路基填料回彈模量預(yù)估方法試驗研究

陳 真

(中鐵十四局集團第三工程有限公司 山東濟南 250300)

1 引言

路基是路面結(jié)構(gòu)的支撐體[1]，在公路路基設(shè)計中，一般選用路基填料的回彈模量作為設(shè)計參數(shù)，表征填料在荷載作用下的抗變形能力[2]。但依照路基設(shè)計方法確定了路基各層位填料所需材料模量后，需根據(jù)現(xiàn)場供應(yīng)填料的回彈模量來選擇合適的填料，而施工現(xiàn)場一般很難直接得到路基填料的回彈模量，如按以往鋪設(shè)較長試驗段的方法選擇各層填料勢必會造成資源浪費，且耗時費力，因此如何快速預(yù)估路基填料回彈模量是路基填筑過程中亟待解決的關(guān)鍵問題。

諸多國內(nèi)外學(xué)者開展路基填料回彈模量與其CBR的相關(guān)性研究，并取得了一定的成果。趙明華[3]等對河南省某公路路基土回彈模量與CBR進行相關(guān)性分析，提出該地區(qū)路基土CBR與回彈模量的關(guān)系式。覃綺平[4]根據(jù)大量工程實例，對路基土回彈模量與CBR進行回歸分析，發(fā)現(xiàn)兩者相關(guān)系數(shù)較高。吳喜榮[5]以山西典型黃土為研究對象，通過室內(nèi)試驗揭示了含水率和壓實度對CBR及回彈模量的影響規(guī)律。在國外，關(guān)于路基填料CBR與回彈模量的關(guān)系也一直是研究重點。Erlingsson[6]對20種不同粒料材料進行重復(fù)荷載三軸試驗和CBR試驗，結(jié)果顯示，在已知材料CBR值的情況下，可以用一個簡單的冪函數(shù)來預(yù)測其動態(tài)回彈模量。George等[7]、Gansonre[8]等分別以波蘭黏土、紅土為研究對象，建立回彈模量預(yù)測經(jīng)驗公式，為路基設(shè)計提供參考。

綜上，國內(nèi)外學(xué)者對于各種路基土填料的CBR與回彈模量關(guān)系進行了廣泛研究，建立了各自的回歸方程。但現(xiàn)有研究大多針對某一類路基土填料，將浸水CBR值與回彈模量建立聯(lián)系。實際上，浸水CBR與動態(tài)回彈模量兩類試驗所用試件的初始濕密狀態(tài)并不一致。為快速準確確定各層位的填料類型，本文開展路基填料路用性能試驗，對填料的回彈模量與CBR相關(guān)性進行分析，建立浸水與不浸水CBR為指標的路基填料回彈模量預(yù)估方法，旨在為合理利用路基填料、進行路基填筑方案設(shè)計提供參考依據(jù)。

2 試驗填料

本文以海南國道G360公路項目為依托工程，工程沿線分布約138萬m3高液限土。高液限土具有天然含水率高、親水性強、水穩(wěn)定性差等不良工程性質(zhì)，在路基施工過程中往往達不到壓實度要求。為此，本文以水泥改良的方式來增加填料的壓實度，分別在高液限土中添加3%、4%、5%和6%的水泥。試驗土樣分別取自海南G360公路的WLTJ10標段和WLTJ11標段，兩個標段的高液限土及其他現(xiàn)場天然填料的基本物理特性指標如表1所示。

表1 土樣基本物理性質(zhì)指標

3 填料路用性能試驗

3.1 濕法擊實試驗

考慮在南方濕熱地區(qū)對路基填料采用濕法擊實試驗，其確定的最佳含水率更符合工程實際[9]，因此本文同樣采用重型濕法擊實。對于水泥改良土，先通過濕法擊實得到不同含水率梯度的素土，再加入水泥，混合均勻，水泥加入后在2 h內(nèi)完成擊實試驗。最終獲取各填料的最大干密度與最佳含水率，并探究水泥改良土的最大干密度與最佳含水率隨水泥摻量的變化規(guī)律，試驗結(jié)果見表2。

表2 濕法擊實試驗結(jié)果

續(xù)表2

由表2可知，兩個標段高液限土的最佳含水率較大，最大干密度則較小，其主要原因為海南當?shù)貧夂驖駶櫠嘤辏咭合尥廖浇Y(jié)合水含量高。與素土相比，隨著水泥摻量的增加，水泥改良高液限土的最佳含水率減小，最大干密度增大。這是因為水泥、土與水三者之間發(fā)生了復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，減弱了土體的親水性，加強了土顆粒間的聯(lián)系，水穩(wěn)定性增強，提高了高液限土的壓實度。

3.2 承載比試驗

加州承載比(CBR)是一種評定路基及路面材料抗變形能力的指標，是路基填料強度的控制指標之一。海南地區(qū)濕潤多雨，很難通過翻曬將高液限土等填料含水率降至最佳含水率附近。因此在滿足設(shè)計要求下，參照現(xiàn)場填筑施工時各填料的含水率，通過濕法重型擊實制件之后，采用承載比試驗儀分別展開浸水與不浸水CBR試驗。其中水泥改良高液限土制件時，水泥與施工含水率下的高液限土混合均勻再制件，制件完成后，需在標準養(yǎng)護室養(yǎng)7 d后再進行承載比試驗。試驗結(jié)果如表3所示。

