李文彪

摘要 為探索動態(tài)回彈模量預(yù)估結(jié)果的合理性與準(zhǔn)確性，對粉土、黏土、砂土等路基土材料物理性質(zhì)進(jìn)行測試，并以進(jìn)口的UTM-130型萬能材料檢測儀為試驗設(shè)備展開動態(tài)回彈模量試驗，對影響試驗結(jié)果的主要因素進(jìn)行分析；同時采用SPSS軟件根據(jù)不同路基土試驗工況下動態(tài)回彈模量試驗結(jié)果選取預(yù)估模型，展開參數(shù)值擬合。結(jié)果表明，所選取的壓實度、含水率、CBR值、塑性指數(shù)等參數(shù)能顯著反映路基回彈模量取值情況；預(yù)估值與試驗值基本吻合，預(yù)估模型可靠性高，可作為路基路面設(shè)計的依據(jù)。

關(guān)鍵詞 路基土；細(xì)粒土；動態(tài)回彈模量；預(yù)估

中圖分類號 U416.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）24-0124-04

0 引言

路基回彈模量主要體現(xiàn)為路基在受到車輪荷載作用后的應(yīng)力-應(yīng)變特性，也是路基設(shè)計中重要的參數(shù)之一。為保證路基設(shè)計方案合理適用，必須展開路基動態(tài)回彈模量預(yù)估。當(dāng)前，確定路基土動態(tài)回彈模量的方法主要有3種：室內(nèi)反復(fù)加載動三軸試驗、現(xiàn)場試驗反算、模型預(yù)估?，F(xiàn)場試驗反算法中室內(nèi)試驗與現(xiàn)場測值修正相關(guān)關(guān)系的構(gòu)建存在較大難度；室內(nèi)加載試驗法操作簡單，但面臨較大的人為誤差；與室內(nèi)反復(fù)加載動三軸試驗、現(xiàn)場試驗反算等相比，模型預(yù)估法時間短、成本低，預(yù)測值準(zhǔn)確性有保證。

基于此，該文采用動態(tài)回彈模量預(yù)估法展開粉土、黏土、砂土等路基土回彈模量預(yù)測，并將預(yù)測值和室內(nèi)測試值進(jìn)行比較，得出相關(guān)結(jié)論，以指導(dǎo)公路工程設(shè)計實踐。

1 路基土基本性能測試

1.1 試驗材料物理性質(zhì)

為了解土體顆粒組成情況及不同粒徑占比，必須展開土粒粒徑分析，通過篩余百分比表征這一特征，便于土體顆粒的工程分類。具體而言，取500 g土樣展開測試，按次序擺放好篩子后將土樣倒入，蓋上篩蓋后由搖篩機持續(xù)振搖15 min。此后依次取出土樣并稱重，記錄。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制不同土樣顆粒級配曲線[1]，見圖1。

土樣在不同含水率下的物理力學(xué)性能、狀態(tài)均有所不同。黏性土在可塑狀和流塑狀間的臨界含水量即為液限；黏性土在半固體狀和可塑狀之間的臨界含水量即為塑限。液限與塑限之差是土體塑性指數(shù)。一般通過聯(lián)合測定儀展開土料液塑限取值的測定。

為展開不同類型路基土液塑限測定，取600 g過0.5 mm篩的風(fēng)干土樣，分三份裝進(jìn)盛土皿中，再摻加不同質(zhì)量蒸餾水以使土樣達(dá)到不同液塑限狀態(tài)；攪拌均勻后靜置至少18 h。此后將土樣分層移置試驗皿內(nèi)壓實，通過抹刀將表面刮平。將測試儀調(diào)平后在儀器底座處放置測試杯，按照試驗流程展開液塑限測定試驗。試驗結(jié)果見表1。

1.2 擊實試驗

該研究采用重型擊實干土法，在烘干土樣中摻加水，攪拌均勻后裝進(jìn)密封塑料袋中悶料12 h備用。將土樣分5層擊實，各層擊實后均應(yīng)拉毛表面層，增強層間黏合性；各層土樣全部擊實完成后，試件總高度不能超出試筒頂面5 mm。通過脫模機將試件脫出，并從中間斷開，展開含水率檢測，測值精確至0.1%。對其余試件也展開擊實、稱重操作，并依次測定含水率。

根據(jù)測定結(jié)果，與含水率相對應(yīng)的干密度值見表2。根據(jù)測試結(jié)果，砂土干密度最大，取1.875 g/cm?。

1.3 CBR試驗

按照靜壓成型方式檢測不同含水率和壓實度下路基土試件CBR值。根據(jù)檢測結(jié)果，粉土CBR值最大，黏土CBR值最小，且均高出二級公路路床填料CBR下限值?？梢?，粉土、砂土和黏土承載力均符合路床填筑要求。

