路基土动态回弹模量预估分析

李文彪

摘要 为探索动态回弹模量预估结果的合理性与准确性，对粉土、黏土、砂土等路基土材料物理性质进行测试，并以进口的UTM-130型万能材料检测仪为试验设备展开动态回弹模量试验，对影响试验结果的主要因素进行分析；同时采用SPSS软件根据不同路基土试验工况下动态回弹模量试验结果选取预估模型，展开参数值拟合。结果表明，所选取的压实度、含水率、CBR值、塑性指数等参数能显著反映路基回弹模量取值情况；预估值与试验值基本吻合，预估模型可靠性高，可作为路基路面设计的依据。

关键词 路基土；细粒土；动态回弹模量；预估

中图分类号 U416.1文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）24-0124-04

0 引言

路基回弹模量主要体现为路基在受到车轮荷载作用后的应力-应变特性，也是路基设计中重要的参数之一。为保证路基设计方案合理适用，必须展开路基动态回弹模量预估。当前，确定路基土动态回弹模量的方法主要有3种：室内反复加载动三轴试验、现场试验反算、模型预估。现场试验反算法中室内试验与现场测值修正相关关系的构建存在较大难度；室内加载试验法操作简单，但面临较大的人为误差；与室内反复加载动三轴试验、现场试验反算等相比，模型预估法时间短、成本低，预测值准确性有保证。

基于此，该文采用动态回弹模量预估法展开粉土、黏土、砂土等路基土回弹模量预测，并将预测值和室内测试值进行比较，得出相关结论，以指导公路工程设计实践。

1 路基土基本性能测试

1.1 试验材料物理性质

为了解土体颗粒组成情况及不同粒径占比，必须展开土粒粒径分析，通过筛余百分比表征这一特征，便于土体颗粒的工程分类。具体而言，取500 g土样展开测试，按次序摆放好筛子后将土样倒入，盖上筛盖后由摇筛机持续振摇15 min。此后依次取出土样并称重，记录。根据试验数据绘制不同土样颗粒级配曲线[1]，见图1。

土样在不同含水率下的物理力学性能、状态均有所不同。黏性土在可塑状和流塑状间的临界含水量即为液限；黏性土在半固体状和可塑状之间的临界含水量即为塑限。液限与塑限之差是土体塑性指数。一般通过联合测定仪展开土料液塑限取值的测定。

为展开不同类型路基土液塑限测定，取600 g过0.5 mm筛的风干土样，分三份装进盛土皿中，再掺加不同质量蒸馏水以使土样达到不同液塑限状态；搅拌均匀后静置至少18 h。此后将土样分层移置试验皿内压实，通过抹刀将表面刮平。将测试仪调平后在仪器底座处放置測试杯，按照试验流程展开液塑限测定试验。试验结果见表1。

1.2 击实试验

该研究采用重型击实干土法，在烘干土样中掺加水，搅拌均匀后装进密封塑料袋中闷料12 h备用。将土样分5层击实，各层击实后均应拉毛表面层，增强层间黏合性；各层土样全部击实完成后，试件总高度不能超出试筒顶面5 mm。通过脱模机将试件脱出，并从中间断开，展开含水率检测，测值精确至0.1%。对其余试件也展开击实、称重操作，并依次测定含水率。

根据测定结果，与含水率相对应的干密度值见表2。根据测试结果，砂土干密度最大，取1.875 g/cm?。

1.3 CBR试验

按照静压成型方式检测不同含水率和压实度下路基土试件CBR值。根据检测结果，粉土CBR值最大，黏土CBR值最小，且均高出二级公路路床填料CBR下限值。可见，粉土、砂土和黏土承载力均符合路床填筑要求。

三种细粒土CBR值均随压实度的增大而线性增加，主要原因在于压实度增大使土料中空隙减小，密实性和承载力均增大。此外，三种路基土CBR值随含水率增大而先增后减，最大CBR值均出现在最佳含水率附近。在确定路基土含水率时，砂土对含水率变化的敏感程度明显较高；而粉土和黏土随含水率的变化不会快速、明显膨胀和收缩，水稳性更好。

2 路基土动态回弹模量试验

2.1 试验方法

根据《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）及《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）要求，应通过动态液压伺服系统展开路基土及相关材料动态回弹模量测试[2]。该试验以进口的UTM-130型万能材料检测仪为试验设备，所使用的粉土、黏土、砂土等试验土样均为细粒土，故采用试验规程中规定的试件加载序列。

按照试验规程成型Ф100 mm×200 mm圆柱形试件，对开模上部和下部均设置垫块和套箍，防止试验过程中因过大的径向压力造成套筒变形。

测试开始前开启冷却循环水管及油泵，提前预热15～20 min；将试件上塑料薄膜去除，并检测试件直径与高度。将试件放置于三轴室底座并固定，试件顶部则防止垫片，此后将试件送入三轴室并拧紧固定轴。将围压管、围压传感器、位移传感器等安装在三轴室顶部，开启气泵使围压增大。按照规范要求及试验目的设置好测试程序、试验参数、加载程序后展开测试。

