含水率對路基土動態(tài)回彈模量影響分析

樊澤 歐陽衛(wèi)鋒

（新疆交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

路基動態(tài)回彈模量是公路路基設(shè)計中的一個重要指標(biāo)，表征為路基材料在承受汽車荷載作用時抵抗變形的能力。設(shè)計及施工過程中，通過擊實試驗可以測定土的最佳含水率和最大干密度。在最佳含水率條件下，路基土填料容易壓實成型，通過控制壓實度指標(biāo)保證路基填筑密實。相關(guān)研究表明，在道路運營期間，由于雨水的滲入及地下水的影響，路基土不同季節(jié)的平衡含水率變化幅度較大，不利季節(jié)平衡含水量較一般土體塑性增加20%～30%[1]。

采用小承載板法可以測定最佳含水率條件下的靜態(tài)回彈模量，靜態(tài)模量反映側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)下材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。現(xiàn)行規(guī)范路基以路床頂面的動態(tài)回彈模量為設(shè)計指標(biāo)，根據(jù)干濕及凍融條件對標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下路基回彈模量折減，并給出了不同土質(zhì)的濕度折減系數(shù)，但不能較好反映特殊性巖土在不同含水率狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

1 試驗加載方案

紅黏土的主要特點是天然含水率高，液限高，塑性指數(shù)高，孔隙比大，水穩(wěn)定性差，干燥狀態(tài)下具有較好的結(jié)構(gòu)性。通過重復(fù)加載三軸測定不同含水率條件下的回彈模量，有助于定量分析含水率對回彈模量的影響規(guī)律。

本文以某地區(qū)的紅黏土為研究對象，通過擊實試驗、比重試驗、液塑限試驗等確定了土的工程分類和基本物理力學(xué)性能參數(shù)，綜合判定為高液限粉土，其最佳含水率為23%，最大干密度為1.582g/cm-3。本文基于93%的壓實度測定條件，測試不同含水率對路基土回彈模量的影響。

瀝青路面的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析采用雙圓均布荷載作用下連續(xù)彈性層狀體系力學(xué)分析模型。考慮路面行車荷載、路基路面結(jié)構(gòu)層自重作用，合理確定路床典型位置的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力大小，結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者的研究成果及相關(guān)規(guī)范[2]，試驗方案圍壓分別為10kPa、20kPa、30kPa、40kPa；偏應(yīng)力分別為10kPa、20kPa、30kPa、40kPa。不同的應(yīng)力狀態(tài)下加載次數(shù)均為150次，取最后5次（146次、147次、148次、148次、150次）應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系比值的平均值作為該應(yīng)力級位下的回彈模量。

2 試驗結(jié)果與分析

該次研究測定紅黏土的最佳含水率為23%，試驗方案在最佳含水率兩側(cè)擬定了3種不同含水率，分別為21%、23%、25%，試驗測定了不同圍壓和偏應(yīng)力狀態(tài)時含水率對路基土回彈模量的影響規(guī)律。不同含水率條件下的回彈模量試驗結(jié)果如表1所示。

表1 不同含水率條件下的回彈模量試驗結(jié)果

對比研究發(fā)現(xiàn)，紅黏土在93%的壓實度條件時，在不同的圍壓和偏應(yīng)力狀況下，含水率由21%增加到23%時，動態(tài)回彈模量值下降15MPa～35MPa，回彈模量降低為原來的75%～91%，下降幅度為9%～15%；當(dāng)含水率由21%增加至25%時，回彈模量下降26MPa～49MPa，回彈模量降低為原來的64%～85%，下降幅度15%～36%。含水率的增加導(dǎo)致回彈模量大幅度折減。

在各級圍壓和偏應(yīng)力條件下，路基紅黏土動態(tài)回彈模量隨含水率的變化規(guī)律表明，在含水率低于最佳含水率時，動態(tài)回彈模量整體偏大。含水率在最佳含水率附近由低到高增加時，動態(tài)回彈模量均不斷地減小，路基承載能力不斷降低。

圖1 不同含水率條件下回彈模量的變化規(guī)律示意圖

相關(guān)研究成果表明[5]，部分材料在最佳含水率左側(cè)時，回彈模量隨著含水率的增加而不斷增加；當(dāng)含水率超過最佳含水率時，動態(tài)回彈模量則隨著含水率的增加而不斷減少。究其原因可能是所選取的含水率區(qū)間范圍比較大，當(dāng)含水率較低時，因土顆粒摩擦強度大導(dǎo)致試件難以碾壓密實，在水的增大過程中表現(xiàn)為顆粒間的潤滑作用。紅黏土作為路基填料時，含水率通常較高，摩擦潤滑作用表現(xiàn)不明顯。該研究在最佳含水率左側(cè)選取了一個21%的含水率，不同應(yīng)力狀態(tài)下的回彈模量試驗結(jié)果全部高于最佳含水率時的回彈模量，對于研究分析紅黏土最佳含水率附近動態(tài)回彈模量的變化規(guī)律具有重要指導(dǎo)意義。大范圍不同含水率分布區(qū)間下的回彈模量變化規(guī)律有待進一步研究。

3 結(jié)束語

綜上所述，紅黏土材料動態(tài)回彈模量隨著含水率的變化而產(chǎn)生較大的變化。在最佳含水率附近，在相同圍壓、偏應(yīng)力狀態(tài)下，路基土材料隨著含水率的增大，其動態(tài)回彈模量顯著減小。模量折減原因可解釋如下：隨著含水率的增加，土顆粒之間的摩擦強度變小。因為水的潤滑作用，從而使紅黏土變形增加，模量降低。

路基施工中如果含水率低于最佳含水率，將難以壓實成型，壓路機需要更大的壓實功率才能達到壓實標(biāo)準(zhǔn)。道路運營過程中，不利季節(jié)的平衡含水率大于最佳含水率時，路基土的回彈模量就會折減，承載能力降低，路面軸載作用下的沉降變形變大。如果不能重復(fù)考慮路基土動態(tài)回彈模量的折減問題，可能導(dǎo)致不利工況下路基的承載力不足，從而造成路基的早期破壞。

在最佳含水率附近，動態(tài)回彈模量隨著含水率的減小而增加。在93%的壓實度下，當(dāng)含水率自21%增加到23%時，回彈模量折減至原值的75%～91%；當(dāng)含水率自21%增加到25%時，回彈模量折減至原值的64%～85%。含水率的變化對路基紅黏土回彈模量的影響較大。

隨著含水率的增加，土顆粒間的摩擦阻力變小。水起到潤滑作用，從而使其抗變形能力減小，回彈模量降低。

運營的不利季節(jié)期間，當(dāng)平衡含水率大于最佳含水率時，路基的回彈模量小于設(shè)計狀態(tài)下的回彈模量，設(shè)計過程中應(yīng)充分考慮動模量的折減，避免因路基承載力的降低造成路基的早期破壞。