三種細(xì)粒土CBR值均隨壓實度的增大而線性增加，主要原因在于壓實度增大使土料中空隙減小，密實性和承載力均增大。此外，三種路基土CBR值隨含水率增大而先增后減，最大CBR值均出現(xiàn)在最佳含水率附近。在確定路基土含水率時，砂土對含水率變化的敏感程度明顯較高；而粉土和黏土隨含水率的變化不會快速、明顯膨脹和收縮，水穩(wěn)性更好。

2 路基土動態(tài)回彈模量試驗

2.1 試驗方法

根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430—2020）《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015）及《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2017）要求，應(yīng)通過動態(tài)液壓伺服系統(tǒng)展開路基土及相關(guān)材料動態(tài)回彈模量測試[2]。該試驗以進(jìn)口的UTM-130型萬能材料檢測儀為試驗設(shè)備，所使用的粉土、黏土、砂土等試驗土樣均為細(xì)粒土，故采用試驗規(guī)程中規(guī)定的試件加載序列。

按照試驗規(guī)程成型Ф100 mm×200 mm圓柱形試件，對開模上部和下部均設(shè)置墊塊和套箍，防止試驗過程中因過大的徑向壓力造成套筒變形。

測試開始前開啟冷卻循環(huán)水管及油泵，提前預(yù)熱15～20 min；將試件上塑料薄膜去除，并檢測試件直徑與高度。將試件放置于三軸室底座并固定，試件頂部則防止墊片，此后將試件送入三軸室并擰緊固定軸。將圍壓管、圍壓傳感器、位移傳感器等安裝在三軸室頂部，開啟氣泵使圍壓增大。按照規(guī)范要求及試驗?zāi)康脑O(shè)置好測試程序、試驗參數(shù)、加載程序后展開測試。

2.2 試驗結(jié)果分析

2.2.1 圍壓對動態(tài)回彈模量的影響

在路基土含水率、壓實度及偏應(yīng)力等不變的情況下，展開圍壓對路基土動態(tài)回彈模量影響的分析。在最佳含水率及95%壓實度下三種細(xì)粒土回彈模量變化情況試驗結(jié)果見表3。根據(jù)表中結(jié)果，隨著圍壓的持續(xù)增大，三種細(xì)粒土動態(tài)回彈模量均呈增大趨勢；不同偏應(yīng)力下黏土回彈模量對圍壓依賴性增強，而其余兩種路基土回彈模量對圍壓的依賴性略微減弱[3]。隨著偏應(yīng)力的增大，路基土動態(tài)回彈模量降幅減小，表明這一過程中存在臨界點，若低出該臨界點，回彈模量會大幅提升。總之，三種細(xì)粒土動態(tài)回彈模量均隨圍壓的增大而呈明顯增長趨勢。

2.2.2 含水率對動態(tài)回彈模量的影響

結(jié)合重型擊實試驗結(jié)果確定出三種細(xì)粒土含水率取值范圍，并展開95%的壓實度下不同路基土動態(tài)回彈模量試驗。限于篇幅，此處僅列示黏土動態(tài)回彈模量試驗值，見表4。

根據(jù)表中結(jié)果，在偏應(yīng)力和圍壓相同時，細(xì)粒土在選定的含水率范圍內(nèi)動態(tài)回彈模量均隨含水率的增大而減?。簧巴粱貜椖Ａ侩S含水率的增大而線性遞減；黏土及粉土回彈模量的降速先大后小。通過進(jìn)一步分析得知，水分增大使土體顆粒間水膜變厚，拉大了顆粒間距，其間的摩擦效應(yīng)也隨之減小，土體顆粒間膠結(jié)能力與回彈模量均減弱[4]。

2.2.3 壓實度對動態(tài)回彈模量的影響

在不同壓實度下展開重復(fù)加載三軸試驗，并測試不同細(xì)粒土路基動態(tài)回彈模量變動規(guī)律。根據(jù)試驗結(jié)果，在偏應(yīng)力與圍壓均一致時，不同路基土回彈模量與壓實度正向變動；其中，砂土路基回彈模量隨壓實度增大而緩慢增大，黏土回彈模量則快速增大，粉土路基接近線性增長。

通過分析原因看出，壓實度增大后路基土密實度隨之增大，土粒間嵌擠程度增強，接觸點也增多，受到外部荷載作用后接觸應(yīng)力下降，變形減小，回彈模量增大；此外，還能較好阻止土粒間重新排列與滑動，抗變形能力提升。

