李雪連，陳宇亮，張起森，徐遠(yuǎn)明，王新武

（1.長沙理工大學(xué)a.交通運(yùn)輸工程學(xué)院；b.道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410004；2.湖南省交通科學(xué)研究院，長沙 410015；3.江西省交通工程質(zhì)量監(jiān)督站，南昌 330008）

目前路面設(shè)計(jì)方法中把路基回彈模量作為路基的設(shè)計(jì)參數(shù)［1］，并在《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）和《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG E60—2008）中給出了路基回彈模量的室內(nèi)和現(xiàn)場測試方法，這些測試有些是靜態(tài)模量測試方法，如室內(nèi)外承載板測試方法、室內(nèi)外加州承載比（CBR）測試方法和彎沉測試方法，有些是動(dòng)態(tài)模量測試，如現(xiàn)場落錘式彎沉儀（FWD）測試方法、動(dòng)力錐貫入儀（DCP）測試方法。車輛荷載通過路面?zhèn)鬟f到路基上，具有典型的動(dòng)態(tài)特性［2］，相比較于靜態(tài)模量，動(dòng)態(tài)模量能更好反映車輛荷載對(duì)路基路面的作用特性［3］，因此，采用動(dòng)態(tài)模量測試方法是以后路基模量測試的發(fā)展趨勢［4］。

除規(guī)程中已有的FWD測試方法和DCP測試方法外，還有現(xiàn)場便攜式落錘彎沉儀（PFWD）測試方法和室內(nèi)重復(fù)加載試驗(yàn)（RTL）測試方法可以進(jìn)行路基動(dòng)態(tài)模量的測試［5－8］。對(duì)這4種測試方法測定路基動(dòng)態(tài)模量均有一定的研究，取得了很多重要成果，對(duì)于推動(dòng)路基動(dòng)態(tài)模量在路面設(shè)計(jì)中的應(yīng)用起到了非常重要的作用［9－11］。但從已有的研究成果來看，不同測試方法所得動(dòng)態(tài)模量彼此之間的換算關(guān)系還不明確，尤其是現(xiàn)場檢測指標(biāo)與室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)之間的關(guān)系，如何實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場檢測指標(biāo)與室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)彼此之間的相互轉(zhuǎn)換值得廣泛關(guān)注。為此，對(duì)黏性土、砂性土和土石混填3種路基填料進(jìn)行了FWD測試、PFWD測試和DCP測試以及室內(nèi)RLT，建立了3種路基填料現(xiàn)場檢測指標(biāo)彼此之間的回歸關(guān)系，分析了室內(nèi)動(dòng)態(tài)模量隨含水率變化的規(guī)律，并建立了二者之間的回歸關(guān)系，最后通過現(xiàn)場測試的含水率，建立了室內(nèi)外動(dòng)態(tài)模量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。

1 現(xiàn)場動(dòng)態(tài)模量檢測與分析

1.1 現(xiàn)場試驗(yàn)方案

1）路段選擇

現(xiàn)場試驗(yàn)路段為江西省大廣高速公路龍楊段A1標(biāo)黏性土路基、A2標(biāo)土石混填路基和B1標(biāo)砂性土路基，且應(yīng)用都在路床部分，即96區(qū)上進(jìn)行，在主車道上按10m左右間距布點(diǎn)測試點(diǎn)。

2）試驗(yàn)內(nèi)容

考慮到FWD測試荷載較大，且承載板位置不易調(diào)整，因此首先進(jìn)行FWD動(dòng)態(tài)模量檢測，再在測試點(diǎn)進(jìn)行PFWD測試，最后進(jìn)行DCP測試。每個(gè)點(diǎn)位測試完成后取樣，采用酒精法測定該點(diǎn)含水率。測試路段全部完成后，把所有點(diǎn)位的土樣標(biāo)簽編號(hào)，送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相應(yīng)室內(nèi)試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容與順序如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)內(nèi)容與順序

