紅黏土路基的動態與靜態回彈模量對比分析

歐陽衛鋒 王業駒 王志鑫

（1.新疆交通科學研究院，新疆烏魯木齊 830000;2.廣州博廈建筑設計研究院有限公司，廣東廣州 510623）

一、引言

回彈模量是路基設計中的一個重要參數，靜態回彈模量操作方便，應用范圍較廣泛。但在車輛反復動力荷載的作用下，路基土的回彈模量在不同應力狀態和外界環境作用下有較大差異。

本文以湖南永州地區的紅黏土為研究對象，紅黏土的基本物理力學性能參數如表1所示。

表1 路基土的性質參數

關于紅黏土路基的回彈模量研究主要存在以下問題：

采用室內小承載板法測定的靜態回彈模量沒有考慮不同級位側向壓力的作用，測定的力學特性與路基土現場的應力狀態不一致；現場承載板法工序繁雜，較少采用。

紅黏土路基對應力狀態有依賴性，不同的圍壓、偏應力等指標均會影響路基土的應力應變關系。用承載板法測定靜態回彈模量時，圍壓是恒定不變的。

二、試驗

通過承載比試驗測定的CBR值可推算出路基土材料的模量值；通過小承載板法可直接測得土的靜態回彈模量；通過重復加載三軸試驗，可對試件施加不同的圍壓和偏應力，測得動態回彈模量。

經研究分析發現，不同應力狀態下材料的回彈模量值有較大浮動。針對同一種路基土填料，采用不同的回彈模量測試方法對比不同試驗方法得到的回彈模量值，有助于進一步分析路基土材料的應力-應變特性。

鑒于此，本文采用傳統方法測定材料的靜態回彈模量，采用重復加載三軸試驗的方法測定路基土的動態回彈模量，并分析了不同試驗方法下試驗結果的差異性。

（一）靜態回彈模量試驗

通過基本的物理力學性能試驗，得出路基土材料的最佳含水率和最大干密度，進而測定最佳含水率狀態下路基土的加州承載比。CBR值與回彈模量具有相關性，通過CBR值可推算出路基土的靜態回彈模量值。

本文采用承載板法測定了最佳含水率和93%壓實度條件下的靜態回彈模量值。

1.CBR試驗

加州承載比是一個表示路基及路面材料強度的指標，能夠表征材料局部抵抗塑性變形的能力。以達到某一變形水平時路基土材料所能承受的力與標準碎石所能承受的力的比值來表示。本文測定的最佳含水率條件下的路基土CBR值的試驗結果如表2所示。

表2 最佳含水率條件下土的CBR試驗結果

試驗測得最佳含水率條件下紅黏土路基的CBR值為13.96%，通過《公路路基設計規范》JTG D30-2015中規定的CBR值與回彈模量的關系得到回彈模量為94.2MPa。

2.靜態回彈模量試驗

室內靜態回彈模量的測試方法有承載板法和強度儀法。本文中采用承載板法測試紅黏土路基靜態回彈模量，紅黏土路基靜態回彈模量試驗結果如表3所示。

表3 紅黏土路基靜態回彈模量試驗結果

采用承載板法測得紅黏土路基單位壓力下的回彈變形量，計算得出三組平行試件的回彈模量分別為102.9MPa、102.1MPa和108.2MPa，平均值為104.4MPa。

（二）重復加載三軸試驗

本文采用動三軸儀進行重復加載三軸試驗，試件尺寸為Φ100mm×200mm的圓柱形試件，成型方法為靜壓成型。三軸試驗加載波形為半正弦波，加載頻率為1HZ，加載時間為0.2s，間歇時間為0.8s，作用次數為150次，預載次數為1500次。

本文擬定采用的圍壓為10kPa、20kPa、30kPa、40kPa；偏應力為10kPa、20kPa、30kPa、40kPa。體應力為3倍圍壓和偏應力之和，偏應力的范圍為40kPa～160kPa，試驗所取的應力范圍基本涵蓋了紅黏土路基的應力狀態。

在計算回彈模量時，應測定在93%壓實度和最佳含水率時，不同應力狀態下的回彈模量值，并在各應力級位下分別加載150次，取最后5次回彈模量的平均值作為該應力級位下的回彈模量。在93%的壓實度，23%的含水率時，不同應力狀態下的試驗結果如表4所示。

表4 不同應力狀態下路基土動態回彈模量試驗結果

由表4可以看出，動三軸試驗的動模量結果分布范圍為98.08MPa～163.36MPa，浮動值為65.28MPa，應力狀態對回彈模量有較大影響。在圍壓為20kPa，偏應力為40kPa時的動回彈模量為106.78MPa；在圍壓為10kPa，偏應力為20kPa時的動回彈模量為100.9MPa。

承載板法測得的靜態回彈模量平均值為104.4MPa，與動三軸在圍壓為20kPa，偏應力為40kPa時的試驗結果相比相對較小，可以反映出在較不利的應力狀態下路基土的回彈模量，即圍壓較小偏應力較大時的情況。

三、結論

本文采用不同的試驗方法得到了不同的回彈模量值，對比總結如下：

通過承載比試驗測得最佳含水率條件下紅黏土路基的CBR值為13.96%，出回彈模量為94.2MPa;通過室內承載板法測得最佳含水率和93%壓實度下的紅黏土靜態回彈模量為104.4MPa；通過模量的動三軸試驗可知，在不同壓實度和含水率條件下，動態回彈模量有較大的浮動范圍，模量在84MPa～173MPa之間變化。

不同應力狀態下路基土回彈模量的浮動值為65.28 MPa，以室內測得的某種特定條件下的回彈模量對路基進行設計，不具備代表性。考慮到應力狀態的動態回彈會有較大浮動，有必要對回彈模量準確預估，并給出動模量參考值。

承載板法測得的靜態回彈模量平均值為104.4MPa，與動三軸在圍壓為20kPa，偏應力為40kPa時的試驗結果基本相當。

由CBR值計算得出的回填模量值和承載板法測得的回填模量值相對較小，可以反映出在較不利的應力狀態下路基土的回彈模量，即圍壓較小偏應力較大時的情況，用于工程相對保守。