路基处治土回弹模量预估

夏 宁,黄琴龙

（同济大学道路与机场工程系,上海 200092）

路基是路面结构的支撑体,行车荷载通过路面结构传递至路基,路基的应力应变特性对于道路结构的强度和刚度起着重要的作用。在我国现行的沥青路面设计规范中,路基的回弹模量作为表征路基应力应变特性的力学参数指标,它反映路基的抗变形能力,其取值直接影响到路面的设计厚度。

国内外学者对各种工况下路基土的回弹模量进行了大量研究[1-8],结果表明:湿度、压实度、土质类型等是影响路基土回弹模量的重要因素。但是对于路基处治土的回弹模量研究却较少,尤其是关于路基处治土回弹模量预估方面的研究。

本文通过室内试验,对长江口细砂-水泥（简称水泥砂）这种路基处治土的基本力学性能进行研究;基于试验数据,建立了水泥砂的回弹模量与压实度、水泥含量的预估方程,并通过试验进行验证。

1 试验

1.1 试验材料

试验依托长江公路通道工程（上海段）,该工程是在长江口一条完整的上海经崇明至江苏的越江通道。该工程考虑崇明岛土源匮乏,而工程靠近海边,离码头不远,运输便捷,结合细砂具有水稳性好、沉降均匀,施工时受水和不利季节的影响小等特点,采用长江口细砂作为路堤填料。

长江口细砂组成主要集中在砂类土中的细砂组,即粒径大于0.074 mm颗粒含量多于总质量的75%[9],其主要物理力学性质参数如表1。

表1 路基土物理力学性质参数

1.2 试验方案

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTJ 057-94）[10]中所述回弹模量室内试验方法进行试验,试验方案简要步骤如下。

1.2.1 试件制备

根据高速公路要求的压实标准（如表2）,试验中试件压实度分别取96%,98%,100%;试件的水泥含量（占试件总质量的比重）以及设计含水量如表3所示,含水量为最佳含水量附近所取;试件成型方式采用静压成型,这样方便于控制试件的压实度。

表2 高速公路压实标准

表3 设计含水量

1.2.2 养生

养生时间是需要而定,作为工地控制,通常都只取7 d,整个养生期间的温度,在北方地区应保持20℃±2℃,在南方地区应保持25℃±2℃。试验中取7 d和28 d两种养生试件。将试件在养生的最后一天浸润在常温水中后再取出试验。

1.2.3 逐级反复加卸载

本实验中选用0.2 MPa为加载板上的计算单位压力的选定值,以此算得试验施加荷载为1.5 kN。将施加荷载分成5个等分,作为每次施加的压力值。实际施加的荷载应较预定级数增加一级。施加第1级荷载,待荷载作用达1 min时,记录仪器电子显示屏上的压力和位移读数,同时卸去荷载,让试件的弹性形变恢复。待卸载完成后,稳定30 sec记录仪器电子显示屏上的压力和位移读数。按照上述过程反复加卸载5级,最后将数据进行整理。

2 试验结果与分析

通过试验结果,具体从水泥含量、龄期和压实度三个方面分析对水泥砂的回弹模量影响,并建立回弹模量与水泥含量、压实度的预估方程。

2.1 处治土回弹模量和水泥含量及龄期之间的关系

水泥砂试件在不同水泥含量、龄期下的回弹模量测试结果（96%压实度）如图1所示。由图所示,水泥砂试件的回弹模量随着龄期、水泥含量的增大而增大,龄期、水泥含量对回弹模量有着重要的影响。水泥含量在4%～6%时,无论是7 d龄期还是28 d龄期下的回弹模量,都在一个小范围内波动,相差不大;在水泥含量显著上升,达到15%甚至25%时,回弹模量就有了显著的增加。这就说明随着水泥含量的增加,回弹模量是不断增加的,但是在水泥含量并不高的情况下,随着水泥含量的增加回弹模量的增幅并不大,当水泥含量达到较高水平时,即对回弹模量产生显著的影响。

同时,由两种龄期下的回弹模量强度可以看出,龄期也是影响回弹模量的重要因素。水泥在不同龄期下的强度是不同的,这就影响水泥砂的强度。28 d的回弹模量要显著大于7 d的。

经回归分析,水泥砂回弹模量Mr（MPa）与水泥含量x（%）之间存在着指数关系,拟合出如下方程:

用以上两式预估Mr值,其预估值与实测值偏差5%,3%。

2.2 回弹模量和压实度之间的关系

试验中取4%与5%水泥含量的28 d龄期的水泥砂试验结果来说明压实度对回弹模量的影响,并建立其相应水泥含量下的回弹模量值预估方程。28 d龄期下4%与5%水泥含量的回弹模量试验结果如图2所示。

图1 水泥含量与回弹模量关系图

由图2可以看出:随着压实度、水泥含量的增加,回弹模量也显著增加,在压实度达到100%时,回弹模量达到最大;无论水泥含量多少,压实度y（%）与回弹模量Mr（MPa）存在指数关系。

经回归分析,水泥砂回弹模量Mr（MPa）与压实度y（%）之间存在着指数关系,拟合出如下方程:

用以上两式预估Mr值,其预估值与实测值偏差5%,5%。

4 结论

本文通过试验,研究了水泥砂这种路基处治土回弹模量的变化规律,发现回弹模量与水泥含量、压实度成指数关系,并建立预估模型。通过室内试验验证,预估模型具有较高的准确度。但由于室内试验条件限制以及室内与现场的差异性,预估模型存在一定问题,需要再进一步通过大量室内试验以及现场检测修正模型。

图2 压实度与回弹模量关系图

[1]凌建明,陈声凯,曹长伟.路基土回弹模量影响因素分析[J].建筑材料学报,2007,10（4）:446-451.

[2]姚祖康.道路路基路面工程[M].上海:同济大学出版社,2001.

[3]保卫国.路基土吸力对其回弹模量的影响研究[J].民航科技,2001,88（6）:63-66.

[4]谢华昌,凌建明.湿度和吸力对处治土路基回弹模量的影响[J].中国公路学报,2001,14（9）:19-21.

[5]RAO S.Analysis of in-situ moisture content data for Arkansas subgrades[D].Arkansas:University of Arkansas,1997.

[6]KSAIBATI A F.Effect ofMoisture on the Modulus Values of Base and Subgrade Materials[C/CD].79thAnnual Meeting of Transportation Research Board,2000.

[7]ANDREW G H.Evaluation Of Seasonal Effects On Subgrade Soils[C/CD].82nd Annual Meeting of Transportation Research Board,2003.

[8]PHILLIP S K.OOI A.Ricardo Archilla,KealohiG.Sandefur.ResilientModulusModels for Compacted Cohesive Soils[C/CD].83rd AnnualMeeting of Transportation Research Board,2004.

[9]张海霞,凌建明,蒋鑫,等.长江口细砂路用性能的试验研究[J].公路工程,2008,33（3）:142-146.

[10]JTJ 057-94,公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].