土石混合路基填料动回弹模量试验研究

石章入，曾亚武，刘芙蓉

(武汉大学 土木建筑工程学院， 湖北 武汉 430072)

学界将具有一定工程尺度、由强度较高的块石与细粒土体混合而成构成的不均匀松散岩土介质称之为土石混合体(Soil-Rock mixture,简称SRM)，该介质是具有一定含石量(Rock Block Proportion，简称RBP)和孔隙的三相材料[1]。通常情况下，按照粒径大小区分土石界限，将粒径大于5 mm的称为“石” ，其余则被称为“土”。

近年来，国内外众多学者对土石混合料进行了一系列室内外试验研究和数值实验研究，包括其物理力学性质、破坏机理以及渗透特性等方面。廖秋林等[2]分析土石混合体重塑样品的压密特性与机制，认为土石混合体的压密主要是土体的压密，但块石影响其压密效果。董云[3]对土石混合料进行改进的直剪试验，研究不同含石量、不同含水率、不同岩性及最大粒径对土石混合体直剪强度的影响。金磊等[4]基于其开发的不规则颗粒离散元对土石混合体的大三轴试验进行了数值模拟，深入分析了含石量对土石混合体力学特性影响的细观机理。丁秀丽等[5]采用有限元对土石混合体随机模型进行了双轴数值试验模拟，分析了土石界面摩擦、含石量和饱和度等因素对土石混合体力学特性的影响。土石混合料宏微观结构以及物理力学特性的研究结果表明，随着含石量的增加，土石混合体由“多土型”的密实—悬浮结构(石悬浮于土中)，转化为“中间型”的骨架— 密实结构，最后转化为“多石型”的骨架—空隙结构状态。在此变化过程中从量变(含石量的增加)到质变(组成结构)，导致不同含石量的土石混合料物理力学性质也发生变化[2，6]。低含石量时的密实—悬浮结构状态下，土石混合料的工程性质取决于土的工程性质；而高含石量时，土石混合料的工程性质则主要受粗颗粒控制。

作为路基路面材料，土石混合体的路用性能受到人们普遍关注。动回弹模量是路基土力学特性的主要参数。不同学者针对其影响因素进行了众多的研究，并且给出了相应的土石混填路基回弹模量预估模型。孙雅珍等[7]分析含水率对宕渣土石混合料回弹模量的影响，发现含水率与宕渣土石混合料回弹模量呈二次抛物线关系。郝孟辉等[8]研究认为，动态回弹模量与压实度之间存在很好的相关性，表明用动回弹模量控制压实质量具有可行性。截至目前，国内外关于土石混合路基填料的动态回弹模量试验研究的成果还比较少见，对于土石混合料动态回弹模量的影响因素及其机制认识尚不够深入，因此有必要开展系统的试验研究。

本文将通过土石混合路基填料的循环动载三轴试验，测定不同含石量、不同岩性的粗粒料、不同含水状态的土石混合料试样在不同应力水平下的动回弹模量，研究它们对动回弹模量的影响，得出动回弹模量随着应力水平、含石量变化而变化的规律，同时研究粗粒料岩性及土石混合料含水状态对其动回弹模量的影响。

1 路基土动回弹模量试验研究

测定路基土回弹模量的试验方法很多，包括原位载荷板加载试验、CBR试验以及室内动三轴试验等，基于不同试验材料本身的特质，实验结果往往有差别。普遍认为动回弹模量数值受到应力水平、含水率、压实度的影响。现有研究结果表明，粗粒土的动回弹模量值(Mr)随着围压(σc)增大而增大，随着偏应力峰值(σd)的幅值增加而增大，且围压对Mr的影响显著而偏应力峰值水平对Mr的影响不明显[9-10]。褚福永等[11]在σc为200 kPa、500 kPa、800 kPa、1 200 kPa下对粗粒土进行三轴固结不排水剪切试验，得出三种粗粒料的回弹模量在不同围压下均随着应力比(σd/σc)呈驼峰状曲线，且在应力比为0.7左右达到最大值。Rahim A M等[12]采用美国国家公路与运输协会标准(AASHTO)试验方法对路基土进行动三轴试验，在围压为41 kPa、28 kPa以及14 kPa下，发现粗粒(Coarse-grained)土样的动回弹模量值(Mr)随着围压增大而增大，随着偏应力变化规律不明显，有随着偏应力峰值水平增加而减小的，也有随着偏应力峰值水平增加近似水平变化的；细粒(fine-grained)土样试验结果表明，Mr随着围压增大而增大，随着偏应力峰值增加而减小。由此可见，路基材料本身的特性不同以及应力水平不同，Mr值随着应力水平的变化呈现出不同的变化规律。一般来说，路基填料动回弹模量随着围压的增加而增大的变化规律是一致的，而随着偏应力增大而变化的规律则并不一致，与应力水平和填料本身特性有关。

