路基土和粒料回弹模量影响因素分析

赵 强

（邯郸市交通局公路工程二处，河北 邯郸 056001）

0 引言

路基土和粒料的回弹模量是影响沥青路面结构力学响应的重要参数之一。对于处于特定状态的粒料和路基土，影响其模量取值的主要因素是应力状况。道路在运营期间内时，粒料和路基土在车辆荷载反复作用下，具有很强的应力依赖非线性性质，对于不同路面类型以及不同交通等级的结构组合，不同层位处的粒料层和路基的应力状况是不相同的，所以其模量值也不会相同，因此，在粒料和路基土模量参数的测试过程中，不仅要遵循反映材料基本特性的要求，还要能够近似模拟材料的实际受力状态。但是，我国现有粒料和路基土的模量参数测试方法并不能满足这两个条件。本文通过对大量不同路基土和粒料回弹模量相关文献调研和综合比较，在充分借鉴国内外相关研究成果的基础上，结合我国实际状况，总结出路基土和粒料回弹模量的影响因素。

1 含水量对路基土和粒料回弹模量的影响

含水量对土与粒料回弹模量的影响比较复杂。土与粒料回弹模量不仅与含水量本身有关，还与材料的类型和组成等因素相关。开级配粒料孔隙大，渗水较快，含水量对其回弹模量影响很小，但对于密级配粒料，含水量对其回弹模量影响则较大，尤其是在细料含量高并接近水饱和的情况下。

通常认为，部分饱和粒料与干粒料的回弹响应接近，当接近饱和状态时，粒料的回弹相应会出现比较明显的变化。目前国内外部分学者指出，粒料在高饱和度条件下回弹模量对含水量有显著依赖性，其变化趋势随着饱和度的提高而降低。例如，Yoder和Haynes研究发现，砾石材料饱和度从97%降至70%时，回弹模量反而升高了50%。Hicks和Monismith的研究表明，当土和粒料的含水量超过最佳含水量时，回弹模量会随着含水量的增大逐渐降低。由于饱和粒料在重复加载条件下会产生超孔隙水压力，从而使材料中的有效应力降低，随后表现为材料强度与刚度的降低。综合分析认为并不是饱和度影响了材料的力学行为，而是孔隙水压的变化影响了其变形行为。Hicks指出，仅基于总应力分析时，才会得出模量随饱和度增大而降低的结论。Pappin也发现，当试验结果基于有效应力分析时，所得回弹模量几乎保持不变。但Thom和Brown认为，即使不产生孔隙水压力，也会因水对颗粒的润滑作用而使集料试件变形增大致使模量下降。对这些试验结果的另一种解释是，因水的表面张力而产生的负孔隙压力聚集在部分饱和材料的颗粒接触点附近，负孔隙水压力随含水量增加而降低，导致颗粒间接触力下降。这是因为水在这种材料的孔隙中更易保持，而均匀级配材料则允许水自由排放。Dawson等研究了一系列良好级配未处治集料后发现，当低于最佳含水量时，模量倾向于随含水量的增大而提高；超过最佳含水量后，模量则随含水量的增大而快速减小。图1为Tian等对砂岩碎石在3种含水量（最佳含水量、低于最佳含水量2%、高于最佳含水量2%）条件下的三轴试验结果，从图中可以看出高于最佳含水量（饱和度为86%）时的回弹模量最小。图2为Khoury和Musharraf对砂性路基土在不同含水量条件下的三轴试验结果，图像表明回弹模量随含水量的增加而快速下降。

图1 砂岩碎石在不同含水量时的回弹模量测试平均值

图2 砂性土回弹模量随含水量的变化

与粒料相比，黏性土的回弹模量更易受含水量的影响。已经有学者指出，黏性土的回弹模量随含水量的提高呈现出非线性减小的变化趋势。Huang以及Butalia等的研究认为，黏性土饱和试件的模量显著低于非饱和试件，这种降低可能是孔隙水压力集结的结果。Li和Qubain指出，黏性土完全饱和试件的模量约为最佳含水量条件下模量的1/2[4]。此外，压实含水量对黏性土的模量也有显著影响。有研究表明，低于最佳含水量压实的试件表现出较高的模量，超过最佳含水量后，回弹应变随含水量的增大迅速增大，从而引起回弹模量降低。

