土工格柵加筋碎石土動回彈模量試驗研究

周志剛 張航 韓健

摘要：為了提供路面結構設計時確定加筋土路基動回彈模量的依據，促進加筋土技術在道路工程中的推廣應用，文章利用動三軸儀對土工格柵加筋碎石土進行動回彈模量試驗，并對比分析了含水率和加筋方式對動回彈模量的影響規律。研究結果表明：含水率的提高會降低加筋土體的動回彈模量，確定加筋土路堤動回彈模量時應考慮平衡含水率的影響;土體加筋之后可以提高其動回彈模量，在土體中水平剪切變形層位布設土工格柵，增加加筋層數或減少加筋層間距，對提高動回彈模量的效果明顯。

關鍵詞：土工格柵;碎石土;動回彈模量;含水率;加筋方式;影響規律

0 引言

在現行瀝青路面設計規范[1]中，路基土的動回彈模量是重要的設計參數。室內外試驗研究表明，在路基中布設土工格柵之類的加筋材料有助于提高路基的回彈模量。杜運興等人[2]利用彎沉試驗的結果來反映回彈模量的大小，研究表明，預應力CFGR加筋土技術可以顯著提高加筋土路堤的回彈模量并加速加筋土結構沉降穩定。許愛華等人[3]在室內對小間距土工格柵加筋粉砂土和小間距土工布加筋粒料土的回彈變形特性進行了對比分析，發現二者均能通過加筋層與土的共同作用來提高加筋土的整體性，并提出“儲存和釋放彈性能”機理。胡幼常等人[4]按照公路土工試驗規程，利用強度儀法測定了摻砂黃土和土工格柵加筋黃土試樣的回彈模量，對兩種方法的可行性進行了研究與詳細的對比分析，結果表明，兩種方法都能明顯提高黃土的回彈模量，同時使用效果更佳。Yuan等人[5]利用野外承載板法確定回彈模量，通過現場試驗對玻璃纖維土工格柵加固軟土地基的效果進行了分析，結果表明，不同埋深的土工格柵加固效果不同，且上層加筋土的回彈模量越大，加固效果越好。尹錦明等人[6]通過擊實試驗測定了素土和纖維土的回彈模量，通過對比分析發現，加筋土的回彈模量隨著聚丙烯纖維的摻加而不斷提高，并且擊實功越大，回彈模量也越大。Abu-Farsakh等人[7]利用承載板試驗，評價了土工合成材料對軟土地基路面鋪裝性能的改善作用，通過對六種不同類型和埋深的土工合成材料埋設區進行測試，發現土工合成材料能降低路面車轍的作用，并且使基層回彈模量顯著提高。Kravchenko等人[8]通過不排水三軸壓縮試驗，研究了纖維加筋黏土在凍融循環作用下的性能，[JP4]發現纖維加筋有助于防止凍融循環下黏土強度的下降，同時加筋黏土試樣的回彈模量要高于未加筋黏土試樣。張向東等人[9]利用GDS三軸試驗系統進行了不同圍壓和動應力幅值條件下纖維加筋二灰土的動三軸試驗，研究表明，隨著聚丙烯纖維的加入，二灰土體的剪切強度得到顯著提高。同時，在我國公路路基設計規范[10]中指出，路基的動回彈模量由CBR強度通過經驗公式換算得來，但由此得到的路基動回彈模量往往誤差較大，而且精度不是很高。

因此，本文利用土工試驗動三軸系統，通過對不同含水率、加筋方式以及圍壓下的土工格柵加筋碎石土試件進行動三軸試驗，測試動回彈模量，探究其隨不同影響因素的變化規律，為路面結構設計確定路基土動回彈模量時提供參考。

1 試驗材料

1.1 土工格柵

加筋材料為湖北力特土工合成材料有限公司生產的高密度聚乙烯土工格柵RS90PE。參照新土工格柵國家標準[11]，使用多功能材料試驗機進行性能測試。本次試驗采取窄條拉伸方式，其物理力學指標如表1所示。

1.2 填料

加筋土所用的碎石土取自江西省某高速公路加筋土擋土墻工程現場。試驗土的碎石含量約為63%，碎石粒徑主要集中在5～20 mm之間。通過顆粒組成統計可知，該碎石土屬于礫類土，d10=1.74、d30=4.58、d60=9.66，計算可得碎石土的不均勻系數Cu=5.56>5、Cc=1.25，所以，該碎石土易壓密，級配良好。通過擊實試驗得到試驗用碎石土的最佳含水量約為7.1%，最大干密度約為2.12 g/cm-3。

