基于模量法評價碎石土路基壓實效果的試驗研究

郭肖紅，羅敏敏，周 江

（1.浙江中材工程勘測設計有限公司，浙江 杭州 310022；2.浙江大學建筑設計研究院有限公司，浙江 杭州 310028）

0 引 言

在公路建設中，路基填土的壓實問題一直受到工程界的重視。在路基填筑施工中，均需要分層攤鋪、碾壓和質量檢測。細粒土壓實效果的檢測與評價已有一套比較成熟和公認的方法，可按照有關的規范[1]和標準[2]執行，如灌水法、灌砂法、蠟封法以及環刀法等直接密度測試法；而對于碎石土路基，雖然已有其力學特性[3]、壓實特性[4-5]的研究成果報道，但壓實效果檢測與評價方法[6]尚不成熟。

鑒于現行國內外路基設計理論和方法主要采用反應模量和動回彈模量來表示路基的抗變形能力，本文針對碎石土路基的特點建立路基模型，通過承載板試驗和便攜式落錘彎沉儀（PFWD）試驗檢測不同工況下碎石土路基的反應模量和動回彈模量，建立反應模量、動回彈模量與壓實度之間的定量關系，以實現快速、可操作性強的碎石土路基的壓實效果檢測與評價方法，為工程實踐提供借鑒。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗采用人工配制的碎石土作為回填材料（圖1），最大粒徑dmax=26 mm，分別按含石量G=30%、50%、75%配制。根據公路標準[12]，對配制好的碎石土進行篩分試驗和振動臺試驗（干土法），不同含石量碎石土的最大干密度如表1所示，本次試驗用碎石土和規范[13]推薦碎石土集料的級配曲線如圖 2。對坑壁的黏性土進行室內土工試驗得到其密度ρ=1.89 g/cm3，含水率ω=13.6%，黏聚力?=36 kPa，內摩擦角 φ=22°。

圖1 不同含石量碎石土示意圖Fig.1 Diagram of different gravel soil with different stone contents

表1 碎石土參數Table 1 Gravel soil parameters

圖2 不同含石量碎石土級配曲線Fig.2 Gradation curve of different gravel soil with different stone contents

采用的加筋材料為聚乙烯塑料雙向拉伸土工格柵，其質量為 360 g/m2，網格尺寸為 33 mm×33 mm，肋條寬3 mm，厚1 mm。按照相關標準[14]進行拉伸試驗，得到筋材的抗拉強度和延伸率特性指標如表2。

表2 筋材參數Table 2 Reinforcement parameters

1.2 試驗方法

在黏性土地基中開挖直徑1.5 m、深1.0 m的試驗坑[15]。按表3的試驗方案共進行3組13項模型試驗。對于每項試驗，分6層回填碎石土，每層填土壓實后的高度15 cm，總回填高度90 cm，筋材布設方式如圖 3。試驗模型填筑完成后，依次進行承載板試驗、PFWD試驗和灌砂試驗。灌砂試驗用以檢驗碎石土填筑的實際壓實度，承載板試驗和PFWD試驗要點描述如下：

表3 試驗方案Table 3 Test plan

圖3 筋材布設方案Fig.3 Reinforcement layout scheme

（1）承載板試驗

承載板試驗參照相關標準[16]進行，選用直徑30 cm、厚度20 mm的圓形剛性承載板；用最大壓力為50 kN的液壓千斤頂加載，配以壓力傳感器讀取分級荷載；由4只地錨和主副梁提供反力；用對稱布置的3個百分表（精度為0.01 mm）監測沉降。

采用承載板試驗測定路基反應模量時，有兩種荷載控制方法[17]，當路基較軟時用0.127 cm的沉降量控制承載板的荷載；若路基較為堅硬難以達到0.127 cm沉降量時，以0.07 MPa作為承載板的控制荷載。對于壓實后的碎石土路基，本次試驗采用后者。加載共分為 7級，每級荷載增量為 35 kPa（2.4 kN），持續15 min或達到沉降量相對穩定（相鄰兩次沉降差小于0.01 mm），讀取沉降值后施加下一級荷載，直至試驗結束。

（2）便攜式落錘彎沉儀（PFWD）試驗

往回走，經過喧鬧嘈雜的步行街，他們遇到一個賣玫瑰的男孩。玫瑰還剩下兩朵，楚墨想全買下來，男孩卻只肯賣他一朵。“我必須留一朵給我的女朋友，”男孩說，“每天我都會送她一朵玫瑰。”楚墨問：“每天都送？”男孩點點頭。楚墨說：“你可真浪漫。”男孩靦腆地笑笑。楚墨說：“可是做為過來人，我相信你堅持不了三年。”男孩說：“你說的對。她得了白血病，醫生說她最多還能活一年。”楚墨看看男孩的臉，他相信男孩沒有說謊。楚墨忙說對不起對不起他只是想開個玩笑，男孩大度地笑笑，說：“玫瑰還要嗎？”

