路基填料回彈模量預估方法試驗研究

陳 真

(中鐵十四局集團第三工程有限公司 山東濟南 250300)

1 引言

路基是路面結構的支撐體[1]，在公路路基設計中，一般選用路基填料的回彈模量作為設計參數，表征填料在荷載作用下的抗變形能力[2]。但依照路基設計方法確定了路基各層位填料所需材料模量后，需根據現場供應填料的回彈模量來選擇合適的填料，而施工現場一般很難直接得到路基填料的回彈模量，如按以往鋪設較長試驗段的方法選擇各層填料勢必會造成資源浪費，且耗時費力，因此如何快速預估路基填料回彈模量是路基填筑過程中亟待解決的關鍵問題。

諸多國內外學者開展路基填料回彈模量與其CBR的相關性研究，并取得了一定的成果。趙明華[3]等對河南省某公路路基土回彈模量與CBR進行相關性分析，提出該地區路基土CBR與回彈模量的關系式。覃綺平[4]根據大量工程實例，對路基土回彈模量與CBR進行回歸分析，發現兩者相關系數較高。吳喜榮[5]以山西典型黃土為研究對象，通過室內試驗揭示了含水率和壓實度對CBR及回彈模量的影響規律。在國外，關于路基填料CBR與回彈模量的關系也一直是研究重點。Erlingsson[6]對20種不同粒料材料進行重復荷載三軸試驗和CBR試驗，結果顯示，在已知材料CBR值的情況下，可以用一個簡單的冪函數來預測其動態回彈模量。George等[7]、Gansonre[8]等分別以波蘭黏土、紅土為研究對象，建立回彈模量預測經驗公式，為路基設計提供參考。

綜上，國內外學者對于各種路基土填料的CBR與回彈模量關系進行了廣泛研究，建立了各自的回歸方程。但現有研究大多針對某一類路基土填料，將浸水CBR值與回彈模量建立聯系。實際上，浸水CBR與動態回彈模量兩類試驗所用試件的初始濕密狀態并不一致。為快速準確確定各層位的填料類型，本文開展路基填料路用性能試驗，對填料的回彈模量與CBR相關性進行分析，建立浸水與不浸水CBR為指標的路基填料回彈模量預估方法，旨在為合理利用路基填料、進行路基填筑方案設計提供參考依據。

2 試驗填料

本文以海南國道G360公路項目為依托工程，工程沿線分布約138萬m3高液限土。高液限土具有天然含水率高、親水性強、水穩定性差等不良工程性質，在路基施工過程中往往達不到壓實度要求。為此，本文以水泥改良的方式來增加填料的壓實度，分別在高液限土中添加3%、4%、5%和6%的水泥。試驗土樣分別取自海南G360公路的WLTJ10標段和WLTJ11標段，兩個標段的高液限土及其他現場天然填料的基本物理特性指標如表1所示。

表1 土樣基本物理性質指標

3 填料路用性能試驗

3.1 濕法擊實試驗

考慮在南方濕熱地區對路基填料采用濕法擊實試驗，其確定的最佳含水率更符合工程實際[9]，因此本文同樣采用重型濕法擊實。對于水泥改良土，先通過濕法擊實得到不同含水率梯度的素土，再加入水泥，混合均勻，水泥加入后在2 h內完成擊實試驗。最終獲取各填料的最大干密度與最佳含水率，并探究水泥改良土的最大干密度與最佳含水率隨水泥摻量的變化規律，試驗結果見表2。

表2 濕法擊實試驗結果

續表2

由表2可知，兩個標段高液限土的最佳含水率較大，最大干密度則較小，其主要原因為海南當地氣候濕潤多雨，高液限土吸附結合水含量高。與素土相比，隨著水泥摻量的增加，水泥改良高液限土的最佳含水率減小，最大干密度增大。這是因為水泥、土與水三者之間發生了復雜的化學反應，減弱了土體的親水性，加強了土顆粒間的聯系，水穩定性增強，提高了高液限土的壓實度。

3.2 承載比試驗

加州承載比(CBR)是一種評定路基及路面材料抗變形能力的指標，是路基填料強度的控制指標之一。海南地區濕潤多雨，很難通過翻曬將高液限土等填料含水率降至最佳含水率附近。因此在滿足設計要求下，參照現場填筑施工時各填料的含水率，通過濕法重型擊實制件之后，采用承載比試驗儀分別展開浸水與不浸水CBR試驗。其中水泥改良高液限土制件時，水泥與施工含水率下的高液限土混合均勻再制件，制件完成后，需在標準養護室養7 d后再進行承載比試驗。試驗結果如表3所示。