除了应力水平的影响，路基土回弹模量随着压实度的提高会有显著提高，且随着基质吸力的提高而提高，在压实度较高的情况下，基质吸力对其影响更加显著。

2 土石混合路基填料动三轴试验

2.1 试验材料

根据对土石混合体结构特性的研究，本文采用文献[6]针对不同含石量土石混合体的划分，将土石混合体划分为多土型、中间型和多石型，详见表1。

表1 基于含石量的土石混合体分类

研究表明，在低含石量的情况下，土石混合体的工程性质取决于“土”的工程性质，而在高含石量情况下，“土”与“石”的相互作用机理以及粗粒料的工程性质则至关重要。因此，本文选用具有代表性的30%、55%以及70%含石量的混合粒料来研究含石量变化对动回弹模量的影响。

不同含石量下土石混合料的级配见图1。

试验材料中，粗骨料采用两种典型路基粗骨料，花岗片麻岩和石灰岩，细骨料为砂土。其中花岗片麻岩为块状居多，有晶斑，呈灰白色；石灰岩则片状居多，棱角分明且微风化。由此可以比较两种不同粗粒料岩性对路基土动回弹模量的影响。

图1三种含石量的试样级配曲线

按照《铁路路基设计规范》[13](TB 10001—2005)对路基填筑材料的划分，本文试验材料可划分为级配砂砾石一类，且由于级配不良好，可作为B类填料。对砾石类、碎石类路基填筑材料的压实标准应采用地基系数和孔隙率作为控制指标。当填筑材料为级配砂砾石，基床底层和基床填筑的压实标准分别为孔隙率n<28%和n<31%。本文选取代表性的初始孔隙率n=26%，并且通过对装样质量进行控制保证压实度在98%～102%之间，保证试样初始孔隙率不超过28%。通过控制初始孔隙率指标，减少试验变量，对比相同初始孔隙率下不同含石量情况动回弹模量，分析含石量变化对土石混填路基在相同应力水平和含水率等变量下的动回弹模量变化规律。

一般而言，无黏性路基材料动回弹模量随着含水率增加而减小。本文简化对含水率的研究，对比烘干状态和饱和状态材料的动回弹模量变化，分析无黏性材料在承载过程中水的作用机理，三轴试验过程为不排水动载试验，模拟土石混合路基填料在排水状况不良情况下，路基在循环动荷载作用下的动力特性。

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综上，为方便表述，本文中试验材料以含石量、粗骨料类型和含水状态来表示，如30%含石量花岗岩(Granite)饱和(Saturated)试样记为30%GS样，70%含石量石灰岩(Limestone)烘干(Drying，Unsaturated)试样记为70%LU样，依次类推。本文试验共有12组试样，依上述表示方法进行表述，分别记为：30%GU、55%GU、70%GU、30%GS、55%GS、70%GS、30%LU、55%LU、70%LU、30%LS、55%LS、70%LS。每组试样不少于3个平行样，每组平行样之间测定回弹模量数值误差应≤5%。

2.2 试样制备与动三轴试验方案

国际上广泛采用三轴循环动荷载试验测定动回弹模量。本文参照美国国家公路与运输协会标准路基土和混合集料试验方法(AASHTO：T307—99(2012))，并根据试验材料特性制定试验方案。试验仪器设备采用GCTS土动三轴试验仪。试验过程中采用水压进行围压加载，采用油压进行轴压加卸载。标准试样尺寸为：直径D=100 mm，高度H=200 mm。试样最大粒径dmax≤20 mm，满足D/dmax≥5的要求，可以避免边界效应的影响。

试样经振捣压实成型，装样后向压力室中注满水。通过程序施加围压和轴向偏应力，对于本文中的饱和试样，通过试验程序控制孔隙水压力，保证所施加的有效围压和轴向偏应力与烘干试样一致。