PFWD檢測是一種能夠對路基承載能力進行快速檢測的新型檢測方法，具有檢測效率高、操作簡單、設備便攜、對場地要求低等優點，可實現現場即時測量。其原理可歸納為：將一固定重量的落錘（質量為10 kg），在某一規定的高度釋放，使其在重力作用下運動，沖擊安放在檢測層位上的載荷板而產生類似正弦波的沖擊荷載。由于受到沖擊荷載的作用，載荷板與檢測部位共同出現豎向位移，形成彎沉[18]，從而實現對結構物在施加動荷載后產生的彎沉值、動應變和動應力等參數的檢測，然后依據Boussinesq理論計算用于描述路基動力特性的動態變形模量指標——Evd。雖然路基是一種彈塑性體，其本構關系具有明顯的非線性，但由于PFWD的落錘對路基表面施加動荷載時，落錘對路基的作用時間非常短，一般情況下不超過20 ms，路基還未出現塑性變形，荷載就已經卸除，即可以認為在落錘的沖擊下路基主要產生了彈性變形，測得的變形以回彈變形為主[19]。將所得的路基動態變形模量Evd值近似當作路基動回彈模量EP值，即：

式中：p為單位壓力，MPa；a為載荷板半徑，m；μ0為泊松比，本文的碎石土取μ0=0.25；l為實測載荷板中心彎沉峰值，m；EP為路基動回彈模量，MPa。

依據相關標準[16]進行PFWD測試。試驗選取5個測點，每個點測試3次，最后每組測試結果取平均值，測點位置如圖4所示。

圖4 PFWD測點布置Fig.4 Arrangement of PFWD measurement points

2 試驗結果

2.1 壓實度測試結果分析

通過灌砂法對模型碎石土路基的壓實度進行檢測，試驗結果如表4。由表4可知，通過灌砂法檢測得到的壓實度與目標壓實度的誤差不超過 1%，說明試驗模型填筑過程中壓實度控制良好。

表4 壓實度測試結果Table 4 Compaction test results %

2.2 反應模量測試結果分析

（1）荷載與沉降（P-s）關系曲線

將各碎石土路基承載板試驗得到的荷載與沉降監測結果繪制成P-s曲線，如圖5和圖6所示。由圖5可知，填料壓實度對碎石土路基沉降的影響比含石量大，提高壓實度可以明顯減少沉降量；含石量對碎石土路基沉降也有一定程度的影響，在相同壓實度的條件下，各級荷載下碎石土路基的沉降量隨著含石量增大而減小。由圖6可知，加筋對碎石土路基沉降的影響不如填料壓實度影響大，但在相同壓實度條件下，加筋可以明顯減小碎石土路基的沉降量；且填料壓實度越低時，加筋減小沉降的效果越明顯。

圖5 含石量對碎石土路基P-s曲線的影響（n=0）Fig.5 P-s curve of different gravel soil subgrade under different stone contents (n=0)

圖6 加筋對碎石土路基P-s曲線的影響（G=75%）Fig.6 P-s curve of reinforced and unreinforced gravel soil subgrade under different compaction degrees (G=75%)

（2）反應模量的影響因素分析

根據試驗結果，按下式計算路基反應模量[17]：

式中：p為控制荷載，即0.07 MPa；s為控制荷載對應的沉降量，m；K30為地基系數，MPa/m；K為路基反應模量，MPa/m。

基于計算結果，繪制碎石土路基反應模量隨含石量及加筋層數的變化曲線（圖7和圖8）。由圖7和圖8可知，碎石土路基的反應模量隨著壓實度、含石量和加筋層數的增加而增加，但填料壓實度對碎石土路基反應模量的影響比含石量和加筋的影響更大。加筋可提高碎石土路基的反應模量，且隨著加筋層數的增加而增大；填料壓實度較低時，加筋提高碎石土路基反應模量的效果更好。

圖7 反應模量隨含石量的變化曲線（n=0）Fig.7 Curves of reaction modulus with different stone contents (n=0)

圖8 反應模量隨加筋層數的變化曲線（G=75%）Fig.8 Curves of reaction modulus with different reinforcement layers (G=75%)

