李 勁

（山西省公路局 運(yùn)城分局，山西 運(yùn)城 044000）

公路路基作為路面的基礎(chǔ)，對(duì)路面結(jié)構(gòu)的性能表現(xiàn)有著重要的作用，穩(wěn)定的路基能夠?yàn)槁访娉惺芡饨绾奢d時(shí)提供可靠的支撐。土基回彈模量和CBR值是評(píng)價(jià)土基承載能力的常用指標(biāo)。其中，路基回彈模量的大小直接表明了路基在荷載作用下的抗變形能力，在國(guó)內(nèi)外的路面設(shè)計(jì)規(guī)范中，路基回彈模量均是描述路基力學(xué)性能的技術(shù)指標(biāo)，其取值大小會(huì)直接影響到路面結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)厚度[1]。在我國(guó)的路面設(shè)計(jì)規(guī)范中，路基動(dòng)態(tài)回彈模量是描述其力學(xué)性能一個(gè)很重要的參數(shù)。在國(guó)外路面設(shè)計(jì)方法中，如：《Shell瀝青路面設(shè)計(jì)方法》、《AI瀝青路面設(shè)計(jì)方法》，各層材料以及路基都需要考慮到動(dòng)態(tài)回彈模量的測(cè)定。

CBR值是反應(yīng)土基強(qiáng)度的指標(biāo)，當(dāng)采用粉土作為路基填料時(shí)，我國(guó)現(xiàn)行路基設(shè)計(jì)和施工技術(shù)規(guī)范對(duì)其CBR值有著明確的要求。相比于三軸剪切試驗(yàn)，CBR試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單、操作容易，因此被國(guó)內(nèi)外廣泛地推廣應(yīng)用。國(guó)外一些國(guó)家的設(shè)計(jì)指南將CBR值作為控制路基填料、路面材料性能表現(xiàn)的重要參數(shù)，甚至在進(jìn)行路面設(shè)計(jì)時(shí)也將CBR值作為控制指標(biāo)。我國(guó)現(xiàn)行《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG F10—2015）對(duì)不同等級(jí)公路路基的CBR值也有相應(yīng)的規(guī)定。

粉土是工程建設(shè)中常見的土類之一，其顆粒組成絕大部分為粉粒，而粗粒和黏粒占小部分。粉土與黏土、砂土不同，其塑性指數(shù)不大于10，工程性質(zhì)密實(shí)的粉土為良好路基；飽和稍密的粉土，地震時(shí)易產(chǎn)生液化，為不良路基。因此，在行車荷載的反復(fù)作用下，壓實(shí)穩(wěn)定粉土路基的回彈模量有其獨(dú)特的力學(xué)表現(xiàn)。陳聲凱等人[2]對(duì)4種不同路基土樣進(jìn)行了重復(fù)加載三軸試驗(yàn)，并建立了相應(yīng)土試樣的回彈模量Uzan模型，為路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)取值提供了技術(shù)指導(dǎo)。凌建明等人[3]的研究表明路基土含水量、應(yīng)力水平和壓實(shí)度對(duì)其回彈模量有顯著的影響。林云龍等人[4]研究了不同固化劑后粉土回彈模量的變化情況以及穩(wěn)定粉土對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響。梁軍鋒對(duì)淮北地區(qū)粉土路基的壓實(shí)與質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)做了進(jìn)一步的試驗(yàn)研究[5]。

土基回彈模量和CBR值與土質(zhì)、含水量、壓實(shí)度以及測(cè)試方法密切相關(guān)，因此在設(shè)計(jì)和施工時(shí)回彈模量和CBR的取值容易受到各種因素的干擾。粉土一般廣泛存在于黃河及長(zhǎng)江下游地區(qū)，粉土黏粒含量少,塑性指數(shù)小，作為路基填土，施工時(shí)成型比較困難，路基壓實(shí)度很難滿足要求。隨著公路建設(shè)的快速發(fā)展，土基強(qiáng)度指標(biāo)，特別是回彈模量和CBR值從整個(gè)道路項(xiàng)目前期調(diào)研、設(shè)計(jì)至后期施工維護(hù)整個(gè)過(guò)程中都有著重要的地位。一般任務(wù)，含水量和壓實(shí)度是影響土基回彈模量和CBR的兩個(gè)重要因素，但不同類型路基的相互關(guān)系不同。本文以某高速公路壓實(shí)穩(wěn)定粉土路基為研究對(duì)象，探討其強(qiáng)度特性。

1 路基強(qiáng)度指標(biāo)

1.1 加州承載比CBR

CBR是一種評(píng)價(jià)材料強(qiáng)度的試驗(yàn)方法，在相同貫入量下比較路基材料與標(biāo)準(zhǔn)碎石的壓力值來(lái)評(píng)價(jià)路基材料的承載能力，本次試驗(yàn)操作的具體過(guò)程為：

a）在最佳含水量下，制備15.24×11.43 cm（直徑×高）土試樣；

b）以變形速率1.27 mm/min在土試樣頂面中心處施加荷載；

c）記錄不同貫入量時(shí)的單位壓力，繪制貫入量-單位壓力關(guān)系曲線；

d）在關(guān)系曲線上讀取貫入量為2.5 mm和5 mm時(shí)壓力值（MPa）。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，分別計(jì)算貫入量為2.5 mm和5 mm土樣的CBR值：

1.2 動(dòng)態(tài)回彈模量

對(duì)路基施加瞬時(shí)動(dòng)態(tài)脈沖荷載，加載的最后5個(gè)循環(huán)的平均偏應(yīng)力值和平均可恢復(fù)變形分別為σd、εr，σd與 εr的比值即為動(dòng)態(tài)回彈模量：

