路基回彈模量與 CBR關系研究

覃綺平

(深圳市市政設計研究院有限公司)

路基回彈模量能較好的反映土所具有的部分彈性性質,在以半空間地基模型表征路基的受力特性時,可以用回彈模量表示路基土在瞬時荷載作用下的具有的可恢復變形性質,路基回彈模量是我國路面設計中必不可少的參數。然而由于路基回彈模量測定較為困難,因此國內外都曾試圖以路基的承載比 CBR值推求路基回彈模量。

CBR是英文加利福尼亞州承載能力比的縮寫。不少國家用這個指標表征土的力學性質,國內稱其為承載比。近五、六十年各國盛行,既用于道路設計,也用于機場道面設計。

1 CBR試驗原理

按路基施工時的最佳含水量及壓實度要求在試筒內制備試件,為了模擬材料在使用過程中的最不利狀態(tài),加載前試件泡水四晝夜。在浸水過程中及貫入試驗時,在試件頂面施加荷載板,以模擬路面結構對路基的附加應力。貫入試驗中,材料的承載能力越高,對其壓入一定貫入深度所需施加的荷載越大,所謂CBR值,就是試件貫入量達到 2.5mm或5mm時的單位壓力與標準碎石壓入相同貫入量時標準荷載(7MPa或 10.6MPa)的比值,用百分數表示。標準荷載與貫入量之間的關系如表1。

表 1 不同貫入量時的標準荷載強度和標準荷載

標準荷載強度與貫入量之間的關系也可用公式表示

式中:P為標準荷載強度,kPa;L為貫入量,mm。

2 計算分析

(1)將貫入試驗得到的等級荷載數除以貫入斷面面積(19.625cm2),得到各級壓強(MPa),繪制荷載壓強——貫入量曲線。

(2)從壓強——貫入量曲線上讀取貫入量為 2.5mm和5.0mm時的荷載壓強 P1按式(2)計算現場 CBR值。CBR一般以貫入量 2.5mm時的測定值為準,當貫入量 5.0mm時的 CBR大于 2.5mm時的 CBR時,應重新試驗,如重新試驗仍然如此時,則以貫入量5.0mm時的CBR為準。

式中:P1為荷載壓強,MPa;P0為標準壓強,當貫入量為2.5mm時為 7MPa;當貫入量為 5.0mm時為 10.5MPa。

路基土E0與CBR試驗從力學原理上講是完全不同的。E0試驗主要是根據壓力 P與相應的回彈變形計算得到的,在變形中不含塑性變形的成分。而 CBR則反映了路基土主要抵抗塑性變形的能力,在貫入深度中有時也會含有極少量的回彈變形,但與總變形 2.5mm或 5mm相比完全可以忽略不計。兩個參數從不同角度反映了路基的強度。

路基回彈模量與 CBR有沒有確定的關系,一直是各國在路基土研究中比較關心的問題。在路面結構分析計算中,我們采用彈性模量(回彈模量),但在路基土施工質量控制中CBR比E0使用方便。CBR操作簡便,人為誤差小,在國外路基施工質量控制中應用廣泛。在我國,路基土施工質量主要控制在壓實度和彎沉,CBR沒有得到實際應用。雖然一些單位做過CBR與E0的關系研究。但由于單位不同,試驗條件不同,得出的結果很不一致。

國內外不少均致力尋求室內CBR或野外CBR與回彈模量E0的關系,做了不少工作,并通過數值分析或理論研究提出各地區(qū)各類土質CBR與 E0之間的近似關系。但由于各自試驗方法的規(guī)定、條件及標準上的差異,尤其是路基回彈模量測定的方法各國很不統(tǒng)一,因此各關系式間亦存在較大差異,現將國內外近似的關系式列于表 2以供參考。

將表 2中的粘性土回彈模量與 CBR關系進行分析,分別將各關系式 CBR取值 2%、3%、5%、7%、10%、20%、30%、50%、80%、100%計算出來的回彈模量值列表 3所示。

表 2 國內路基 E0和 CBR的關系式

續(xù)表2

表 3 E0與CBR的關系比較

將所有關系式對應 CBR2%、3%、5%、7%、10%、20%、30%、50%、80%、100%的回彈模量值平均,以這些平均值與再與 2%、3%、5%、7%、10%、20%、30%、50%、80%、100%進行回歸,得到如下的新關系式:

經過回歸分析后得到室內不浸水粘性土回彈模量與CBR關系式

經過回歸分析得到室內浸水 96h后,粘性土回彈模量與 CBR關系式

從以上各表可以看出,國內與國外的一些研究因試驗條件和土質等不同,試驗結果相差很大貴。同種土質,試驗結果也大相徑庭,如同為紅粘土,廣西現場關系式是 E0=15.55CBR0.582,而陽為E0=7.27CBR0.822,兩者回彈模量計算值相差較大。所以各個地區(qū)回歸的關系式僅作為當地設計參考,一般不能在全國范圍推廣。

圖 1 室內不浸水粘性土路基回彈模量與 CBR關系

圖 2 室內浸水粘性土路基回彈模量與 CBR關系

3 小 結

(1)根據各自的實測資料,許多國家的學者提出路基回彈模量與加州承載比CBR的關系可以用下式表達

式中:E0為彈性半空間地基的回彈模量,MPa;n為常數,一般在 2～11之間。

(2)由于我國地域廣闊,路基土的類型千差萬別,所以對各種不同類型土的 E0與 CBR值的關系應該通過具體的試驗來測定,以獲得較為準確的關系式。

[1]中華人民共和國交通部.公路路基路面現場測試規(guī)程(JTJ 059-95)[M].北京:人民交通出版社,1995.

[2]中華人民共和國交通部.公路瀝青路面設計規(guī)范(JTGD50-2006)[M].北京:人民交通出版社,2007.

[3]武和平.高等級公路路面結構設計方法[M].人民交通出版社,1995.