2 試驗方案

2.1 加載序列的確定

在采用動三軸試驗測定動回彈模量時，需要確定加載序列。對于碎石土之類的材料，所施加的動應力幅值應由小依次增大進行試驗。本次加筋碎石土動回彈模量試驗，參考國內陳聲凱等[12]建立的動三軸加載序列，圍壓分別取50 kPa、100 kPa、150 kPa。具體加載序列情況如表2所示。

在正式加載前先進行預加載，考慮到路基在施工期承受的荷載比運營期高很多，所以室內模擬試驗的預加載比正式加載要更加嚴格。國外推薦的預加載次數為500～2 000次，因此本次試驗預加載次數選取最大值2 000次。

2.2 加載波形的確定

本次試驗循環動荷載的加載波形選擇半正弦波，加載頻率為1 Hz。在一個周期內，參照路面材料動三軸試驗時加載0.1 s、間歇0.9 s的做法，考慮車輪荷載經過數十厘米厚的路面結構傳遞至路基頂面時影響范圍更大，路基土受荷時間延長，故加載時間選為0.2 s，間歇時間選為0.8 s。

2.3 含水率的確定

國內外學者經過研究表明，在給定的自然條件下，道路在運營期內其路基的含水率會由最佳含水率逐漸增大，并最終會在與當地環境相適應的平衡含水率附近波動。V.Quintus等[13]通過對137條運營期道路路基含水率的現場調查，發現路基的含水率介于最佳含水率和150%最佳含水率之間。因此，本次試驗的含水率確定為100%最佳含水率、115%最佳含水率、130%最佳含水率。

2.4 加筋方式的確定

本次試驗試件為圓柱形，試驗加筋方式分為不加筋、加一層筋、加兩層筋。其中，加一層筋時土工格柵放置于試件截面中心位置，加兩層筋時土工格柵分別放置于距試件頂面和底面50 mm處。具體加筋方式如圖1所示。

3 試驗過程

3.1 試驗儀器的選擇

在本次動三軸試驗中，試件采用靜壓成型，主要成型設備包括定制的對開模具和萬能靜壓儀。試驗加載系統采用深圳Reger公司定制的土工試驗動三軸系統。該土工試驗動三軸系統主要包括三大部分，分別是控制和數據采集軟件系統、加載系統和圍壓應力提供系統。

3.2 試樣制備的流程

試件的制備采用萬能靜壓儀分層靜壓成型。每層填料的質量根據所取得的壓實度控制。由壓實度、干密度及試件的體積計算出所需的碎石土質量，試件分五層進行壓實，每一層的質量一致，壓實厚度一致，保證試件壓實度均勻。試件最后一層靜壓結束后以恒載靜壓5 min。為了避免試件斷裂，選擇采用專門尺寸的脫模機進行脫模。如若脫模后不能及時用于試驗，則需要先用塑料保鮮膜包裹好試件，防止水分的蒸發。

3.3 試驗操作的步驟

安裝試件，保證套好橡膠膜的試件置于三軸室的中間位置，并插入傳力桿，完成注水。通過圍壓控制器施加目標圍壓，當圍壓穩定后，再施加10 N的接觸應力，接著選擇加載次數和加載序列，進行加載試驗。所有序列加載完畢后，依次抬起加載器，拔掉輸水管，擰開排水閥，取出傳力桿。待三軸室內部的水全部排出后，用扳手擰開螺絲，取下玻璃罩，取出試件，去除套在試件表面的橡膠膜，然后觀察試件是否有明顯的進水現象，如果進水比較明顯則認為該次試驗失敗，應該重新制備試件再次進行試驗。

4 動回彈模量影響因素分析

根據上述試驗方案，每種組合工況要求做三組平行試件，利用動三軸試驗，可以得到每組試件在重復荷載作用下變形穩定后的重復應力和此時的回彈應變，兩者比值即為動回彈模量，可按式（1）計算：