2.3 動回彈模量測試結果分析

通過對碎石土路基進行PFWD試驗，并按式（1）計算動回彈模量EP。EP隨含石量和加筋層數的變化規律如圖9和圖10所示。

圖9 動回彈模量隨含石量的變化曲線（n=0）Fig.9 Curve of dynamic resilience modulus with different stone contents (n=0)

圖10 動回彈模量隨加筋層數的變化曲線（G=75%）Fig.10 Curves of dynamic resilience modulus with different reinforcement layers (G=75%)

由圖 11可知，在壓實度不變時，碎石土路基的動回彈模量隨含石量增大而提高。而且壓實度越高，增大含石量對提高碎石土路基動回彈模量作用更顯著。

圖11 反應模量與壓實度相關性曲線（n=0）Fig.11 Correlation between reaction modulus and compaction degrees (n=0)

由圖 12可知，在壓實度不變時，碎石土路基的動回彈模量隨加筋層數的增大（加筋間距的減小）而提高。壓實度90%時，n=3相較于n=0動回彈模量提高了24.8%；壓實度94%時，n=3相較于n=0動回彈模量提高了7.8%；壓實度98%時，n=3相較于n=0動回彈模量提高了3.3%。證明壓實度較低時，增大加筋層數（減小加筋間距）對提高碎石土路基動回彈模量更有效。

圖12 動回彈模量與壓實度相關性曲線（n=0）Fig.12 Correlation between dynamic resilience modulus and compaction degrees (n=0)

2.4 反應模量、動回彈模量與壓實度相關性分析

為進一步認識碎石土路基的模量與壓實度的對應關系，對所測碎石土路基反應模量、動回彈模量與壓實度進行相關性分析，得到反應模量、動回彈模量與壓實度相關程度，如圖11～14所示。反應模量、動回彈模量與壓實度之間的相關系數R2均大于0.96，即反應模量、動回彈模量與壓實度之間存在很好的正相關性。圖11和圖12顯示，在不加筋（n=0）時，反應模量、動回彈模量與壓實度擬合曲線的斜率隨含石量的增大而增大；由圖 13和圖14可知，在G=75%時，反應模量、動回彈模量與壓實度擬合曲線的斜率隨加筋層數的增大而減小。

圖13 反應模量與壓實度相關性曲線（G=75%）Fig.13 Correlation between reaction modulus and compaction degrees (G=75%)

圖14 動回彈模量與壓實度相關性曲線（G=75%）Fig.14 Correlation between dynamic resilience modulus and compaction degrees (G=75%)

3 試驗成果工程應用建議

根據試驗得到的反應模量、動回彈模量與壓實度的相關關系式，可計算得到不加筋（n=0，G=75%）和加筋（n=3，G=75%（加筋間距20 cm））碎石土路基在不同壓實度情況下對應的路基反應模量和動回彈模量值。據此，在實際工程中，可以用反應模量和動回彈模量代替壓實度來檢測和評價碎石土路基的壓實效果。結合公路路基設計規范[1]相關要求，提出如表5和表6所示的基于反應模量、動回彈模量的碎石土路基壓實效果評價方法。

表5 基于反應模量、動回彈模量的碎石土路基壓實效果評定標準（G=75%）Table 5 Evaluation criteria for compaction effect of gravel soil subgrade based on reaction modulus and dynamic resilience modulus (G=75%)

表6 基于反應模量、動回彈模量的加筋碎石土路基壓實效果評定標準（加筋間距20 cm）Table 6 Evaluation criteria for compaction effect of reinforcement gravel soil subgrade based on reaction modulus and dynamic resilience modulus (Reinforcement spacing 20 cm)

4 結 論

本文通過模擬碎石土路基的實際工況，采用承載板試驗和 PFWD試驗研究不同含石量和不同加筋情況下碎石土路基的壓實效果，基于試驗結果與分析，可得到以下結論：

（1）碎石土路基的反應模量和動回彈模量與填筑壓實度存在內在聯系和良好的一致性，可采用路基的反應模量和動回彈模量檢測評價其壓實效果。

（2）同一壓實度下碎石土路基反應模量和動回彈模量隨含石量的增加而增加，且壓實度越高，增大含石量對提高碎石土路基反應模量、動回彈模量作用更顯著。

（3）相同壓實度下碎石土路基反應模量和動回彈模量隨加筋層數的增加而增加，在較低壓實度下，加筋對提高碎石土路基反應模量、動回彈模量作用更顯著。

（4）結合公路路基設計規范，基于本次試驗成果，提出了采用反應模量和動回彈模量評定碎石土及加筋碎石土路基壓實效果的檢驗標準。