对于土石混合料试样，首先在固定的103.4 kPa 围压下，以103.4 kPa的偏应力施加500～1 000次重复荷载完成预处理程序。其主要目的是进行动回弹模量试验前，减小仪器与土样之间的接触不良现象，以提高试验精度和减小试验结果的变异性。试件加载预压时，如果竖向永久应变(即塑性应变)达到5%，则停止预压。循环荷载采用应力控制的方式施加，循环荷载波形为半正矢弦波，循环荷载持时0.1 s，循环荷载间歇时间为0.9 s，荷载的频率为1 Hz,荷载间歇阶段偏应力为0.1σd。每一级加载序列循环荷载加载次数为100次，试验加载序列如表2所示。对每一个试样的每一个加载序列，取最后5次回弹变形的平均值，按式(1)计算各应力状态下，循环荷载作用后土样的动回弹模量。

表2 土石混合料动三轴试验加载序列

(1)

式中：Mr为动回弹模量；σd为重复偏应力峰值：σd=σ1-σ3，σ1为最大主应力，σ3为最小主应力，分别对应于试验中的竖向应力和围压应力；εr为偏应力峰值对应的轴向回弹应变，取相应动载序列下最后5次循环加卸载的平均值。

3 试验结果分析

3.1 围压和循环偏应力对回填模量的影响

将各级围压(20.7 kPa、34.5 kPa、68.9 kPa、103.4 kPa以及137.9 kPa)及不同偏应力峰值下循环荷载作用所得动回弹模量Mr值用折线段连接起来，所得动回弹模量与应力水平关系的典型曲线如图2所示。

图2 55%GU试样动回弹模量与应力水平关系

由图2可以看出，随着围压的增加，试样的动回弹模量明显增加，这一变化规律与已有的研究成果是一致的。而在围压一定时，试样的动回弹模量随偏应力峰值增大而变化的规律不是一定的，与围压大小有关，甚至与粗骨料岩性、含水状态等有关。

在加载后期，也就是围压和偏应力峰值都比较高的情况下，土石混合体更加密实。颗粒集合体受剪切作用，块石之间充分咬合、嵌挤；颗粒之间相互摩擦、扭转，并且在此过程中部分颗粒发生磨损。故而在围压和偏应力峰值都比较高的时候，动回弹模量随着偏应力变化的规律与低围压情况下不同。

3.2 含石量对动回弹模量的影响

含石量对动回弹模量的影响见表3、表4。由表3、表4可知，无论含石量多少，随着围压的增大，试样动回弹模量值均有了明显的增大，这与已有的研究成果是一致的。实际上，随着围压的增大，周围压力限制了土石混合料在循环荷载作用下的侧向变形，因而动回弹模量值在相同循环偏应力作用下会有所增加。不同含石量的试样动回弹模量随着循环偏应力峰值的增加而变化的规律也大致相同，即在低围压和低循环偏应力作用下，试样的动回弹模量值随着循环偏应力增加，多数呈现减小趋势；而在高围压和高循环偏应力作用下，试样的动回弹模量值随着循环偏应力峰值增加近似不变或者略有增加趋势。

表3 花岗岩试样下动回弹模量

由表3、表4还可以看到，不同岩性的粗骨料和不同含水状态下的土石混合料，在应力状态一定时，其动回弹模量值随着含石量的增加大致是增大的，这种规律在高围压下尤其明显。而在低围压和低偏应力峰值情况下，不同含石量的试样动回弹模量值则相差不大。分析认为，较低应力水平作用下，颗粒集合体回弹变形主要来源于土体的压密变形在卸载阶段的回弹，因此与含石量的关系并不明显，故而Mr值相差不大。而在高围压，高偏应力峰值作用下，随着含石量的增加，动回弹模量数值明显增加，并且55%含石量和70%含石量情况下，随着循环偏应力峰值增加具有明显的上升趋势，相对而言，30%含石量下这种增加的趋势并不明显。

表4 石灰岩试样下动回弹模量

55%含石量和70%含石量情况下，土石混合料的块石之间相互接触，形成块石骨架。随着应力水平的增加，土石混合体所受应力主要由块石骨架所承担。块石骨架在偏应力作用下，块石之间受剪切作用，石块在“石—石”界面相互摩擦并且块石之间调整相对位置；随着偏应力峰值的提高，块石之间充分咬合、嵌挤，局部块石之间由于摩擦存在开始磨损。因此，在同一围压下，随着应力水平的提高，弹性变形占总变形的比重降低[11]。块石界面的充分咬合、嵌挤提高了其强度和变形指标[4]；再者，磨损颗粒填充进入块石骨架中的孔隙，土石混合体变成更加稳定的结构。表现为卸载阶段土体的回弹模量降低。

