲線（n=0）Fig.9 Curve of dynamic resilience modulus with different stone contents (n=0)

圖10 動(dòng)回彈模量隨加筋層數(shù)的變化曲線（G=75%）Fig.10 Curves of dynamic resilience modulus with different reinforcement layers (G=75%)

由圖 11可知，在壓實(shí)度不變時(shí)，碎石土路基的動(dòng)回彈模量隨含石量增大而提高。而且壓實(shí)度越高，增大含石量對(duì)提高碎石土路基動(dòng)回彈模量作用更顯著。

圖11 反應(yīng)模量與壓實(shí)度相關(guān)性曲線（n=0）Fig.11 Correlation between reaction modulus and compaction degrees (n=0)

由圖 12可知，在壓實(shí)度不變時(shí)，碎石土路基的動(dòng)回彈模量隨加筋層數(shù)的增大（加筋間距的減?。┒岣摺簩?shí)度90%時(shí)，n=3相較于n=0動(dòng)回彈模量提高了24.8%；壓實(shí)度94%時(shí)，n=3相較于n=0動(dòng)回彈模量提高了7.8%；壓實(shí)度98%時(shí)，n=3相較于n=0動(dòng)回彈模量提高了3.3%。證明壓實(shí)度較低時(shí)，增大加筋層數(shù)（減小加筋間距）對(duì)提高碎石土路基動(dòng)回彈模量更有效。

圖12 動(dòng)回彈模量與壓實(shí)度相關(guān)性曲線（n=0）Fig.12 Correlation between dynamic resilience modulus and compaction degrees (n=0)

2.4 反應(yīng)模量、動(dòng)回彈模量與壓實(shí)度相關(guān)性分析

為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)碎石土路基的模量與壓實(shí)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)所測(cè)碎石土路基反應(yīng)模量、動(dòng)回彈模量與壓實(shí)度進(jìn)行相關(guān)性分析，得到反應(yīng)模量、動(dòng)回彈模量與壓實(shí)度相關(guān)程度，如圖11～14所示。反應(yīng)模量、動(dòng)回彈模量與壓實(shí)度之間的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.96，即反應(yīng)模量、動(dòng)回彈模量與壓實(shí)度之間存在很好的正相關(guān)性。圖11和圖12顯示，在不加筋（n=0）時(shí)，反應(yīng)模量、動(dòng)回彈模量與壓實(shí)度擬合曲線的斜率隨含石量的增大而增大；由圖 13和圖14可知，在G=75%時(shí)，反應(yīng)模量、動(dòng)回彈模量與壓實(shí)度擬合曲線的斜率隨加筋層數(shù)的增大而減小。

圖13 反應(yīng)模量與壓實(shí)度相關(guān)性曲線（G=75%）Fig.13 Correlation between reaction modulus and compaction degrees (G=75%)

圖14 動(dòng)回彈模量與壓實(shí)度相關(guān)性曲線（G=75%）Fig.14 Correlation between dynamic resilience modulus and compaction degrees (G=75%)

3 試驗(yàn)成果工程應(yīng)用建議

根據(jù)試驗(yàn)得到的反應(yīng)模量、動(dòng)回彈模量與壓實(shí)度的相關(guān)關(guān)系式，可計(jì)算得到不加筋（n=0，G=75%）和加筋（n=3，G=75%（加筋間距20 cm））碎石土路基在不同壓實(shí)度情況下對(duì)應(yīng)的路基反應(yīng)模量和動(dòng)回彈模量值。據(jù)此，在實(shí)際工程中，可以用反應(yīng)模量和動(dòng)回彈模量代替壓實(shí)度來(lái)檢測(cè)和評(píng)價(jià)碎石土路基的壓實(shí)效果。結(jié)合公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[1]相關(guān)要求，提出如表5和表6所示的基于反應(yīng)模量、動(dòng)回彈模量的碎石土路基壓實(shí)效果評(píng)價(jià)方法。

表5 基于反應(yīng)模量、動(dòng)回彈模量的碎石土路基壓實(shí)效果評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)（G=75%）Table 5 Evaluation criteria for compaction effect of gravel soil subgrade based on reaction modulus and dynamic resilience modulus (G=75%)

表6 基于反應(yīng)模量、動(dòng)回彈模量的加筋碎石土路基壓實(shí)效果評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)（加筋間距20 cm）Table 6 Evaluation criteria for compaction effect of reinforcement gravel soil subgrade based on reaction modulus and dynamic resilience modulus (Reinforcement spacing 20 cm)

4 結(jié) 論

本文通過(guò)模擬碎石土路基的實(shí)際工況，采用承載板試驗(yàn)和 PFWD試驗(yàn)研究不同含石量和不同加筋情況下碎石土路基的壓實(shí)效果，基于試驗(yàn)結(jié)果與分析，可得到以下結(jié)論：

（1）碎石土路基的反應(yīng)模量和動(dòng)回彈模量與填筑壓實(shí)度存在內(nèi)在聯(lián)系和良好的一致性，可采用路基的反應(yīng)模量和動(dòng)回彈模量檢測(cè)評(píng)價(jià)其壓實(shí)效果。

（2）同一壓實(shí)度下碎石土路基反應(yīng)模量和動(dòng)回彈模量隨含石量的增加而增加，且壓實(shí)度越高，增大含石量對(duì)提高碎石土路基反應(yīng)模量、動(dòng)回彈模量作用更顯著。

（3）相同壓實(shí)度下碎石土路基反應(yīng)模量和動(dòng)回彈模量隨加筋層數(shù)的增加而增加，在較低壓實(shí)度下，加筋對(duì)提高碎石土路基反應(yīng)模量、動(dòng)回彈模量作用更顯著。

（4）結(jié)合公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范，基于本次試驗(yàn)成果，提出了采用反應(yīng)模量和動(dòng)回彈模量評(píng)定碎石土及加筋碎石土路基壓實(shí)效果的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。