土工格栅加筋碎石土动回弹模量试验研究

周志刚 张航 韩健

摘要：为了提供路面结构设计时确定加筋土路基动回弹模量的依据，促进加筋土技术在道路工程中的推广应用，文章利用动三轴仪对土工格栅加筋碎石土进行动回弹模量试验，并对比分析了含水率和加筋方式对动回弹模量的影响规律。研究结果表明：含水率的提高会降低加筋土体的动回弹模量，确定加筋土路堤动回弹模量时应考虑平衡含水率的影响;土体加筋之后可以提高其动回弹模量，在土体中水平剪切变形层位布设土工格栅，增加加筋层数或减少加筋层间距，对提高动回弹模量的效果明显。

关键词：土工格栅;碎石土;动回弹模量;含水率;加筋方式;影响规律

0 引言

在现行沥青路面设计规范[1]中，路基土的动回弹模量是重要的设计参数。室内外试验研究表明，在路基中布设土工格栅之类的加筋材料有助于提高路基的回弹模量。杜运兴等人[2]利用弯沉试验的结果来反映回弹模量的大小，研究表明，预应力CFGR加筋土技术可以显著提高加筋土路堤的回弹模量并加速加筋土结构沉降稳定。许爱华等人[3]在室内对小间距土工格栅加筋粉砂土和小间距土工布加筋粒料土的回弹变形特性进行了对比分析，发现二者均能通过加筋层与土的共同作用来提高加筋土的整体性，并提出“储存和释放弹性能”机理。胡幼常等人[4]按照公路土工试验规程，利用强度仪法测定了掺砂黄土和土工格栅加筋黄土试样的回弹模量，对两种方法的可行性进行了研究与详细的对比分析，结果表明，两种方法都能明显提高黄土的回弹模量，同时使用效果更佳。Yuan等人[5]利用野外承载板法确定回弹模量，通过现场试验对玻璃纤维土工格栅加固软土地基的效果进行了分析，结果表明，不同埋深的土工格栅加固效果不同，且上层加筋土的回弹模量越大，加固效果越好。尹锦明等人[6]通过击实试验测定了素土和纤维土的回弹模量，通过对比分析发现，加筋土的回弹模量随着聚丙烯纤维的掺加而不断提高，并且击实功越大，回弹模量也越大。Abu-Farsakh等人[7]利用承载板试验，评价了土工合成材料对软土地基路面铺装性能的改善作用，通过对六种不同类型和埋深的土工合成材料埋设区进行测试，发现土工合成材料能降低路面车辙的作用，并且使基层回弹模量显著提高。Kravchenko等人[8]通过不排水三轴压缩试验，研究了纤维加筋黏土在冻融循环作用下的性能，[JP4]发现纤维加筋有助于防止冻融循环下黏土强度的下降，同时加筋黏土试样的回弹模量要高于未加筋黏土试样。张向东等人[9]利用GDS三轴试验系统进行了不同围压和动应力幅值条件下纤维加筋二灰土的动三轴试验，研究表明，随着聚丙烯纤维的加入，二灰土体的剪切强度得到显著提高。同时，在我国公路路基设计规范[10]中指出，路基的动回弹模量由CBR强度通过经验公式换算得来，但由此得到的路基动回弹模量往往误差较大，而且精度不是很高。

因此，本文利用土工试验动三轴系统，通过对不同含水率、加筋方式以及围压下的土工格栅加筋碎石土试件进行动三轴试验，测试动回弹模量，探究其随不同影响因素的变化规律，为路面结构设计确定路基土动回弹模量时提供参考。

1 试验材料

1.1 土工格栅

加筋材料为湖北力特土工合成材料有限公司生产的高密度聚乙烯土工格栅RS90PE。参照新土工格栅国家标准[11]，使用多功能材料试验机进行性能测试。本次试验采取窄条拉伸方式，其物理力学指标如表1所示。

1.2 填料

加筋土所用的碎石土取自江西省某高速公路加筋土擋土墙工程现场。试验土的碎石含量约为63%，碎石粒径主要集中在5～20 mm之间。通过颗粒组成统计可知，该碎石土属于砾类土，d10=1.74、d30=4.58、d60=9.66，计算可得碎石土的不均匀系数Cu=5.56>5、Cc=1.25，所以，该碎石土易压密，级配良好。通过击实试验得到试验用碎石土的最佳含水量约为7.1%，最大干密度约为2.12 g/cm-3。