30%含石量情况下，土石混合体为密实—悬浮结构，块石之间局部产生接触，块石之间不能构成整体块石骨架结构。在应力水平较低的情况下，其回弹模量特性表现出类似于“砂土”的特性。随着应力水平的增加，局部块石之间由于接触的存在发生局部咬合、嵌挤，相应的在循环加卸载的过程中，块石受到磨损的程度相对而言较小；因此30%含石量下土体动回弹模量在高围压下随着偏应力水平增加的趋势并不明显。

在高含石量情况下，土石混合体颗粒集合体内部仍有大量未填充的孔隙结构存在，颗粒之间咬合、嵌挤作用减弱，颗粒之间的有效滑动和滚动摩擦面相对减小，颗粒集合体抵抗变形的能力减弱。另一方面，块石相对“土”的强度和刚度较大，土石混合体的弹性模量随着含石量的提高有所增加。高含石量下，这两种效应的作用难以量化抵消，表现在动回弹模量的试验中，就是70%含石量试样与55%含石量试样的Mr值对比，没有明显的规律性，受到试样的影响较大。对每一组试样在15个荷载序列下的动回弹模量值求平均，得到12组试样的动回弹模量平均值，如图3所示。由图3可见，随着含石量的增加，Mr平均值相应地提高；在含石量较高的水平下，Mr值提高的幅度并不明显。并且，随着含石量的增加，“石”为花岗岩的材料相较于“石”为石灰岩的材料的Mr平均值增加幅度要小。

图3试样的动回弹模量平均值

3.3 含水状态对动回弹模量的影响

由表3和图3可以看出，含石量相同的烘干试样的动回弹模量值明显高于饱和试样的动回弹模量，说明含水量对试样的动回弹模量具有弱化作用，这与已有的研究结果是一致的。对于无黏性材料来说，水的存在减小了颗粒之间的摩擦，起到类似于“润滑剂”的作用。低围压，低偏应力峰值水平下，随着偏应力峰值水平的提高，部分数据反而略有提高；造成这种现象的原因主要是试验仪器在小变形下的精度不高导致的。总体上仍然可以看出Mr随着偏应力峰值提高而呈减小的趋势。

3.4 粗骨料岩性对动回弹模量的影响

由表3、表4也可以看出，不同含石量下，粗骨料为花岗岩的试样的动回弹模量值均要略高于粗骨料为石灰岩的试样的动回弹模量值。但在30%含石量情况下，两种粗骨料试样的动回弹模量值相差不大，这也从侧面验证了低含石量情况下，土石混合料的动回弹特性取决于细粒料的特性这一论断。在55%含石量和70%含石量情况下，粗骨料为花岗岩的试样动回弹模量明显大于粗骨料为石灰岩的试样的动回弹模量，同样从侧面验证了 “高含石量情况下土石混合料动回弹特性受粗粒料特性控制”的结论。

4 结 论

本文参照美国国家公路与运输协会路基土和混合集料标准试验方法(AASHTO：T307—99(2012))，采用土动三轴仪，针对土石混合路基填料开展了动三轴试验，研究了土石混合路基填料含石量、粗骨料岩性、含水状态和应力水平对动回弹模量的影响。

(1) 土石混合路基填料是内部结构复杂的多相集合体，其物理力学性质与构成填料的粗、细骨料比例、粗骨料岩性、含水状态，以及所承受的应力水平有关。三轴应力状态下，土石混合路基填料的动回弹模量随围压的增大显著增大；一般情况下，低围压时随偏应力峰值的增大而减小，高围压时随偏应力峰值的增大而增大。

(2) 在应力状态一定时，土石混合填料的动回弹模量随含石量的增加大致是增大的，这种规律在高围压下尤其明显。且高含石量、高应力水平下块石之间充分咬合、嵌挤，以及磨损颗粒填充进入块石之间孔隙从而形成更加稳定的结构，是动回弹模量随着偏应力水平具有明显增加趋势的原因。

(3) 含水率对试样的动回弹模量具有弱化作用，即随着含水率的增大，土石混合料的动回弹模量逐步降低，其降低幅度与应力状态相关。在含石量较低的情况下，土石混合料的力学特性取决于细骨料，即“土”，此时两种岩性粗骨料的试样的试验结果基本相同；而在含石量较高的情况下，土石混合料的力学特性受粗骨料控制，粗骨料为花岗岩的试样动回弹模量明显大于粗骨料为石灰岩的试样的动回弹模量。

(4) 随着含石量的增加，土石混合料的平均动回弹模量随之增大，且烘干状态试样的动回弹模量平均值明显高于饱和状态试样的动回弹模量平均值，粗骨料为块状花岗岩的试样的动回弹模量平均值也高于粗骨料为片状石灰岩的试样的值。

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