3 動態(tài)回彈模量預(yù)估模型構(gòu)建

3.1 模型構(gòu)建

應(yīng)用SPSS軟件根據(jù)不同路基土試驗工況下動態(tài)回彈模量試驗結(jié)果選取預(yù)估模型，并展開參數(shù)值擬合。基于前述試驗研究結(jié)果，用塑性指數(shù)表征土體類型，用含水率和壓實度表征土體物理性狀，用CBR表征力學(xué)強度，構(gòu)建動態(tài)回彈模量預(yù)估模型。將不同類型土料重復(fù)加載三軸試驗結(jié)果視為整體，按照以下公式展開擬合[5]：

式中，Mr——路基土回彈模量（MPa）；CBR——加州承載比；K——路基土壓實度（%）；ω——路基土含水率（%）；Ip——塑性指數(shù)；α、b、c、d——模型回歸系數(shù)。

按照非線性擬合思路，所得到的模擬參數(shù)值擬合結(jié)果見表5。回歸系數(shù)α、b、c、d依次取值55.293、0.08、3.054、7.224，相關(guān)系數(shù)R2=0.884 1，試驗數(shù)據(jù)擬合效果較好。所構(gòu)建的預(yù)估模型采用塑性指數(shù)，物理狀態(tài)含水率、壓實度及強度指標(biāo)展開路基土動態(tài)回彈模量預(yù)估，模型適用范圍廣，對于實際工程較為適用。將所得到的擬合結(jié)果與參數(shù)取值代入式（1）可以得到具體化的路基土動態(tài)回彈模量預(yù)估模型，表示如下：

R2=0.884 1 （2）

3.2 預(yù)估值與試驗值的比較

應(yīng)用SPSS軟件擬合出的回彈模量預(yù)估模型相關(guān)系數(shù)值較高，對回彈模量值與參數(shù)間的相關(guān)性及擬合公式預(yù)估精度均進(jìn)行了較好驗證。將預(yù)估值與試驗值展開比較看出，在黏土含水率較大時兩者誤差超出30%，其余土體類型下預(yù)估值和試驗值誤差均在20%以下，最小誤差僅為0.78%；且粉土和砂土預(yù)估效果最好。如圖2所示，根據(jù)圖中動態(tài)回彈模量預(yù)估值與試驗值的對比看出，預(yù)估值與試驗值呈線性相關(guān)關(guān)系，擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2=0.893；各點均勻分布于等值線兩側(cè)，體現(xiàn)出較高的預(yù)估模型準(zhǔn)確度。

4 結(jié)論

該文在對黏土、砂土、粉土基本物理性質(zhì)展開測試的基礎(chǔ)上，對路基土動態(tài)回彈模量展開檢測，應(yīng)用SPSS軟件選擇出合適的路基土回彈模量預(yù)估模型。主要得到以下結(jié)論：

（1）含水率、壓實度、塑性指數(shù)、CBR值均對路基回彈模量存在顯著影響。其中路基土類型通過塑性指數(shù)表征；強度由CBR值表征；物理狀態(tài)則由含水率和壓實度表征。

（2）結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范中路基土回彈模量應(yīng)力條件，借助軟件展開試驗值擬合，并將預(yù)估值與試驗值展開比較，兩者誤差小，表明預(yù)估模型具有一定合理性。

（3）該文基于路基土物性指標(biāo)構(gòu)建起的動態(tài)回彈模量預(yù)估模型，能夠?qū)仿坊O(shè)計起到一定參考；為保證預(yù)估模型的普遍適用性，可繼續(xù)展開專項研究，拓展該模型的適用范圍。

參考文獻(xiàn)

[1]黃崇偉， 朱寶兵， 章毅， 等. 潮濕路基水泥改良細(xì)粒土動態(tài)回彈模量試驗研究[J]. 中外公路， 2023（4）： 18-23.

[2]歐陽衛(wèi)鋒， 王業(yè)駒， 王志鑫. 紅黏土路基的動態(tài)與靜態(tài)回彈模量對比分析[J]. 中國公路， 2022（2）： 110-111.

[3]劉君， 牛軍賢， 崔明. 路基非飽和土動態(tài)回彈模量計算模型對比研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2021（31）： 13491-13496.

[4]王立功. 路基粉土動態(tài)回彈模量影響因素及預(yù)估模型研究[J]. 湖南交通科技， 2020（3）： 16-20.

[5]張軍輝， 彭俊輝， 鄭健龍. 路基土動態(tài)回彈模量預(yù)估進(jìn)展與展望[J]. 中國公路學(xué)報， 2020（1）： 1-13.