含水率對路基土動態回彈模量影響分析

樊澤 歐陽衛鋒

（新疆交通科學研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

路基動態回彈模量是公路路基設計中的一個重要指標，表征為路基材料在承受汽車荷載作用時抵抗變形的能力。設計及施工過程中，通過擊實試驗可以測定土的最佳含水率和最大干密度。在最佳含水率條件下，路基土填料容易壓實成型，通過控制壓實度指標保證路基填筑密實。相關研究表明，在道路運營期間，由于雨水的滲入及地下水的影響，路基土不同季節的平衡含水率變化幅度較大，不利季節平衡含水量較一般土體塑性增加20%～30%[1]。

采用小承載板法可以測定最佳含水率條件下的靜態回彈模量，靜態模量反映側限應力狀態下材料的應力應變關系?，F行規范路基以路床頂面的動態回彈模量為設計指標，根據干濕及凍融條件對標準狀態下路基回彈模量折減，并給出了不同土質的濕度折減系數，但不能較好反映特殊性巖土在不同含水率狀態下的應力應變關系。

1 試驗加載方案

紅黏土的主要特點是天然含水率高，液限高，塑性指數高，孔隙比大，水穩定性差，干燥狀態下具有較好的結構性。通過重復加載三軸測定不同含水率條件下的回彈模量，有助于定量分析含水率對回彈模量的影響規律。

本文以某地區的紅黏土為研究對象，通過擊實試驗、比重試驗、液塑限試驗等確定了土的工程分類和基本物理力學性能參數，綜合判定為高液限粉土，其最佳含水率為23%，最大干密度為1.582g/cm-3。本文基于93%的壓實度測定條件，測試不同含水率對路基土回彈模量的影響。

瀝青路面的結構力學分析采用雙圓均布荷載作用下連續彈性層狀體系力學分析模型?？紤]路面行車荷載、路基路面結構層自重作用，合理確定路床典型位置的水平應力和垂直應力大小，結合國內外學者的研究成果及相關規范[2]，試驗方案圍壓分別為10kPa、20kPa、30kPa、40kPa；偏應力分別為10kPa、20kPa、30kPa、40kPa。不同的應力狀態下加載次數均為150次，取最后5次（146次、147次、148次、148次、150次）應力應變關系比值的平均值作為該應力級位下的回彈模量。

2 試驗結果與分析

該次研究測定紅黏土的最佳含水率為23%，試驗方案在最佳含水率兩側擬定了3種不同含水率，分別為21%、23%、25%，試驗測定了不同圍壓和偏應力狀態時含水率對路基土回彈模量的影響規律。不同含水率條件下的回彈模量試驗結果如表1所示。

表1 不同含水率條件下的回彈模量試驗結果

對比研究發現，紅黏土在93%的壓實度條件時，在不同的圍壓和偏應力狀況下，含水率由21%增加到23%時，動態回彈模量值下降15MPa～35MPa，回彈模量降低為原來的75%～91%，下降幅度為9%～15%；當含水率由21%增加至25%時，回彈模量下降26MPa～49MPa，回彈模量降低為原來的64%～85%，下降幅度15%～36%。含水率的增加導致回彈模量大幅度折減。

在各級圍壓和偏應力條件下，路基紅黏土動態回彈模量隨含水率的變化規律表明，在含水率低于最佳含水率時，動態回彈模量整體偏大。含水率在最佳含水率附近由低到高增加時，動態回彈模量均不斷地減小，路基承載能力不斷降低。

圖1 不同含水率條件下回彈模量的變化規律示意圖

相關研究成果表明[5]，部分材料在最佳含水率左側時，回彈模量隨著含水率的增加而不斷增加；當含水率超過最佳含水率時，動態回彈模量則隨著含水率的增加而不斷減少。究其原因可能是所選取的含水率區間范圍比較大，當含水率較低時，因土顆粒摩擦強度大導致試件難以碾壓密實，在水的增大過程中表現為顆粒間的潤滑作用。紅黏土作為路基填料時，含水率通常較高，摩擦潤滑作用表現不明顯。該研究在最佳含水率左側選取了一個21%的含水率，不同應力狀態下的回彈模量試驗結果全部高于最佳含水率時的回彈模量，對于研究分析紅黏土最佳含水率附近動態回彈模量的變化規律具有重要指導意義。大范圍不同含水率分布區間下的回彈模量變化規律有待進一步研究。

3 結束語

綜上所述，紅黏土材料動態回彈模量隨著含水率的變化而產生較大的變化。在最佳含水率附近，在相同圍壓、偏應力狀態下，路基土材料隨著含水率的增大，其動態回彈模量顯著減小。模量折減原因可解釋如下：隨著含水率的增加，土顆粒之間的摩擦強度變小。因為水的潤滑作用，從而使紅黏土變形增加，模量降低。

路基施工中如果含水率低于最佳含水率，將難以壓實成型，壓路機需要更大的壓實功率才能達到壓實標準。道路運營過程中，不利季節的平衡含水率大于最佳含水率時，路基土的回彈模量就會折減，承載能力降低，路面軸載作用下的沉降變形變大。如果不能重復考慮路基土動態回彈模量的折減問題，可能導致不利工況下路基的承載力不足，從而造成路基的早期破壞。

在最佳含水率附近，動態回彈模量隨著含水率的減小而增加。在93%的壓實度下，當含水率自21%增加到23%時，回彈模量折減至原值的75%～91%；當含水率自21%增加到25%時，回彈模量折減至原值的64%～85%。含水率的變化對路基紅黏土回彈模量的影響較大。

隨著含水率的增加，土顆粒間的摩擦阻力變小。水起到潤滑作用，從而使其抗變形能力減小，回彈模量降低。

運營的不利季節期間，當平衡含水率大于最佳含水率時，路基的回彈模量小于設計狀態下的回彈模量，設計過程中應充分考慮動模量的折減，避免因路基承載力的降低造成路基的早期破壞。