表3 土樣CBR試驗結果

表3表明，無論是高液限土、水泥改良土還是其他現場填料，未浸水條件下CBR值明顯大于浸水條件下CBR值。這是由于試件在浸水4 d后，處于飽水狀態，試件是在最不利條件下進行了CBR測試。在未浸水條件下，試件的試驗條件與路基填料現場施工后的狀態相似，試件含水率要比浸水條件低，其CBR測試值要比浸水條件下高。

根據《公路路基設計規范》，浸水條件下，兩個標段的高液限土在施工含水率狀態下CBR值均大于3%，可以直接作為下路堤填料，但不能作為上路堤和路床填料。在高液限土中摻入水泥改良后，隨著水泥含量增加，高液限土的CBR值明顯增長，且均大于8%，作為上路堤和路床填料可行。而其他現場供應的填料，其CBR值均滿足設計規范要求，也可作為上路堤和路床填料。

3.3 填料動態回彈模量試驗

目前通過室內動三軸試驗確定路基土動態回彈模量的方法已較為成熟，參考南方地區典型路面結構下路基土的應力和物理狀況[10-11]以及文獻[12]中的力學分析模型，提出合適的加載試驗方案，試驗加載波形見圖1。

通過室內動三軸試驗可以得到如圖2所示的試驗結果，通過每一加載序列最后5次位移與荷載時程曲線，可計算試驗施加荷載、試件軸向可恢復變形以及動態回彈模量。

經過統計分析，可以得到相關填料的回彈模量。分析表4可知，兩個標段高液限土的回彈模量較小，其上層需填筑高模量材料以提升整體剛度[13]，其他現場路基填料回彈模量較高。摻入少量水泥(3% ～6%)的高液限土回彈模量明顯提升，且模量隨著水泥摻量的增加而增加。結合CBR試驗結果，高液限土可以直接填筑下路堤，水泥改良高液限土和其他現場填料可以作為其上部填料以提升路基整體剛度。

表4 動三軸試驗結果

4 填料回彈模量與CBR相關性分析

將高液限土、水泥改良土及其他現場供應填料的CBR試驗和室內動三軸試驗結果進行統計分析，結果如表5所示。分析路基填料回彈模量與CBR相關關系，分別得到各填料回彈模量與浸水CBR值、未浸水CBR值的關系曲線，如圖3、圖4所示。

表5 路基填料CBR值與回彈模量試驗結果

由圖3和圖4可知，CBR與動態回彈模量E呈正相關，該關系可用冪函數表示:

由擬合結果可知，路基填料回彈模量與CBR相關性較好，且與未浸水CBR的相關性更好。這是因為未浸水CBR試樣的物理狀態、試驗條件與室內動三軸試驗試樣相似，且未浸水CBR試樣更符合路基填料現場施工后的實際情況。利用未浸水CBR值與填料回彈模量建立回歸方程，更能反映填料現場施工后的實際狀態。當施工現場試驗條件受限，無法直接獲取填料回彈模量時，可以利用未浸水CBR值，并結合式(2)來預估路基填料回彈模量。

5 工程應用

利用本文提出的路基填料回彈模量預估方法，分別在海南國道G360公路WLTJ10標段和WLTJ11標段制定路基填筑方案，通過室內試驗和現場承載板測試路基各層位回彈模量，與本文預估方法算出的回彈模量進行比較，從而驗證路基填料回彈模量預估方法的可行性。

由表6、表7可知，利用CBR和回彈模量相關性回歸方程預估的路基填料模量，與室內試驗所測模量較為接近，且現場承載板測試的各層位回彈模量均滿足設計要求，因此可以用來進行路基填料設計。路基填料回彈模量預估方法可以用來解決施工現場試驗條件受限，無法準確得到填料回彈模量的問題?？紤]到路基現場實際施工水平，填筑材料的回彈模量在理論計算時盡可能向下取整，以提高安全儲備。

表6 WLTJ10標試驗段路基填筑方案

表7 WLTJ11標試驗段路基填筑方案

6 結論

(1)高液限土進行水泥改良后，其水穩性質得到有效改善。隨著水泥摻量的增加，高液限土最佳含水率減小，最大干密度增大，CBR值增大，且各路基填料的不浸水CBR值明顯高于浸水CBR值，說明水泥可以有效改善高液限土的壓實性能和承載能力。

(2)高液限土回彈模量較低，摻入少量水泥后(3% ～6%)其回彈模量顯著提高，模量隨水泥摻量增加而增大，水泥改良高液限土可以用來作為路基上部填料，提升路基整體剛度。

(3)通過分析路基填料回彈模量與其浸水CBR值、未浸水CBR值的相關關系，建立了相應的回歸方程，其中填料回彈模量與未浸水CBR值的相關性更好，并可結合式(2)來預估路基填料回彈模量。具體設計時，填料回彈模量應當向下取整，以提高其安全儲備。