1.2 檢測結(jié)果分析

黏性土、砂性土和土石混填3種路基填料各測點(diǎn)的含水率如圖2所示。

圖2 測試點(diǎn)位含水率情況

黏性土、砂性土和土石混填3種路基填料的PFWD所測模量EP、FWD所得反算模量EF、DCP所測平均貫入比率DP見圖3～圖5，考慮到回歸關(guān)系須具有一定的物理意義，且形式簡單，方便應(yīng)用，并能反映實(shí)測結(jié)果的非線性及動(dòng)態(tài)模量與DP的反比關(guān)系，因此采用雙對(duì)數(shù)關(guān)系y＝axb對(duì)EP－EF、EP－DP和EF－DP進(jìn)行回歸，回歸關(guān)系見表1。

圖3 黏性土路基現(xiàn)場檢測結(jié)果

圖4 砂性土路基現(xiàn)場檢測結(jié)果

圖5 土石混填路基現(xiàn)場檢測結(jié)果

表1 現(xiàn)場檢測指標(biāo)的回歸關(guān)系

由圖3～圖5和表1可知，黏性土、砂性土和土石混填路基的 EP－EF、EP－DP 和EF－DP 之間均具有較好的回歸關(guān)系，其中，EP－EF的回歸系數(shù)最高，其值均大于0.8，EP－DP 的回歸系數(shù)次之，其值在0.77～0.85之間，而EP－DP 的回歸系數(shù)最小，其值在0.63～0.69之間。

此外，由于路基強(qiáng)度和剛度越高，EF越大，EP就越大，二者成正比關(guān)系，回歸系數(shù)a和b均為正值；而路基強(qiáng)度和剛度越高，DP就越小，而動(dòng)態(tài)模量EP、EF就越大，即動(dòng)態(tài)模量與DP成反比關(guān)系，回歸系數(shù)中a為正值而b為負(fù)值，表明實(shí)測結(jié)果與反比例規(guī)律一致。從黏性土與土石混填、砂性土與土石混填的回歸系數(shù)對(duì)比分析還可以發(fā)現(xiàn)，隨土體強(qiáng)度增大，EP－EF、EP－DP 和EF－DP 回歸系數(shù)中的a值減少，b值增大。

2 室內(nèi)動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)與分析

2.1 室內(nèi)試驗(yàn)方案

1）主要物性指標(biāo)

把3種土質(zhì)現(xiàn)場檢測過程中收集的土樣匯集一起，充分拌勻后進(jìn)行各自的物性指標(biāo)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 主要物理指標(biāo)

2）試驗(yàn)方法與內(nèi)容

采用重復(fù)加載三軸試驗(yàn)進(jìn)行室內(nèi)動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)［12－13］，試驗(yàn)儀器為英國 Cooper公司液壓伺服通用材料試驗(yàn)機(jī)CRT－UTM－HYD 25kN。根據(jù)路基填料的現(xiàn)場位置，按照按96%的壓實(shí)度制備試件，考慮到不同含水率狀態(tài)下，應(yīng)力級(jí)位對(duì)路基填料的影響［14］，選取每種土質(zhì)的最佳含水率 OMC、OMC±1%、OMC±2%和OMC±3%共7個(gè)目標(biāo)含水率，測試完成后測定的試件實(shí)際含水率作為最終含水率，如表3所示。每種含水率狀態(tài)下制作3個(gè)平行試件［15］。

已有研究或有限元分析表明［16］，中國高速公路路面結(jié)構(gòu)下路基的體應(yīng)力一般在75kPa以下，故試驗(yàn)只進(jìn)行圍壓σ3為15kPa，偏應(yīng)力σd為30kPa這一組合方式來進(jìn)行室內(nèi)動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，具體加載方式如表4所示。

表3 試件的含水率

表4 試驗(yàn)加載方式

加載波形采用半正矢波；加載頻率為10Hz；加載時(shí)間為0.2s；加載間歇時(shí)間為0.8s。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

