路基填料回彈模量預(yù)估方法試驗(yàn)研究

陳 真

(中鐵十四局集團(tuán)第三工程有限公司 山東濟(jì)南 250300)

1 引言

路基是路面結(jié)構(gòu)的支撐體[1]，在公路路基設(shè)計(jì)中，一般選用路基填料的回彈模量作為設(shè)計(jì)參數(shù)，表征填料在荷載作用下的抗變形能力[2]。但依照路基設(shè)計(jì)方法確定了路基各層位填料所需材料模量后，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)供應(yīng)填料的回彈模量來(lái)選擇合適的填料，而施工現(xiàn)場(chǎng)一般很難直接得到路基填料的回彈模量，如按以往鋪設(shè)較長(zhǎng)試驗(yàn)段的方法選擇各層填料勢(shì)必會(huì)造成資源浪費(fèi)，且耗時(shí)費(fèi)力，因此如何快速預(yù)估路基填料回彈模量是路基填筑過(guò)程中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

諸多國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展路基填料回彈模量與其CBR的相關(guān)性研究，并取得了一定的成果。趙明華[3]等對(duì)河南省某公路路基土回彈模量與CBR進(jìn)行相關(guān)性分析，提出該地區(qū)路基土CBR與回彈模量的關(guān)系式。覃綺平[4]根據(jù)大量工程實(shí)例，對(duì)路基土回彈模量與CBR進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)兩者相關(guān)系數(shù)較高。吳喜榮[5]以山西典型黃土為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)揭示了含水率和壓實(shí)度對(duì)CBR及回彈模量的影響規(guī)律。在國(guó)外，關(guān)于路基填料CBR與回彈模量的關(guān)系也一直是研究重點(diǎn)。Erlingsson[6]對(duì)20種不同粒料材料進(jìn)行重復(fù)荷載三軸試驗(yàn)和CBR試驗(yàn)，結(jié)果顯示，在已知材料CBR值的情況下，可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的冪函數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)其動(dòng)態(tài)回彈模量。George等[7]、Gansonre[8]等分別以波蘭黏土、紅土為研究對(duì)象，建立回彈模量預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式，為路基設(shè)計(jì)提供參考。

綜上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于各種路基土填料的CBR與回彈模量關(guān)系進(jìn)行了廣泛研究，建立了各自的回歸方程。但現(xiàn)有研究大多針對(duì)某一類路基土填料，將浸水CBR值與回彈模量建立聯(lián)系。實(shí)際上，浸水CBR與動(dòng)態(tài)回彈模量?jī)深愒囼?yàn)所用試件的初始濕密狀態(tài)并不一致。為快速準(zhǔn)確確定各層位的填料類型，本文開展路基填料路用性能試驗(yàn)，對(duì)填料的回彈模量與CBR相關(guān)性進(jìn)行分析，建立浸水與不浸水CBR為指標(biāo)的路基填料回彈模量預(yù)估方法，旨在為合理利用路基填料、進(jìn)行路基填筑方案設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)填料

本文以海南國(guó)道G360公路項(xiàng)目為依托工程，工程沿線分布約138萬(wàn)m3高液限土。高液限土具有天然含水率高、親水性強(qiáng)、水穩(wěn)定性差等不良工程性質(zhì)，在路基施工過(guò)程中往往達(dá)不到壓實(shí)度要求。為此，本文以水泥改良的方式來(lái)增加填料的壓實(shí)度，分別在高液限土中添加3%、4%、5%和6%的水泥。試驗(yàn)土樣分別取自海南G360公路的WLTJ10標(biāo)段和WLTJ11標(biāo)段，兩個(gè)標(biāo)段的高液限土及其他現(xiàn)場(chǎng)天然填料的基本物理特性指標(biāo)如表1所示。

表1 土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)

3 填料路用性能試驗(yàn)

3.1 濕法擊實(shí)試驗(yàn)

