路基回彈模量與 CBR關(guān)系研究

覃綺平

(深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司)

路基回彈模量能較好的反映土所具有的部分彈性性質(zhì),在以半空間地基模型表征路基的受力特性時(shí),可以用回彈模量表示路基土在瞬時(shí)荷載作用下的具有的可恢復(fù)變形性質(zhì),路基回彈模量是我國路面設(shè)計(jì)中必不可少的參數(shù)。然而由于路基回彈模量測定較為困難,因此國內(nèi)外都曾試圖以路基的承載比 CBR值推求路基回彈模量。

CBR是英文加利福尼亞州承載能力比的縮寫。不少國家用這個(gè)指標(biāo)表征土的力學(xué)性質(zhì),國內(nèi)稱其為承載比。近五、六十年各國盛行,既用于道路設(shè)計(jì),也用于機(jī)場道面設(shè)計(jì)。

1 CBR試驗(yàn)原理

按路基施工時(shí)的最佳含水量及壓實(shí)度要求在試筒內(nèi)制備試件,為了模擬材料在使用過程中的最不利狀態(tài),加載前試件泡水四晝夜。在浸水過程中及貫入試驗(yàn)時(shí),在試件頂面施加荷載板,以模擬路面結(jié)構(gòu)對(duì)路基的附加應(yīng)力。貫入試驗(yàn)中,材料的承載能力越高,對(duì)其壓入一定貫入深度所需施加的荷載越大,所謂CBR值,就是試件貫入量達(dá)到 2.5mm或5mm時(shí)的單位壓力與標(biāo)準(zhǔn)碎石壓入相同貫入量時(shí)標(biāo)準(zhǔn)荷載(7MPa或 10.6MPa)的比值,用百分?jǐn)?shù)表示。標(biāo)準(zhǔn)荷載與貫入量之間的關(guān)系如表1。

表 1 不同貫入量時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)荷載強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)荷載

標(biāo)準(zhǔn)荷載強(qiáng)度與貫入量之間的關(guān)系也可用公式表示

式中:P為標(biāo)準(zhǔn)荷載強(qiáng)度,kPa;L為貫入量,mm。

2 計(jì)算分析

(1)將貫入試驗(yàn)得到的等級(jí)荷載數(shù)除以貫入斷面面積(19.625cm2),得到各級(jí)壓強(qiáng)(MPa),繪制荷載壓強(qiáng)——貫入量曲線。

(2)從壓強(qiáng)——貫入量曲線上讀取貫入量為 2.5mm和5.0mm時(shí)的荷載壓強(qiáng) P1按式(2)計(jì)算現(xiàn)場 CBR值。CBR一般以貫入量 2.5mm時(shí)的測定值為準(zhǔn),當(dāng)貫入量 5.0mm時(shí)的 CBR大于 2.5mm時(shí)的 CBR時(shí),應(yīng)重新試驗(yàn),如重新試驗(yàn)仍然如此時(shí),則以貫入量5.0mm時(shí)的CBR為準(zhǔn)。

式中:P1為荷載壓強(qiáng),MPa;P0為標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng),當(dāng)貫入量為2.5mm時(shí)為 7MPa;當(dāng)貫入量為 5.0mm時(shí)為 10.5MPa。

路基土E0與CBR試驗(yàn)從力學(xué)原理上講是完全不同的。E0試驗(yàn)主要是根據(jù)壓力 P與相應(yīng)的回彈變形計(jì)算得到的,在變形中不含塑性變形的成分。而 CBR則反映了路基土主要抵抗塑性變形的能力,在貫入深度中有時(shí)也會(huì)含有極少量的回彈變形,但與總變形 2.5mm或 5mm相比完全可以忽略不計(jì)。兩個(gè)參數(shù)從不同角度反映了路基的強(qiáng)度。

路基回彈模量與 CBR有沒有確定的關(guān)系,一直是各國在路基土研究中比較關(guān)心的問題。在路面結(jié)構(gòu)分析計(jì)算中,我們采用彈性模量(回彈模量),但在路基土施工質(zhì)量控制中CBR比E0使用方便。CBR操作簡便,人為誤差小,在國外路基施工質(zhì)量控制中應(yīng)用廣泛。在我國,路基土施工質(zhì)量主要控制在壓實(shí)度和彎沉,CBR沒有得到實(shí)際應(yīng)用。雖然一些單位做過CBR與E0的關(guān)系研究。但由于單位不同,試驗(yàn)條件不同,得出的結(jié)果很不一致。

國內(nèi)外不少均致力尋求室內(nèi)CBR或野外CBR與回彈模量E0的關(guān)系,做了不少工作,并通過數(shù)值分析或理論研究提出各地區(qū)各類土質(zhì)CBR與 E0之間的近似關(guān)系。但由于各自試驗(yàn)方法的規(guī)定、條件及標(biāo)準(zhǔn)上的差異,尤其是路基回彈模量測定的方法各國很不統(tǒng)一,因此各關(guān)系式間亦存在較大差異,現(xiàn)將國內(nèi)外近似的關(guān)系式列于表 2以供參考。

將表 2中的粘性土回彈模量與 CBR關(guān)系進(jìn)行分析,分別將各關(guān)系式 CBR取值 2%、3%、5%、7%、10%、20%、30%、50%、80%、100%計(jì)算出來的回彈模量值列表 3所示。

表 2 國內(nèi)路基 E0和 CBR的關(guān)系式

續(xù)表2

表 3 E0與CBR的關(guān)系比較

將所有關(guān)系式對(duì)應(yīng) CBR2%、3%、5%、7%、10%、20%、30%、50%、80%、100%的回彈模量值平均,以這些平均值與再與 2%、3%、5%、7%、10%、20%、30%、50%、80%、100%進(jìn)行回歸,得到如下的新關(guān)系式:

經(jīng)過回歸分析后得到室內(nèi)不浸水粘性土回彈模量與CBR關(guān)系式

經(jīng)過回歸分析得到室內(nèi)浸水 96h后,粘性土回彈模量與 CBR關(guān)系式

從以上各表可以看出,國內(nèi)與國外的一些研究因試驗(yàn)條件和土質(zhì)等不同,試驗(yàn)結(jié)果相差很大貴。同種土質(zhì),試驗(yàn)結(jié)果也大相徑庭,如同為紅粘土,廣西現(xiàn)場關(guān)系式是 E0=15.55CBR0.582,而陽為E0=7.27CBR0.822,兩者回彈模量計(jì)算值相差較大。所以各個(gè)地區(qū)回歸的關(guān)系式僅作為當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)參考,一般不能在全國范圍推廣。

圖 1 室內(nèi)不浸水粘性土路基回彈模量與 CBR關(guān)系

圖 2 室內(nèi)浸水粘性土路基回彈模量與 CBR關(guān)系

3 小 結(jié)

(1)根據(jù)各自的實(shí)測資料,許多國家的學(xué)者提出路基回彈模量與加州承載比CBR的關(guān)系可以用下式表達(dá)

式中:E0為彈性半空間地基的回彈模量,MPa;n為常數(shù),一般在 2～11之間。

(2)由于我國地域廣闊,路基土的類型千差萬別,所以對(duì)各種不同類型土的 E0與 CBR值的關(guān)系應(yīng)該通過具體的試驗(yàn)來測定,以獲得較為準(zhǔn)確的關(guān)系式。

[1]中華人民共和國交通部.公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程(JTJ 059-95)[M].北京:人民交通出版社,1995.

[2]中華人民共和國交通部.公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范(JTGD50-2006)[M].北京:人民交通出版社,2007.

[3]武和平.高等級(jí)公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[M].人民交通出版社,1995.