路基回彈模量隨季節變化規律的研究

2018-10-26 10:55:02魏望

中國科技縱橫 2018年17期

摘要：通過室內試驗得到路基回彈模量與壓實度、稠度的回歸公式；通過現場長期觀測，找到路基含水量（稠度）隨季節變化規律；進行變量轉換，找出路基回彈模量隨季節的變化規律，為公路路面設計提供重要的參考。

關鍵詞：路基；回彈模量；壓實度；含水量；季節；變化規律

中圖分類號：U416.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）17-0000-00

路基作為路面結構的基礎，承受著上部結構的自重和車輛荷載，其抗變形能力對路面結構的強度、剛度和穩定性起重要作用。無論是瀝青路面還是水泥混凝土路面出現的病害，相當部分是由于路基強度不足、穩定性差并在外部荷載作用下產生過大的變形所引起的。

我國常用路基回彈模量E0表征路基抗壓強度指標，路基回彈模量是路面結構設計中最為重要的設計參數，設計時通常按照現行規范方法獲得。但在公路結構中，路基回彈模量是一個有關土的類型、含水量、壓實度以及測試方法的復雜參數，其中路基含水量是一個隨季節變化的因素，因此路基回彈模量E0是一個隨季節變化的函數。如果按照規范方法得到的E0將是一常量，且與路基實際強度存在較大偏差，直接影響路面結構的整體可靠性。

目前，國內眾多學者對路基回彈模量進行了深入研究，主要針對路基回彈模量的影響因素。但是，對于路基回彈模量隨季節的變化規律，國內研究較少。因此，本文在國內學者研究的基礎上，選取試驗路段通過試驗檢測及相關方法研究，分析找出路基回彈模量隨季節的變化規律，為公路路面設計提供重要的參考。

1 路基回彈模量E0的影響因素

1.1 土質對E0的影響

我國《公路土工試驗規程》（JTG E40-2007）中訂立了公路路基土的分類方法。不同的土類含有不同粒徑的土顆粒：砂粒成分多的土，強度構成以內摩擦力為主，強度較高，受水的影響小，但是施工時不易壓實；粘粒成分多的土，以粘聚力為主形成強度，其強度隨密實程度的不同，變化較大，但易壓實，強度隨含水量的增大而降低；介于前兩者之間的粉性土，以摩擦力和粘聚力共同形成強度，但是其毛細現象強烈，路基強度和承載力隨著毛細水上升、濕度增大而下降。從優選路基填筑材料角度來說，砂性土是最好的路基填筑材料，粘性土次之，粉性土是路基不良的填筑材料。

1.2 壓實度對E0的影響

壓實度是影響路基回彈模量的關鍵因素。充分壓實的路基可以發揮較高的承載能力，能夠減少路基和路面在車輛荷載作用下產生的變形。用施工機械進行路基壓實時，在荷載作用下，大小顆粒重新排列和互相靠攏，小顆粒進入大顆粒的空隙中，土體孔隙率減少，碾壓越密實，單位體積內的固體顆粒越多，空氣越少。我國現行路基工程通過室內土基擊實試驗得到土體最大干密度和對應的最佳含水量，以此控制施工現場壓實質量。

1.3 含水量對E0的影響

除受土質和壓實度影響外，路基回彈模量還隨著路基含水量變化而變化，有關資料顯示：保持干密度不變，僅含水量增加1%可使路基回彈模量降低8～18%，平均降低11%；如果考慮含水量增加使干密度減小，則含水量增加1%，回彈模量降低的百分率還要大于11%。規范也給出了不同地區各類土質在不同含水量（稠度）狀態下回彈模量的參考資料。

2 路基回彈模量E0隨季節變化規律研究

2.1 試驗路段選取及研究方法

選取正在運營的京港澳高速公路（韶關段）和深汕高速公路（惠州段）作為試驗路段展開調查研究。對試驗段路基土進行現場取樣，通過室內試驗分析研究路基回彈模量與壓實度、稠度（含水量）的相關性，得到E0與K、WC的回歸公式；對試驗段路基土不同深度埋設溫濕度傳感器，進行路基含水量觀測，找出路基含水量隨季節變化規律；以含水量為變量，通過變量轉換，分析找到路基回彈模量隨季節變化規律。

2.2 路基回彈模量與壓實度、稠度的相關性

對試驗路段路基土現場取樣，并在室內按照不同壓實度及不同含水量條件進行路基回彈模量試驗。找出不同路段路基回彈模量與壓實度、稠度的關系式。

（1）京港澳高速公路（韶關段）代表土樣室內E0試驗。京港澳高速公路（韶關段）位于廣東省二級公路自然區劃Ⅳ6區內，路基土質為低液限粘土（CL）；測得該土樣液限WL=45.0%，塑限WP=22.0%，塑性指數IP=23.0%；重型擊實標準下土樣最大干密度ρdmax=1.86 g/cm3，最佳含水量W0=16.2%。試件含水量W分別取10%、14%、18%、22%和26%五個水平；試件壓實度K分別取85%、90%、94%、96%、98%和100%六個水平；土基回彈模量試驗按照《公路土工試驗規程》（JTG E40—2007）強度儀法進行。不同含水量及不同壓實度下室內路基土回彈模量試驗結果見表1所列。