考慮在南方濕熱地區(qū)對(duì)路基填料采用濕法擊實(shí)試驗(yàn)，其確定的最佳含水率更符合工程實(shí)際[9]，因此本文同樣采用重型濕法擊實(shí)。對(duì)于水泥改良土，先通過(guò)濕法擊實(shí)得到不同含水率梯度的素土，再加入水泥，混合均勻，水泥加入后在2 h內(nèi)完成擊實(shí)試驗(yàn)。最終獲取各填料的最大干密度與最佳含水率，并探究水泥改良土的最大干密度與最佳含水率隨水泥摻量的變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 濕法擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表2

由表2可知，兩個(gè)標(biāo)段高液限土的最佳含水率較大，最大干密度則較小，其主要原因?yàn)楹Ｄ袭?dāng)?shù)貧夂驖駶?rùn)多雨，高液限土吸附結(jié)合水含量高。與素土相比，隨著水泥摻量的增加，水泥改良高液限土的最佳含水率減小，最大干密度增大。這是因?yàn)樗?、土與水三者之間發(fā)生了復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，減弱了土體的親水性，加強(qiáng)了土顆粒間的聯(lián)系，水穩(wěn)定性增強(qiáng)，提高了高液限土的壓實(shí)度。

3.2 承載比試驗(yàn)

加州承載比(CBR)是一種評(píng)定路基及路面材料抗變形能力的指標(biāo)，是路基填料強(qiáng)度的控制指標(biāo)之一。海南地區(qū)濕潤(rùn)多雨，很難通過(guò)翻曬將高液限土等填料含水率降至最佳含水率附近。因此在滿足設(shè)計(jì)要求下，參照現(xiàn)場(chǎng)填筑施工時(shí)各填料的含水率，通過(guò)濕法重型擊實(shí)制件之后，采用承載比試驗(yàn)儀分別展開浸水與不浸水CBR試驗(yàn)。其中水泥改良高液限土制件時(shí)，水泥與施工含水率下的高液限土混合均勻再制件，制件完成后，需在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)7 d后再進(jìn)行承載比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 土樣CBR試驗(yàn)結(jié)果

表3表明，無(wú)論是高液限土、水泥改良土還是其他現(xiàn)場(chǎng)填料，未浸水條件下CBR值明顯大于浸水條件下CBR值。這是由于試件在浸水4 d后，處于飽水狀態(tài)，試件是在最不利條件下進(jìn)行了CBR測(cè)試。在未浸水條件下，試件的試驗(yàn)條件與路基填料現(xiàn)場(chǎng)施工后的狀態(tài)相似，試件含水率要比浸水條件低，其CBR測(cè)試值要比浸水條件下高。

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》，浸水條件下，兩個(gè)標(biāo)段的高液限土在施工含水率狀態(tài)下CBR值均大于3%，可以直接作為下路堤填料，但不能作為上路堤和路床填料。在高液限土中摻入水泥改良后，隨著水泥含量增加，高液限土的CBR值明顯增長(zhǎng)，且均大于8%，作為上路堤和路床填料可行。而其他現(xiàn)場(chǎng)供應(yīng)的填料，其CBR值均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，也可作為上路堤和路床填料。

3.3 填料動(dòng)態(tài)回彈模量試驗(yàn)

目前通過(guò)室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)確定路基土動(dòng)態(tài)回彈模量的方法已較為成熟，參考南方地區(qū)典型路面結(jié)構(gòu)下路基土的應(yīng)力和物理狀況[10-11]以及文獻(xiàn)[12]中的力學(xué)分析模型，提出合適的加載試驗(yàn)方案，試驗(yàn)加載波形見圖1。

通過(guò)室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)可以得到如圖2所示的試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)每一加載序列最后5次位移與荷載時(shí)程曲線，可計(jì)算試驗(yàn)施加荷載、試件軸向可恢復(fù)變形以及動(dòng)態(tài)回彈模量。

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，可以得到相關(guān)填料的回彈模量。分析表4可知，兩個(gè)標(biāo)段高液限土的回彈模量較小，其上層需填筑高模量材料以提升整體剛度[13]，其他現(xiàn)場(chǎng)路基填料回彈模量較高。摻入少量水泥(3% ～6%)的高液限土回彈模量明顯提升，且模量隨著水泥摻量的增加而增加。結(jié)合CBR試驗(yàn)結(jié)果，高液限土可以直接填筑下路堤，水泥改良高液限土和其他現(xiàn)場(chǎng)填料可以作為其上部填料以提升路基整體剛度。