路基動(dòng)態(tài)回彈模量的測(cè)量與取值會(huì)受到多方面因素的影響，包括應(yīng)力狀況、材料性質(zhì)和物理狀況等，其中應(yīng)力狀況是路基回彈模量最大的因素。為了準(zhǔn)確描述路基動(dòng)態(tài)回彈模量與3種影響因素的定性或定量的關(guān)系，首先需要按照材料的實(shí)際受力狀態(tài)建立準(zhǔn)確的本構(gòu)模型，然后對(duì)模型中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)來(lái)表達(dá)材料性質(zhì)和物理?xiàng)l件對(duì)回彈模量的影響。通過(guò)比較常用路基動(dòng)態(tài)回彈模量的試驗(yàn)方法（重復(fù)加載三軸試驗(yàn)、彎沉盆反演和土樣物理特性推算），并根據(jù)試驗(yàn)室能夠提供的試驗(yàn)條件，本文采用重復(fù)加載三軸試驗(yàn)對(duì)粉土的動(dòng)態(tài)回彈模量進(jìn)行試驗(yàn)研究。

按照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)AASHTOT307進(jìn)行試驗(yàn)操作，試驗(yàn)儀器采用英國(guó)GDS力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，試件的加載波形設(shè)置為哈維斯波，加載和間歇時(shí)間分別設(shè)置為0.1 s和0.9 s，重復(fù)加載三軸試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 重復(fù)加載三軸試驗(yàn)系統(tǒng)

具體過(guò)程為：

a）對(duì)成型的土試樣預(yù)加載1 000次消除土樣的初始變形造成的誤差；

b）設(shè)置不同的圍壓和偏應(yīng)力大小，在各條件下分別重復(fù)加載100次；

c）根據(jù)式（3）計(jì)算各條件下的動(dòng)態(tài)回彈模量MR值。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)土樣

本次研究選取某高速公路壓實(shí)穩(wěn)定粉土路基，在最佳含水率下，分別以壓實(shí)度為70%、85%、90%和95%制備粉土試樣，每個(gè)壓實(shí)度進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，對(duì)12個(gè)成型土樣分別進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟參照土工試驗(yàn)規(guī)范，試驗(yàn)測(cè)得粉土的具體參數(shù)如表1所示，從表中的液塑限指標(biāo)我們可以確定土樣為粉土。

2.2 土樣的液塑限測(cè)試

試驗(yàn)按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）的試驗(yàn)方法對(duì)兩種土樣進(jìn)行液塑限測(cè)試，具體結(jié)果如表1。

表1 土樣的液塑限指標(biāo)

2.3 比重測(cè)試

土比重采用比重瓶法進(jìn)行測(cè)定。由于所選土樣粒徑小于5 mm，故可采用比重瓶法測(cè)定，測(cè)試結(jié)果如表2。

表2 土樣的比重測(cè)試結(jié)果

2.4 顆粒尺寸分布測(cè)試

依據(jù)物理分析法對(duì)土樣進(jìn)行顆分試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3 土樣的顆粒組成測(cè)試結(jié)果

2.5 擊實(shí)特性試驗(yàn)

采用室內(nèi)重型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)確定粉土填料的最佳含水量與最大干密度，作為粉土變形特性試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)。試驗(yàn)方法和試驗(yàn)設(shè)備的主要參數(shù)如表4所示。

表4 標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)方法

2.6 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖2 粉土含水量與干密度關(guān)系曲線

如圖2所示為試驗(yàn)測(cè)試土樣1、土樣2的干密度與水量曲線，橫坐標(biāo)為含水量，縱坐標(biāo)為干密度。由圖可知，當(dāng)含水量達(dá)到最佳狀態(tài)時(shí)，路基的壓實(shí)效果最好，可獲得最佳含水率和最大干密度。

2.7 強(qiáng)度試驗(yàn)方法

路基粉土試樣回彈模量的測(cè)試方法采用我國(guó)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）中規(guī)定的三軸重復(fù)加載試驗(yàn)，加載序列如規(guī)范規(guī)定；粉土試樣CBR值的測(cè)定分為兩種條件：浸水和不浸水，具體操作步驟按照CBR試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果

按照上述試驗(yàn)方法對(duì)得到12組粉土試樣的回彈模量值，將相同壓實(shí)度水平下3組粉土試樣的模量平均值作為各壓實(shí)度下的計(jì)算回彈模量值，并繪制粉土回彈模量隨壓實(shí)度的變化曲線，如圖3所示。

利用軟件MATLAB對(duì)回彈模量與CBR值、壓實(shí)度K的關(guān)系進(jìn)行非線性分析，得到兩種試驗(yàn)條件下的關(guān)系式。

圖3 粉土動(dòng)態(tài)模量與壓實(shí)度關(guān)系曲線

MR=3.254CBR1.045K2.735（R2=0.74）（浸水條件），

MR=6.27CBR1.035K2.05（R2=0.67）（不浸水條件）。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)一種壓實(shí)穩(wěn)定粉土路基的強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究，在最佳含水率下，分別以壓實(shí)度70%、85%、90%和95%制作粉土試樣并進(jìn)行了室內(nèi)CBR試驗(yàn)和重復(fù)加載三軸回彈模量試驗(yàn)。結(jié)果表明：壓實(shí)穩(wěn)定粉土路基動(dòng)態(tài)回彈模量隨著壓實(shí)度的增加而增大，且與CBR和壓實(shí)度K呈雙參數(shù)冪函數(shù)關(guān)系。