2 材料级配、细料含量、最大粒径对路基土和粒料回弹模量的影响

2.1 材料级配对路基土和粒料回弹模量的影响

在相同压实功作用下，不同级配的粒料可达到不同的密实度。密实度较高的粒料，回弹模量也相应较高。密级配粒料易于压实而达到较高的密实度，故其回弹模量要高于开级配粒料。Raad[5]等对不同级配的粒料进行水饱和、不排水重复加载三轴试验，在试件处于压实含水量时，密级配粒料的回弹模量高于开级配粒料，但水饱和后，粒料在不排水的情况下会产生超孔隙水压力，导致回弹模量降低，而开级配粒料抵抗超孔隙水压力的能力要大于密级配粒料，因而对路面产生的损害要少。且开级配粒料的排水性能优于密级配粒料，出现的超孔隙水压力小，由此引起的回弹模量降低也小。Thom和Brown研究了不同级配石灰石碎石，指出均匀级配集料仅比良好级配集料稍微强一些。Plaistow指出，当在良好级配材料中加入水时，级配的影响显著增加，因为这些材料的孔隙可以持水。同时，良好级配材料也能获得较均匀级配、材料更高的密度，因为较小的颗粒填充了较大颗粒之间的空隙。因此，Plaistow认为，级配通过控制材料体系含水量和密度，间接地影响未处治集料的回弹行为。Heydinger等比较了级配对石灰石、砾石和矿渣回弹模量的影响，其研究表明石灰石在开级配时表现出较高的模量，而砾石模量的变化趋势则不显著；对矿渣结果则相反，较密的级配倾向于获得更高的模量。Van Niekerk等调查研究了有限数量的砂、轧制碎圬工体、轧制碎混凝土的行为，结果表明良好级配较均匀级配有更高的刚度。尽管这与前文一些研究者的观点相冲突，但Van Niekerk等认为，由于在相同条件下，良好级配材料具有较大的接触面积，因而对相同变形能承受更大的偏应力，导致较高模量。

2.2 细料含量对路基土和粒料回弹模量的影响

细料含量对粒料回弹模量的影响与含水量、密实度等因素相关。国外一些学者指出，回弹模量通常随细料含量的增加而减小。Hicks发现，对部分破碎的集料，回弹模量随细料含量的增加而有所降低，但对完全破碎的集料则相反。Hicks指出，当细料含量在2%～10%范围内变化时，其对模量的影响很小。但是，Itani发现，当细料含量从0提高到10%时，回弹模量值降低约60%。以上学者研究表明，将黏粒加入轧制碎集料时，回弹模量值开始比较高，随后就开始下降，而且下降的趋势比较明显。起初模量的发展归因于孔隙的填充和接触的增加，随着加入黏粒的增多，过多的细料间隔了粗颗粒，以致力学性能仅依靠于细料，模量降低。因此，在粒料中增加细料含量便于压实，密实度的增加有利于回弹模量的提高。

2.3 最大粒径对路基土和粒料回弹模量的影响

对具有相同细料含量和类似粒径分布的粒料，回弹模量随最大粒径的增大而提高。按照Kolisoja对这种现象的解释，作用于粒料的荷载主要部分是由颗粒序列传递的，当荷载通过较粗的颗粒传递，较小数目的颗粒接触导致更少的总变形及更高的回弹模量。

3 材料类型与颗粒形状对路基土和粒料回弹模量的影响

Heydinger等人的研究指出，砾石比石灰石碎石有更高的模量。此外，许多学者指出，具有棱角形及次棱角形的轧制碎集料比圆形及接近圆形的未破碎砾石具有更好的荷载传递能力和较高的回弹模量。Barksdale和Itani调查研究了几种类型的集料，观察到粗糙的、有角的破碎集料比圆形的砾石，在低平均正应力条件下的回弹模量约高50%，在高平均正应力条件下的回弹模量则约高25%。

4 结语

与国外相比，国内在路基土与粒料动态回弹模量方面的研究还比较薄弱。但是，由于自然环境、路面结构、材料属性等诸多方面的差异，我国不可能全面、直接地应用国外相关成果，而应当在充分借鉴的同时，结合国内实际情况，对路基土与粒料动态回弹模量进行深入研究，找出适合我国国情的路基土和粒料的回弹模量影响因素，为我国沥青路面设计提供合理的参数。

[1] 查旭东.基于同伦方法的路面模量反算的研究[D].西安：长安大学，2001.

[2] Hicks R G,Monismith C L.Factors Influencing the Resilient Properties of Granular Materials[J].Highway Research,1971(34):15-31.

[3] Hornych P,Kazai A,Piau,J M.Study of the Resilient Behavior of Unbound Granular Materials[C]//R S Nordal,G Rafsdal.Proceedings of the 5th International Conference on the Bearing Capacity of Roads and Airfields.Illinois:University of Illinois Press,1998:1277-1287.

[4] Li D,Selig E T.Resilient Modulus for Fine-Grained Subgrade Soil[J].Journal of Geotechnical Engineering,1994,120(6):939-957.

[5]张博，苏跃宏.瑞利波检测土基模量的一些试验研究[J].山西建筑，2006，32（4）： 103-112.