對表1試驗數據計算分析，得到路基回彈模量隨壓實度及稠度變化的經驗公式：

（1）

式中：E0為回彈模量（MPa）；K為壓實度（%）；WC為稠度。

（2）深汕高速公路（惠州段）代表土樣室內E0試驗。深汕高速公路（惠州段）位于廣東省二級公路自然區劃Ⅳ7區內，路基土質為為含礫低液限粘土（CLG）；測得該土樣液限WL=41.3%，塑限WP=22.9%，塑性指數IP=18.4%；重型擊實標準下土樣最大干密度ρdmax=1.94 g/cm3，最佳含水量W0=12.6%。試件含水量W分別取10%、14%、18%、22%和26%五個水平；試件壓實度K分別取85%、90%、94%、96%、98%和100%六個水平；土基回彈模量試驗按照《公路土工試驗規程》（JTG E40—2007）強度儀法進行。不同含水量及不同壓實度下室內路基土回彈模量試驗結果見表2所列。

對表2試驗數據計算分析，得到路基回彈模量隨壓實度及稠度變化的經驗公式：

（2）

式中：E0為回彈模量（MPa）；K為壓實度（%）；WC為稠度。

2.3 路基含水量隨季節變化規律

舊路路基含水量采用溫濕度傳感器進行現場監測，每個試驗路段布設含水量傳感器3個。傳感器水平布設于路面硬路肩邊緣以內3m，垂直布設于路床范圍內：路基項面以下10cm、30cm、50cm（如圖1所示）。對埋設的溫濕度傳感器設定每天早晚各采集一次測試結果，并計算3個不同深度的平均值作為路基土平均含水量。監測時間為一年。

（1）京港澳高速公路（韶關段）路基含水量季節變化觀測。

京港澳高速公路路基含水量觀測結果見表3所列。

將表3檢測數據進行計算，得到舊路路基含水量隨時間變化的經驗公式： W=-0.179T 2+2.2035T+17.598 （W為含水量、T為月份）。對觀測數據進行分析：1月～6月為路基含水量上升階段，7月～12月為路基含水量下降階段。

（2）深汕高速公路（惠州段）路基含水量季節變化觀測。

深汕高速公路路基含水量觀測結果見表4所列。

將表4檢測數據進行計算，得到舊路路基含水量隨時間變化的經驗公式： W=-0.3099T 2+4.181T +11.866 （W為含水量、T為月份）。對觀測數據進行分析：1月～7月為路基含水量上升階段，8月～12月為路基含水量下降階段。

2.4 路基回彈模量隨季節變化規律

舊路在運營后，路基的壓實度會隨車輛荷載作用不斷增大，經過多年運營路床范圍內壓實度均會超過施工中的壓實標準（壓實度為96%）。在研究分析時，取路基壓實度為96%時路基回彈模量與稠度的關系，以稠度（含水量）為變量，通過轉換變量找出路基回彈模量隨季節的變化規律。

（1）京港澳高速公路（韶關段）路基回彈模量季節變化規律。通過室內試驗，得到京港澳高速公路路基回彈模量與壓實度、稠度的回歸公式E0=50.2K 2.15WC 1.04 ，控制試驗壓實度K=96%，得到E0、WC關系式E0=45.9WC 1.04；路基土質為低液限粘土（CL），土樣液限WL=45.0%，塑限WP=22.0%，塑性指數IP=23.0%；路基含水量隨季節變化觀測結果見表3所列，以含水量（稠度）為變量、進行變量轉換，由E0～WC關系式計算分析，得到路基回彈模量隨季節變化，見表5所列。

將表5數據進行計算分析，得到路基回彈模量隨時間變化的經驗公式：E0=0.372T 2-4.5789T+55.137 （T為月份）。由表5和圖2可知：京港澳高速公路（韶關段）路基回彈模量隨季節經歷減小和增大兩個階段。其中，1月至6月為回彈模量減小階段，6月至12月為回彈模量增大階段，6月回彈模量為全年最低，而路基含水量為全年最高。

（2）深汕高速公路（惠州段）路基回彈模量季節變化規律。通過室內試驗，得到深汕高速公路路基回彈模量與壓實度、稠度的回歸公式E0=56.9K 2.63WC 1.18 ，控制試驗壓實度K=96%，得到E0、WC關系式E0=51.1WC1.18；路基土質為含礫低液限粘土（CLG）；土樣液限WL=41.3%，塑限WP=22.9%，塑性指數IP=18.4%；路基含水量隨季節變化觀測結果見表4所列，以含水量（稠度）為變量、進行變量轉換，由E0～WC關系式計算分析，得到路基回彈模量隨季節變化，見表6所列。

將表6數據進行計算分析，得到路基回彈模量隨時間變化的經驗公式：E0=0.372T 2-4.5789T+55.137 （T為月份）。由表6和圖3可知：1月至7月為回彈模量減小階段，7月至12月為回彈模量增大階段，7月回彈模量為全年最低，而路基含水量為全年最高，由此可見，含水量是影響細粒土路基回彈模量的重要因素。

3 結語

本文通過對路基回彈模量隨季節變化規律的研究，得到以下結論。

（1）根據室內路基回彈模量試驗，得到不同路段路基回彈模量與壓實度、稠度的經驗公式，說明壓實度和含水量（稠度）是細粒土路基回彈模量的重要影響因素。（2）根據路基含水量現場監測，找到路基含水量隨季節變化規律。含水量隨時間經歷上升階段和下降階段。（3）以含水量（稠度）作為變量，進行變量轉換，計算分析得到路基回彈模量隨季節變化規律。路基回彈模量隨時間經歷增大階段和減小階段，與含水量成相反趨勢。（4）路基回彈模量是關于土的種類、含水量、壓實度以及時間的復雜函數，在公路路面設計中，建議對路基回彈模量進行可靠度分析，提高路基路面設計的可靠性。

本文尚未開展路基回彈模量可靠度分析，將作為后續研究的重點。

參考文獻

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