2.2 试验结果分析

2.2.1 围压对动态回弹模量的影响

在路基土含水率、压实度及偏应力等不变的情况下，展开围压对路基土动态回弹模量影响的分析。在最佳含水率及95%压实度下三种细粒土回弹模量变化情况试验结果见表3。根据表中结果，随着围压的持续增大，三种细粒土动态回弹模量均呈增大趋势；不同偏应力下黏土回弹模量对围压依赖性增强，而其余两种路基土回弹模量对围压的依赖性略微减弱[3]。随着偏应力的增大，路基土动态回弹模量降幅减小，表明这一过程中存在临界点，若低出该临界点，回弹模量会大幅提升。总之，三种细粒土动态回弹模量均随围压的增大而呈明显增长趋势。

2.2.2 含水率对动态回弹模量的影响

结合重型击实试验结果确定出三种细粒土含水率取值范围，并展开95%的压实度下不同路基土动态回弹模量试验。限于篇幅，此处仅列示黏土动态回弹模量试验值，见表4。

根据表中结果，在偏应力和围压相同时，细粒土在选定的含水率范围内动态回弹模量均随含水率的增大而减小；砂土回弹模量随含水率的增大而线性递减；黏土及粉土回弹模量的降速先大后小。通过进一步分析得知，水分增大使土体颗粒间水膜变厚，拉大了颗粒间距，其间的摩擦效应也随之减小，土体颗粒间胶结能力与回弹模量均减弱[4]。

2.2.3 压实度对动态回弹模量的影响

在不同压实度下展开重复加载三轴试验，并测试不同细粒土路基动态回弹模量变动规律。根据试验结果，在偏应力与围压均一致时，不同路基土回弹模量与压实度正向变动；其中，砂土路基回弹模量随压实度增大而缓慢增大，黏土回弹模量则快速增大，粉土路基接近线性增长。

通过分析原因看出，压实度增大后路基土密实度随之增大，土粒间嵌挤程度增强，接触点也增多，受到外部荷载作用后接触应力下降，变形减小，回弹模量增大；此外，还能较好阻止土粒间重新排列与滑动，抗变形能力提升。

3 动态回弹模量预估模型构建

3.1 模型构建

应用SPSS软件根据不同路基土试验工况下动态回弹模量试验结果选取预估模型，并展开参数值拟合。基于前述试验研究结果，用塑性指数表征土体类型，用含水率和压实度表征土体物理性状，用CBR表征力学强度，构建动态回弹模量预估模型。将不同类型土料重复加载三轴试验结果视为整体，按照以下公式展开拟合[5]：

式中，Mr——路基土回弹模量（MPa）；CBR——加州承载比；K——路基土压实度（%）；ω——路基土含水率（%）；Ip——塑性指数；α、b、c、d——模型回归系数。

按照非线性拟合思路，所得到的模拟参数值拟合结果见表5。回归系数α、b、c、d依次取值55.293、0.08、3.054、7.224，相关系数R2=0.884 1，试验数据拟合效果较好。所构建的预估模型采用塑性指数，物理状态含水率、压实度及强度指标展开路基土动态回弹模量预估，模型适用范围广，对于实际工程较为适用。将所得到的拟合结果与参数取值代入式（1）可以得到具体化的路基土动态回弹模量预估模型，表示如下：

R2=0.884 1 （2）

3.2 预估值与试验值的比较

应用SPSS软件拟合出的回弹模量预估模型相关系数值较高，对回弹模量值与参数间的相关性及拟合公式预估精度均进行了较好验证。将预估值与试验值展开比较看出，在黏土含水率较大时两者误差超出30%，其余土体类型下预估值和试验值误差均在20%以下，最小误差仅为0.78%；且粉土和砂土预估效果最好。如图2所示，根据图中动态回弹模量预估值与试验值的对比看出，预估值与试验值呈线性相关关系，拟合曲线相关系数R2=0.893；各点均匀分布于等值线两侧，体现出较高的预估模型准确度。

4 结论

该文在对黏土、砂土、粉土基本物理性质展开测试的基础上，对路基土动态回弹模量展开检测，应用SPSS软件选择出合适的路基土回弹模量预估模型。主要得到以下结论：

（1）含水率、压实度、塑性指数、CBR值均对路基回弹模量存在显著影响。其中路基土类型通过塑性指数表征；强度由CBR值表征；物理状态则由含水率和压实度表征。

（2）结合现行规范中路基土回弹模量应力条件，借助软件展开试验值拟合，并将预估值与试验值展开比较，两者误差小，表明预估模型具有一定合理性。

（3）该文基于路基土物性指标构建起的动态回弹模量预估模型，能够对公路路基设计起到一定参考；为保证预估模型的普遍适用性，可继续展开专项研究，拓展该模型的适用范围。

参考文献

[1]黄崇伟， 朱宝兵， 章毅， 等. 潮湿路基水泥改良细粒土动态回弹模量试验研究[J]. 中外公路， 2023（4）： 18-23.

[2]欧阳卫锋， 王业驹， 王志鑫. 红黏土路基的动态与静态回弹模量对比分析[J]. 中国公路， 2022（2）： 110-111.

[3]刘君， 牛军贤， 崔明. 路基非饱和土动态回弹模量计算模型对比研究[J]. 科学技术与工程， 2021（31）： 13491-13496.

[4]王立功. 路基粉土动态回弹模量影响因素及预估模型研究[J]. 湖南交通科技， 2020（3）： 16-20.

[5]张军辉， 彭俊辉， 郑健龙. 路基土动态回弹模量预估进展与展望[J]. 中國公路学报， 2020（1）： 1-13.