紅黏土路基的動態(tài)與靜態(tài)回彈模量對比分析

歐陽衛(wèi)鋒 王業(yè)駒 王志鑫

（1.新疆交通科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊 830000;2.廣州博廈建筑設(shè)計研究院有限公司，廣東廣州 510623）

一、引言

回彈模量是路基設(shè)計中的一個重要參數(shù)，靜態(tài)回彈模量操作方便，應(yīng)用范圍較廣泛。但在車輛反復(fù)動力荷載的作用下，路基土的回彈模量在不同應(yīng)力狀態(tài)和外界環(huán)境作用下有較大差異。

本文以湖南永州地區(qū)的紅黏土為研究對象，紅黏土的基本物理力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 路基土的性質(zhì)參數(shù)

關(guān)于紅黏土路基的回彈模量研究主要存在以下問題：

采用室內(nèi)小承載板法測定的靜態(tài)回彈模量沒有考慮不同級位側(cè)向壓力的作用，測定的力學(xué)特性與路基土現(xiàn)場的應(yīng)力狀態(tài)不一致；現(xiàn)場承載板法工序繁雜，較少采用。

紅黏土路基對應(yīng)力狀態(tài)有依賴性，不同的圍壓、偏應(yīng)力等指標(biāo)均會影響路基土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。用承載板法測定靜態(tài)回彈模量時，圍壓是恒定不變的。

二、試驗

通過承載比試驗測定的CBR值可推算出路基土材料的模量值；通過小承載板法可直接測得土的靜態(tài)回彈模量；通過重復(fù)加載三軸試驗，可對試件施加不同的圍壓和偏應(yīng)力，測得動態(tài)回彈模量。

經(jīng)研究分析發(fā)現(xiàn)，不同應(yīng)力狀態(tài)下材料的回彈模量值有較大浮動。針對同一種路基土填料，采用不同的回彈模量測試方法對比不同試驗方法得到的回彈模量值，有助于進(jìn)一步分析路基土材料的應(yīng)力-應(yīng)變特性。

鑒于此，本文采用傳統(tǒng)方法測定材料的靜態(tài)回彈模量，采用重復(fù)加載三軸試驗的方法測定路基土的動態(tài)回彈模量，并分析了不同試驗方法下試驗結(jié)果的差異性。

（一）靜態(tài)回彈模量試驗

通過基本的物理力學(xué)性能試驗，得出路基土材料的最佳含水率和最大干密度，進(jìn)而測定最佳含水率狀態(tài)下路基土的加州承載比。CBR值與回彈模量具有相關(guān)性，通過CBR值可推算出路基土的靜態(tài)回彈模量值。

本文采用承載板法測定了最佳含水率和93%壓實度條件下的靜態(tài)回彈模量值。

1.CBR試驗

加州承載比是一個表示路基及路面材料強度的指標(biāo)，能夠表征材料局部抵抗塑性變形的能力。以達(dá)到某一變形水平時路基土材料所能承受的力與標(biāo)準(zhǔn)碎石所能承受的力的比值來表示。本文測定的最佳含水率條件下的路基土CBR值的試驗結(jié)果如表2所示。

表2 最佳含水率條件下土的CBR試驗結(jié)果

試驗測得最佳含水率條件下紅黏土路基的CBR值為13.96%，通過《公路路基設(shè)計規(guī)范》JTG D30-2015中規(guī)定的CBR值與回彈模量的關(guān)系得到回彈模量為94.2MPa。

2.靜態(tài)回彈模量試驗

室內(nèi)靜態(tài)回彈模量的測試方法有承載板法和強度儀法。本文中采用承載板法測試紅黏土路基靜態(tài)回彈模量，紅黏土路基靜態(tài)回彈模量試驗結(jié)果如表3所示。

表3 紅黏土路基靜態(tài)回彈模量試驗結(jié)果

采用承載板法測得紅黏土路基單位壓力下的回彈變形量，計算得出三組平行試件的回彈模量分別為102.9MPa、102.1MPa和108.2MPa，平均值為104.4MPa。

（二）重復(fù)加載三軸試驗

本文采用動三軸儀進(jìn)行重復(fù)加載三軸試驗，試件尺寸為Φ100mm×200mm的圓柱形試件，成型方法為靜壓成型。三軸試驗加載波形為半正弦波，加載頻率為1HZ，加載時間為0.2s，間歇時間為0.8s，作用次數(shù)為150次，預(yù)載次數(shù)為1500次。

本文擬定采用的圍壓為10kPa、20kPa、30kPa、40kPa；偏應(yīng)力為10kPa、20kPa、30kPa、40kPa。體應(yīng)力為3倍圍壓和偏應(yīng)力之和，偏應(yīng)力的范圍為40kPa～160kPa，試驗所取的應(yīng)力范圍基本涵蓋了紅黏土路基的應(yīng)力狀態(tài)。

在計算回彈模量時，應(yīng)測定在93%壓實度和最佳含水率時，不同應(yīng)力狀態(tài)下的回彈模量值，并在各應(yīng)力級位下分別加載150次，取最后5次回彈模量的平均值作為該應(yīng)力級位下的回彈模量。在93%的壓實度，23%的含水率時，不同應(yīng)力狀態(tài)下的試驗結(jié)果如表4所示。

表4 不同應(yīng)力狀態(tài)下路基土動態(tài)回彈模量試驗結(jié)果

由表4可以看出，動三軸試驗的動模量結(jié)果分布范圍為98.08MPa～163.36MPa，浮動值為65.28MPa，應(yīng)力狀態(tài)對回彈模量有較大影響。在圍壓為20kPa，偏應(yīng)力為40kPa時的動回彈模量為106.78MPa；在圍壓為10kPa，偏應(yīng)力為20kPa時的動回彈模量為100.9MPa。

承載板法測得的靜態(tài)回彈模量平均值為104.4MPa，與動三軸在圍壓為20kPa，偏應(yīng)力為40kPa時的試驗結(jié)果相比相對較小，可以反映出在較不利的應(yīng)力狀態(tài)下路基土的回彈模量，即圍壓較小偏應(yīng)力較大時的情況。

三、結(jié)論

本文采用不同的試驗方法得到了不同的回彈模量值，對比總結(jié)如下：

通過承載比試驗測得最佳含水率條件下紅黏土路基的CBR值為13.96%，出回彈模量為94.2MPa;通過室內(nèi)承載板法測得最佳含水率和93%壓實度下的紅黏土靜態(tài)回彈模量為104.4MPa；通過模量的動三軸試驗可知，在不同壓實度和含水率條件下，動態(tài)回彈模量有較大的浮動范圍，模量在84MPa～173MPa之間變化。

不同應(yīng)力狀態(tài)下路基土回彈模量的浮動值為65.28 MPa，以室內(nèi)測得的某種特定條件下的回彈模量對路基進(jìn)行設(shè)計，不具備代表性?？紤]到應(yīng)力狀態(tài)的動態(tài)回彈會有較大浮動，有必要對回彈模量準(zhǔn)確預(yù)估，并給出動模量參考值。

承載板法測得的靜態(tài)回彈模量平均值為104.4MPa，與動三軸在圍壓為20kPa，偏應(yīng)力為40kPa時的試驗結(jié)果基本相當(dāng)。

由CBR值計算得出的回填模量值和承載板法測得的回填模量值相對較小，可以反映出在較不利的應(yīng)力狀態(tài)下路基土的回彈模量，即圍壓較小偏應(yīng)力較大時的情況，用于工程相對保守。