2 试验方案

2.1 加载序列的确定

在采用动三轴试验测定动回弹模量时，需要确定加载序列。对于碎石土之类的材料，所施加的动应力幅值应由小依次增大进行试验。本次加筋碎石土动回弹模量试验，参考国内陈声凯等[12]建立的动三轴加载序列，围压分别取50 kPa、100 kPa、150 kPa。具体加载序列情况如表2所示。

在正式加载前先进行预加载，考虑到路基在施工期承受的荷载比运营期高很多，所以室内模拟试验的预加载比正式加载要更加严格。国外推荐的预加载次数为500～2 000次，因此本次试验预加载次数选取最大值2 000次。

2.2 加载波形的确定

本次试验循环动荷载的加载波形选择半正弦波，加载频率为1 Hz。在一个周期内，参照路面材料动三轴试验时加载0.1 s、间歇0.9 s的做法，考虑车轮荷载经过数十厘米厚的路面结构传递至路基顶面时影响范围更大，路基土受荷时间延长，故加载时间选为0.2 s，间歇时间选为0.8 s。

2.3 含水率的确定

国内外学者经过研究表明，在给定的自然条件下，道路在运营期内其路基的含水率会由最佳含水率逐渐增大，并最终会在与当地环境相适应的平衡含水率附近波动。V.Quintus等[13]通过对137条运营期道路路基含水率的现场调查，发现路基的含水率介于最佳含水率和150%最佳含水率之间。因此，本次试验的含水率确定为100%最佳含水率、115%最佳含水率、130%最佳含水率。

2.4 加筋方式的确定

本次试验试件为圆柱形，试验加筋方式分为不加筋、加一层筋、加两层筋。其中，加一层筋时土工格栅放置于试件截面中心位置，加两层筋时土工格栅分别放置于距试件顶面和底面50 mm处。具体加筋方式如图1所示。

3 试验过程

3.1 试验仪器的选择

在本次动三轴试验中，试件采用静压成型，主要成型设备包括定制的对开模具和万能静压仪。试验加载系统采用深圳Reger公司定制的土工试验动三轴系统。该土工试验动三轴系统主要包括三大部分，分别是控制和数据采集软件系统、加载系统和围压应力提供系统。

3.2 试样制备的流程

试件的制备采用万能静压仪分层静压成型。每层填料的质量根据所取得的压实度控制。由压实度、干密度及试件的体积计算出所需的碎石土质量，试件分五层进行压实，每一层的质量一致，压实厚度一致，保证试件压实度均匀。试件最后一层静压结束后以恒载静压5 min。为了避免试件断裂，选择采用专门尺寸的脱模机进行脱模。如若脱模后不能及时用于试验，则需要先用塑料保鲜膜包裹好试件，防止水分的蒸发。

3.3 试验操作的步骤

安装试件，保证套好橡胶膜的试件置于三轴室的中间位置，并插入传力杆，完成注水。通过围压控制器施加目标围压，当围压稳定后，再施加10 N的接触应力，接着选择加载次数和加载序列，进行加载试验。所有序列加载完毕后，依次抬起加载器，拔掉输水管，拧开排水阀，取出传力杆。待三轴室内部的水全部排出后，用扳手拧开螺丝，取下玻璃罩，取出试件，去除套在试件表面的橡胶膜，然后观察试件是否有明显的进水现象，如果进水比较明显则认为该次试验失败，应该重新制备试件再次进行试验。

4 动回弹模量影响因素分析

根据上述试验方案，每种组合工况要求做三组平行试件，利用动三轴试验，可以得到每组试件在重复荷载作用下变形稳定后的重复应力和此时的回弹应变，两者比值即为动回弹模量，可按式（1）计算：