對每個應力幅值的最后10次應力應變數據按式（1）進行處理，取平均值視為當前應力幅值下所對應的動回彈模量。每組平行試驗結果與其均值相差均應≤5%。

4.1 含水率對動回彈模量的影響

根據試驗數據，繪制成圖2～4，分析比較試件含水率（OMC）對動回彈模量的影響規律。

由圖2～4可以看出，含水率對加筋土試件動回彈模量值的影響比較明顯。在其他條件不變時，試件含水率越高則其動回彈模量值就越小，因為在碎石土中含有少量黏土，而其含水率越高，結合水膜厚度就越大，土顆粒之間的距離也越大，土體的粘聚力和內摩擦角就越小，從而導致土體的抗壓性能和抗剪強度的降低，水對土顆粒的潤滑作用就越大。水對土工格柵與碎石土顆粒之間也有類似的影響，所以在同一圍壓的應力幅值下，含水率越大，試件的變形就越大，從而導致其動回彈模量越小。

現單獨分析試件在加兩層筋且在同一圍壓下其動回彈模量隨含水率的變化情況。當試件含水率由最佳含水率增加到130%最佳含水率時：在50 kPa圍壓下，回彈模量下降了25.31%～32.31%，平均下降29.68%;在100 kPa圍壓下，回彈模量下降了28.54%～30.14%，平均下降29.57%;在150 kPa圍壓下，回彈模量下降了32.72%～34.56%，平均下降33.91%。

4.2 加筋方式對動回彈模量的影響

根據試驗數據，繪制成圖5～7，分析比較試件不同加筋方式對動回彈模量的影響規律。

由圖5～7可以看出，當只加一層土工格柵時，試件動回彈模量基本沒有發生變化，而加了兩層土工格柵后，動回彈模量明顯增大。碎石土中加入土工格柵以后，在一定程度上會改變土體的整體剛度。不加土工格柵和加一層土工格柵的動回彈模量值差別很小，是因為在進行動三軸試驗時，由于試件上下結構和荷載的對稱性，上下端部荷載傳遞至其中部時，橫截面上難以形成水平剪切錯動狀態，此時即使在試件中部埋置了土工格柵，土工格柵與碎石土粒料之間也難以形成剪切嵌鎖效應，與未埋置土工格柵的試件受力變形狀態差別甚微，所以即使加了一層土工格柵，其動回彈模量并沒有什么變化。而當加兩層土工格柵時，即在距試件上下端面附近各加一層土工格柵，在試件端部施加的荷載傳遞至試件上下部的土工格柵位置時，產生了水平剪切錯動行為，使得土工格柵與碎石土土體之間產生剪切嵌鎖效應，約束了土體側向變形，降低了軸向變形，增加了碎石土體剛度，從而導致在加了兩層土工格柵后試件的動回彈模量明顯增大。

現單獨分析試件在最佳含水率且在同一圍壓下其動回彈模量隨加筋的變化情況。當試件由不加筋到加兩層筋時：在50 kPa圍壓下，回彈模量增大了35.77%～39.17%，平均增大37.60%;在100 kPa圍壓下，回彈模量增大了33.40%～34.22%，平均增大34.81%;在150 kPa圍壓下，回彈模量增大了28.62%～34.93%，平均增大31.87%。

5 結語

本文通過室內動三軸試驗，對土工格柵加筋碎石土動回彈模量的影響因素進行了探討，可以得出以下結論：

（1）含水率對土工格柵加筋碎石土動回彈模量的影響明顯，130%最佳含水率會使得最佳含水率下成型的試件動回彈模量平均降低約30%左右。因此，在進行路面結構設計時應按平衡含水率測試確定土工格柵加筋土動回彈模量，以真實地反映土工格柵加筋土實際的抗變形能力。

（2）土工格柵加筋碎石土動回彈模量與土工格柵埋設的位置和加筋層數有一定的關系。土工格柵應埋設在土體中存在水平剪切變形的層位，增加加筋層數或減少加筋間距，有助于提高加筋土體抗變形能力。

參考文獻：

[1]JTGD50-2007，公路瀝青路面設計規范[S].

[2]杜運興，尚守平，周 芬.預應力CFRP加筋土路堤現場試驗研究[J].公路，2006（5）：127-131.

[3]許愛華，胡幼常，張宗保.小間距加筋土回彈變形特性分析[J].公路交通科技，2010，27（7）：52-55.

[4]胡幼常，申俊敏，趙建斌，等.土工格柵加筋摻砂黃土工程性質試驗研究[J].巖土力學，2013，34（S2）：74-80，87.

[5]Yuan P，Huang J W. Fieldexperiment study of the semi-rigid base on port reinforced with glass fiber geogrid[J]. Advanced Materials Research，2014.1 004：1 468-1 473.