表3 土樣CBR試驗結(jié)果

表3表明，無論是高液限土、水泥改良土還是其他現(xiàn)場填料，未浸水條件下CBR值明顯大于浸水條件下CBR值。這是由于試件在浸水4 d后，處于飽水狀態(tài)，試件是在最不利條件下進行了CBR測試。在未浸水條件下，試件的試驗條件與路基填料現(xiàn)場施工后的狀態(tài)相似，試件含水率要比浸水條件低，其CBR測試值要比浸水條件下高。

根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》，浸水條件下，兩個標段的高液限土在施工含水率狀態(tài)下CBR值均大于3%，可以直接作為下路堤填料，但不能作為上路堤和路床填料。在高液限土中摻入水泥改良后，隨著水泥含量增加，高液限土的CBR值明顯增長，且均大于8%，作為上路堤和路床填料可行。而其他現(xiàn)場供應(yīng)的填料，其CBR值均滿足設(shè)計規(guī)范要求，也可作為上路堤和路床填料。

3.3 填料動態(tài)回彈模量試驗

目前通過室內(nèi)動三軸試驗確定路基土動態(tài)回彈模量的方法已較為成熟，參考南方地區(qū)典型路面結(jié)構(gòu)下路基土的應(yīng)力和物理狀況[10-11]以及文獻[12]中的力學(xué)分析模型，提出合適的加載試驗方案，試驗加載波形見圖1。

通過室內(nèi)動三軸試驗可以得到如圖2所示的試驗結(jié)果，通過每一加載序列最后5次位移與荷載時程曲線，可計算試驗施加荷載、試件軸向可恢復(fù)變形以及動態(tài)回彈模量。

經(jīng)過統(tǒng)計分析，可以得到相關(guān)填料的回彈模量。分析表4可知，兩個標段高液限土的回彈模量較小，其上層需填筑高模量材料以提升整體剛度[13]，其他現(xiàn)場路基填料回彈模量較高。摻入少量水泥(3% ～6%)的高液限土回彈模量明顯提升，且模量隨著水泥摻量的增加而增加。結(jié)合CBR試驗結(jié)果，高液限土可以直接填筑下路堤，水泥改良高液限土和其他現(xiàn)場填料可以作為其上部填料以提升路基整體剛度。

表4 動三軸試驗結(jié)果

4 填料回彈模量與CBR相關(guān)性分析

將高液限土、水泥改良土及其他現(xiàn)場供應(yīng)填料的CBR試驗和室內(nèi)動三軸試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表5所示。分析路基填料回彈模量與CBR相關(guān)關(guān)系，分別得到各填料回彈模量與浸水CBR值、未浸水CBR值的關(guān)系曲線，如圖3、圖4所示。

表5 路基填料CBR值與回彈模量試驗結(jié)果

由圖3和圖4可知，CBR與動態(tài)回彈模量E呈正相關(guān)，該關(guān)系可用冪函數(shù)表示:

由擬合結(jié)果可知，路基填料回彈模量與CBR相關(guān)性較好，且與未浸水CBR的相關(guān)性更好。這是因為未浸水CBR試樣的物理狀態(tài)、試驗條件與室內(nèi)動三軸試驗試樣相似，且未浸水CBR試樣更符合路基填料現(xiàn)場施工后的實際情況。利用未浸水CBR值與填料回彈模量建立回歸方程，更能反映填料現(xiàn)場施工后的實際狀態(tài)。當施工現(xiàn)場試驗條件受限，無法直接獲取填料回彈模量時，可以利用未浸水CBR值，并結(jié)合式(2)來預(yù)估路基填料回彈模量。

5 工程應(yīng)用

利用本文提出的路基填料回彈模量預(yù)估方法，分別在海南國道G360公路WLTJ10標段和WLTJ11標段制定路基填筑方案，通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場承載板測試路基各層位回彈模量，與本文預(yù)估方法算出的回彈模量進行比較，從而驗證路基填料回彈模量預(yù)估方法的可行性。

由表6、表7可知，利用CBR和回彈模量相關(guān)性回歸方程預(yù)估的路基填料模量，與室內(nèi)試驗所測模量較為接近，且現(xiàn)場承載板測試的各層位回彈模量均滿足設(shè)計要求，因此可以用來進行路基填料設(shè)計。路基填料回彈模量預(yù)估方法可以用來解決施工現(xiàn)場試驗條件受限，無法準確得到填料回彈模量的問題。考慮到路基現(xiàn)場實際施工水平，填筑材料的回彈模量在理論計算時盡可能向下取整，以提高安全儲備。

表6 WLTJ10標試驗段路基填筑方案

表7 WLTJ11標試驗段路基填筑方案

6 結(jié)論

(1)高液限土進行水泥改良后，其水穩(wěn)性質(zhì)得到有效改善。隨著水泥摻量的增加，高液限土最佳含水率減小，最大干密度增大，CBR值增大，且各路基填料的不浸水CBR值明顯高于浸水CBR值，說明水泥可以有效改善高液限土的壓實性能和承載能力。

(2)高液限土回彈模量較低，摻入少量水泥后(3% ～6%)其回彈模量顯著提高，模量隨水泥摻量增加而增大，水泥改良高液限土可以用來作為路基上部填料，提升路基整體剛度。

(3)通過分析路基填料回彈模量與其浸水CBR值、未浸水CBR值的相關(guān)關(guān)系，建立了相應(yīng)的回歸方程，其中填料回彈模量與未浸水CBR值的相關(guān)性更好，并可結(jié)合式(2)來預(yù)估路基填料回彈模量。具體設(shè)計時，填料回彈模量應(yīng)當向下取整，以提高其安全儲備。