影响路基回弹模量的因素分析

2015-10-31郭桂林

中国科技纵横 2015年14期

关键词：土基土质模量

郭桂林

（河南省濮阳市公路勘察设计院，河南濮阳 457000）

影响路基回弹模量的因素分析

郭桂林

（河南省濮阳市公路勘察设计院，河南濮阳 457000）

土基是公路的基础，其质量的高低直接影响到公路的整体，土基回弹模量是反映路基承载力的主要力学参数，它的影响因素较多。本文通过压实度、含水量、土质类型对土基回弹模量影响的大量试验数据，回归出了土基回弹模量与含水量、压实度、土质类型间的相关性。并与其它经验公式进行比较，得出土基回弹模量与它们之间的关系公式。研究成果，对提高土基施工质量有重要意义。

压实度含水量土质类型土基回弹模量

路基回弹模量是反映路基承载能力的主要力学参数，土基回弹模量的较小变化会对路面结构厚度（尤其是沥青路面）产生较大影响，许多路面设计指标和路面性能也都受到土基状态的影响，合理的评价和选用土基回弹模型显得尤为重要。影响路基回弹模量的因素有多种，主要包括土质类型、压实度和含水量三个方面。土质类型主要包括颗粒组成和液塑限两个指标，任何一个因素变化都会影响路基回弹模量。

本章主要从压实度、含水量、颗粒组和液塑限四方面研究对回弹模量的影响，采用PFWD（便携式落锤弯沉仪）将路基设计参数回弹模量与施工控制指标压实度有机联系起来，并得出一定土质类型情况下压实度、含水量与回弹模量的经验公式，从而确定回弹模量的合理取值方法。

1　压实度

路基的压实度是路基施工中极其重要的环节，也是提高路基强度和稳定性的根本措施。路基回弹模量在土质类型和含水量一定的情况下，主要受压实度影响，压实度越大，路基承载力越大，强度越高，回弹模量越大。反之，压实度越小，路基承载力越小，强度越低，回弹模量越小。

本文通过在室内制作同一含水量不同压实度试件研究压实度与回弹模量的定量关系。具体过程为:在土质类型选定后，以一定的含水量拌土，制定不同压实度的试件，测得回弹模量变化的情况。试件的制备按《公路土工试验规程》（JTGE40-2007）制件，试件成型后用室内承载板测定试件的回弹模量值。通过具体试验结果得出，随着压实度的降低，回弹模量减少，压实度降低越大，模量减少越快；得出了压实度K与回弹模量Eb之间的直线模型关系:

其中回归系数b的大小与土质颗粒组成有关，粗颗粒组含量越多，系数b越大，直线的斜率越大，模量随压实度增加的越快。

2　含水量

2.1含水量与回弹模量的关系

在土质类型与压实度不变的情况下，含水量是影响回弹模量的另一重要因素。含水量很少时候回弹模量随含水量的增加而增加，当含水量超过某一值时，回弹模量随含水量的增加而减小，土质的最佳含水量即在这一值的附近。不同土质存在不同的最佳含水量值，其回弹模量与含水量的关系也各有不同。回弹模量与含水量之间存在的关系如下:

其中a为土质类型的最大回弹模量；c为回弹模量对应的最佳含水量；b为反映回弹模量随含水量变化敏感程度的系数，b值越大，回弹模量随含水量的变化越明显，含水量越小，回弹模量随含水量的变化越缓慢。

2.2浸水前后回弹模量的变化

当试件按一定的压实度和含水量制成后，用PFWD测定浸水前回弹模量值，按《土工试验规程》（JTGE40-2007）所规定的方法将试件浸水4d，再用PFWD测浸水后回弹模量值。对同一压实度不同含水量的试件，不用的土质浸水前后回弹模量值的变化不同，级配良好的土浸水后回弹模量减少的小。含水量越大回弹模量减少越小，含水量越小膨胀量越大。虽然含水量低于最佳含水量的压实土样在浸水饱和前的强度很高，但浸水饱和后的强度却大大降低，含水量越小的土样，强度降低的幅度越大，即强度稳定性越差。而在最佳含水量时被压实的土样，浸水饱和后的强度较高，浸水前后的强度差异不大，水稳性最好。这也是工程中总是要求在最佳含水量状态下压实的原因。