对每个应力幅值的最后10次应力应变数据按式（1）进行处理，取平均值视为当前应力幅值下所对应的动回弹模量。每组平行试验结果与其均值相差均应≤5%。

4.1 含水率对动回弹模量的影响

根据试验数据，绘制成图2～4，分析比较试件含水率（OMC）对动回弹模量的影响规律。

由图2～4可以看出，含水率对加筋土试件动回弹模量值的影响比较明显。在其他条件不变时，试件含水率越高则其动回弹模量值就越小，因为在碎石土中含有少量黏土，而其含水率越高，结合水膜厚度就越大，土颗粒之间的距离也越大，土体的粘聚力和内摩擦角就越小，从而导致土体的抗压性能和抗剪强度的降低，水对土颗粒的润滑作用就越大。水对土工格栅与碎石土颗粒之间也有类似的影响，所以在同一围压的应力幅值下，含水率越大，试件的变形就越大，从而导致其动回弹模量越小。

现单独分析试件在加两层筋且在同一围压下其动回弹模量随含水率的变化情况。当试件含水率由最佳含水率增加到130%最佳含水率时：在50 kPa围压下，回弹模量下降了25.31%～32.31%，平均下降29.68%;在100 kPa围压下，回弹模量下降了28.54%～30.14%，平均下降29.57%;在150 kPa围压下，回弹模量下降了32.72%～34.56%，平均下降33.91%。

4.2 加筋方式对动回弹模量的影响

根据试验数据，绘制成图5～7，分析比较试件不同加筋方式对动回弹模量的影响规律。

由图5～7可以看出，当只加一层土工格栅时，试件动回弹模量基本没有发生变化，而加了两层土工格栅后，动回弹模量明显增大。碎石土中加入土工格栅以后，在一定程度上会改变土体的整体刚度。不加土工格栅和加一层土工格栅的动回弹模量值差别很小，是因为在进行动三轴试验时，由于试件上下结构和荷载的对称性，上下端部荷载传递至其中部时，横截面上难以形成水平剪切错动状态，此时即使在试件中部埋置了土工格栅，土工格栅与碎石土粒料之间也难以形成剪切嵌锁效应，与未埋置土工格栅的试件受力变形状态差别甚微，所以即使加了一层土工格栅，其动回弹模量并没有什么变化。而当加两层土工格栅时，即在距试件上下端面附近各加一层土工格栅，在试件端部施加的荷载传递至试件上下部的土工格栅位置时，产生了水平剪切错动行为，使得土工格栅与碎石土土体之间产生剪切嵌锁效应，约束了土体侧向变形，降低了轴向变形，增加了碎石土体刚度，从而导致在加了两层土工格栅后试件的动回弹模量明显增大。

现单独分析试件在最佳含水率且在同一围压下其动回弹模量随加筋的变化情况。当试件由不加筋到加两层筋时：在50 kPa围压下，回弹模量增大了35.77%～39.17%，平均增大37.60%;在100 kPa围压下，回弹模量增大了33.40%～34.22%，平均增大34.81%;在150 kPa围压下，回弹模量增大了28.62%～34.93%，平均增大31.87%。

5 结语

本文通过室内动三轴试验，对土工格栅加筋碎石土动回弹模量的影响因素进行了探讨，可以得出以下结论：

（1）含水率对土工格栅加筋碎石土动回弹模量的影响明显，130%最佳含水率会使得最佳含水率下成型的试件动回弹模量平均降低约30%左右。因此，在进行路面结构设计时应按平衡含水率测试确定土工格栅加筋土动回弹模量，以真实地反映土工格栅加筋土实际的抗变形能力。

（2）土工格栅加筋碎石土动回弹模量与土工格栅埋设的位置和加筋层数有一定的关系。土工格栅应埋设在土体中存在水平剪切变形的层位，增加加筋层数或减少加筋间距，有助于提高加筋土体抗变形能力。

参考文献：

[1]JTGD50-2007，公路沥青路面设计规范[S].

[2]杜运兴，尚守平，周 芬.预应力CFRP加筋土路堤现场试验研究[J].公路，2006（5）：127-131.

[3]许爱华，胡幼常，张宗保.小间距加筋土回弹变形特性分析[J].公路交通科技，2010，27（7）：52-55.

[4]胡幼常，申俊敏，趙建斌，等.土工格栅加筋掺砂黄土工程性质试验研究[J].岩土力学，2013，34（S2）：74-80，87.

[5]Yuan P，Huang J W. Fieldexperiment study of the semi-rigid base on port reinforced with glass fiber geogrid[J]. Advanced Materials Research，2014.1 004：1 468-1 473.