表4 動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果

4 填料回彈模量與CBR相關(guān)性分析

將高液限土、水泥改良土及其他現(xiàn)場(chǎng)供應(yīng)填料的CBR試驗(yàn)和室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表5所示。分析路基填料回彈模量與CBR相關(guān)關(guān)系，分別得到各填料回彈模量與浸水CBR值、未浸水CBR值的關(guān)系曲線，如圖3、圖4所示。

表5 路基填料CBR值與回彈模量試驗(yàn)結(jié)果

由圖3和圖4可知，CBR與動(dòng)態(tài)回彈模量E呈正相關(guān)，該關(guān)系可用冪函數(shù)表示:

由擬合結(jié)果可知，路基填料回彈模量與CBR相關(guān)性較好，且與未浸水CBR的相關(guān)性更好。這是因?yàn)槲唇瓹BR試樣的物理狀態(tài)、試驗(yàn)條件與室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)試樣相似，且未浸水CBR試樣更符合路基填料現(xiàn)場(chǎng)施工后的實(shí)際情況。利用未浸水CBR值與填料回彈模量建立回歸方程，更能反映填料現(xiàn)場(chǎng)施工后的實(shí)際狀態(tài)。當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件受限，無(wú)法直接獲取填料回彈模量時(shí)，可以利用未浸水CBR值，并結(jié)合式(2)來(lái)預(yù)估路基填料回彈模量。

5 工程應(yīng)用

利用本文提出的路基填料回彈模量預(yù)估方法，分別在海南國(guó)道G360公路WLTJ10標(biāo)段和WLTJ11標(biāo)段制定路基填筑方案，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)承載板測(cè)試路基各層位回彈模量，與本文預(yù)估方法算出的回彈模量進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證路基填料回彈模量預(yù)估方法的可行性。

由表6、表7可知，利用CBR和回彈模量相關(guān)性回歸方程預(yù)估的路基填料模量，與室內(nèi)試驗(yàn)所測(cè)模量較為接近，且現(xiàn)場(chǎng)承載板測(cè)試的各層位回彈模量均滿足設(shè)計(jì)要求，因此可以用來(lái)進(jìn)行路基填料設(shè)計(jì)。路基填料回彈模量預(yù)估方法可以用來(lái)解決施工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件受限，無(wú)法準(zhǔn)確得到填料回彈模量的問(wèn)題?？紤]到路基現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工水平，填筑材料的回彈模量在理論計(jì)算時(shí)盡可能向下取整，以提高安全儲(chǔ)備。

表6 WLTJ10標(biāo)試驗(yàn)段路基填筑方案

表7 WLTJ11標(biāo)試驗(yàn)段路基填筑方案

6 結(jié)論

(1)高液限土進(jìn)行水泥改良后，其水穩(wěn)性質(zhì)得到有效改善。隨著水泥摻量的增加，高液限土最佳含水率減小，最大干密度增大，CBR值增大，且各路基填料的不浸水CBR值明顯高于浸水CBR值，說(shuō)明水泥可以有效改善高液限土的壓實(shí)性能和承載能力。

(2)高液限土回彈模量較低，摻入少量水泥后(3% ～6%)其回彈模量顯著提高，模量隨水泥摻量增加而增大，水泥改良高液限土可以用來(lái)作為路基上部填料，提升路基整體剛度。

(3)通過(guò)分析路基填料回彈模量與其浸水CBR值、未浸水CBR值的相關(guān)關(guān)系，建立了相應(yīng)的回歸方程，其中填料回彈模量與未浸水CBR值的相關(guān)性更好，并可結(jié)合式(2)來(lái)預(yù)估路基填料回彈模量。具體設(shè)計(jì)時(shí)，填料回彈模量應(yīng)當(dāng)向下取整，以提高其安全儲(chǔ)備。