对于同一含水量不同压实度试件，浸水后压实度越大回弹模量减少的越小，其值减少50%-70%压实度与膨胀量大致呈抛物线关系变化，即压实度小于90%时，膨胀量随压实度的增加而增加。当压实度大于90%时，膨胀量随压实度的增加而减小，现场路基施工中要求压实度必须大于90%，有其强度方面的考虑，同时也注意了路基浸水后水稳定性的问题。压实土的膨胀量除了与土质有关外，很大程度上与初始含水量有关，压实含水量低于最佳含水量时压实的土与略高于最佳含水量时的土相比，有较大的膨胀量。因此从水稳定性的角度看，压实时采用接近或略大于最佳含水量的含水量值，吸水量与膨胀量最小，最为稳定。

现场施工中，含水量是影响路基压实的关键因素之一，用一定的压实机械，碾压不同路基填料使之达到一定的压实度，合适的含水量波动具有一定的范围，这个范围习惯上称为控制含水量。至今，国内规范都以击实试验确定的最佳含水量为基准，执行“+2，-3”的标准。这种标准有道理但是缺乏理论依据。对于粗粒土类型（如砂性土和塑性指数低的砂砾土、碎石土），在施工碾压时，填料对含水量的影响不敏感，在投入使用后水的浸入不会使土体发生明显膨胀。含水量减少，土体也不会明显收缩，可以放宽对含水量的控制。对于细粒土（黏性土）水的浸入使土体含水量增加，体积发生明显膨胀，含水量变小，体积发生明显收缩，引起土体开裂，使路基承载力下降。因此，在道路使用期间，可能浸水的情况下，应选择略大于最佳含水量的含水量进行压实。

室内试验可以很好的控制压实度和含水量，从而可以分析单一因素对回弹模量的影响，而现场检测的回弹模量受综合因素的影响。

现场检测时，不能按要求控制路基的压实度与含水量，且填筑的土层变化大，所以路基回弹模量的检测结果是在综合因素作用下的结果。回弹模量与压实度和含水量之间存在如下关系:

其中:a1、a2、a3、a4为回归系数；K为压实度；w为含水量。

3　颗粒组成

土骨架由土粒组成，土粒的大小很不均匀，不同粒径的土粒在土中的相对含量是决定土的工程性质的重要指标之一。对土的颗粒组成进行划分，一定的颗粒变化范围称为一个粒组。粒组的划分反映土随粒径的变化、工程性质由量变到质变的规律。道路工程中将土粒按粒径划分为三大组:巨粒组、粗粒组和细粒组。粒径划分点为60mm和0.074mm，每一粒组又可分为若干小组。天然土是各种不同大小土粒的混合体，不同粒组在土中的相对含量决定着土的工程性质。这种相对含量用各粒组的质量所占土体总质量的百分比表示，即为土的级配。

土质颗粒组成影响回弹模量值，若土质颗粒级配良好，不均匀系数与曲率系数均符合要求，则回弹模量值随压实度的增加稳步上升；若土质颗粒级配不好，回弹模量值总体趋势也是随压实度的增加而增加。颗粒组成对回弹模量的影响与现场含水量有关，对应粗粒土，大小颗粒互相嵌挤，压实后的状态受水的影响较小，稳定性好，不易发生明显的收缩膨胀。而对于细粒土，遇水后膨胀较大，不易在含水量小的情况下压实。

4　液塑限

液限和塑限在国际上称为“阿太堡界限”，是粘性土的重要土性指标。土体从流体性状态向塑性状态的过渡的界限称为液限，液限能较好的反映土土的压缩性、膨胀性和收缩性等。塑性是土体由塑性体状态向脆性固体状态过渡的界限含水量。而塑性指数是指处于塑性状态的含水量变化范围，既是液限与塑限至差值。

对于粗粒土，液塑限对回弹模量的影响不大。因为液塑限取土颗粒粒径为0.5mm以下的土，对应粗颗粒0.5mm不具代表性，得到的液塑限值只是表明在该土质类型中0.5mm以下土的性质，粗粒土颗粒通过接触点直接接触，粒间出重力或者有时具有有一定的毛细压力之外，其他粘结力十分微弱，回弹模量主要受压实度的影响。对于细粒土，液塑限对回弹模量的影响很大。细粒土颗粒由于微细颗粒特别是黏土颗粒之间存在着重力以外的分子引力和静电力的作用，使颗粒之间相互黏结而显黏性。静电引起结合水膜，颗粒之间常常不再是直接接触而是通过结合水膜相黏结，使这类土具有可塑性。高液限和高塑性指数的土质，由于土中黏土矿物的影响，当路基含水量增大时产生膨胀，路基回弹模量减少，承载力下降。