黏性土、砂性土和土石混填3種路基填料的室內(nèi)動(dòng)態(tài)模量如圖6所示。

圖6 動(dòng)態(tài)模量MR與含水率w的關(guān)系

由圖6可知，7個(gè)試件中，黏性土、砂性土和土石混填的動(dòng)態(tài)模量均是在最佳含水率最大，且當(dāng)含水率小于最佳含水率時(shí)，動(dòng)態(tài)模量的下降幅度較大，而當(dāng)含水率大于最佳含水率時(shí)，動(dòng)態(tài)模量的下降幅度相對(duì)較小。因此，含水率對(duì)路基填料的動(dòng)態(tài)模量影響十分顯著，3種路基填料的動(dòng)態(tài)模量MR均隨含水率w先增后減，具有典型的凸型拋物線特征。為此，采用二階多項(xiàng)式方程y＝ax2＋bx＋c對(duì)3種路基填料的動(dòng)態(tài)模量MR與含水率w的關(guān)系進(jìn)行回歸，回歸系數(shù)如表5所示。

表5 動(dòng)態(tài)模量與含水率的回歸系數(shù)

從表5可以看出，3種路基填料的動(dòng)態(tài)模量MR與含水率w的回歸系數(shù)R均大于0.85，表明二者具有良好的回歸關(guān)系。

3 室內(nèi)外動(dòng)態(tài)模量關(guān)系的建立

室內(nèi)外動(dòng)態(tài)模量關(guān)系的建立可以考慮以含水率作為中間橋梁，即根據(jù)室內(nèi)動(dòng)態(tài)模量MR與含水率w的回歸關(guān)系，把現(xiàn)場檢測點(diǎn)位的含水率代入該回歸關(guān)系，可以得出現(xiàn)場點(diǎn)位含水率狀態(tài)下的室內(nèi)動(dòng)態(tài)模量MR，依次求出所有點(diǎn)位的MR后，再采用直線方程y＝ax＋b建立現(xiàn)場檢測動(dòng)態(tài)模量與室內(nèi)動(dòng)態(tài)模量之間的回歸關(guān)系（見表6）。

表6 室內(nèi)外動(dòng)態(tài)模量的回歸關(guān)系

由表6可知，室內(nèi)動(dòng)態(tài)模量MR與EP、EF和DP均具有較好的回歸關(guān)系，其中，MR－EP的回歸系數(shù)最高，其值均大于0.75，MR－EF的回歸系數(shù)次之，其值在0.69～0.79之間，而EP－DP 的回歸系數(shù)最小，其值在0.61～0.65之間。

MR－EP與MR－EF的回歸參數(shù)數(shù)a均為負(fù)值，而EP－DP回歸參數(shù)a均為正值，這似乎與動(dòng)態(tài)模量的概念存在一定偏差，造成這種情況的主要原因在于，現(xiàn)場動(dòng)態(tài)模量EP、EF與含水率負(fù)相關(guān)，DP與含水率正相關(guān)，而當(dāng)含水率低于最佳含水率時(shí)，室內(nèi)動(dòng)態(tài)模量MR與含水率正相關(guān)。而室內(nèi)動(dòng)態(tài)模量與含水率的回歸關(guān)系為凸型拋物線，當(dāng)含水率低于最佳含水率（現(xiàn)場含水率情況一般符合這一情況），MR與含水率正相關(guān)。因此，采用本方法建立室內(nèi)外動(dòng)態(tài)模量換算關(guān)系時(shí)，一定要明確現(xiàn)場含水率狀況。

4 結(jié)語

1）黏性土、砂性土和土石混填3種路基填料采用PFWD、FWD和DCP測試方法所得的模量指標(biāo)彼此之間存在良好的雙對(duì)數(shù)回歸關(guān)系，其中，EP－EF的回歸系數(shù)最高，EP－DP 的回歸系數(shù)次之，而EP－DP的回歸系數(shù)最小。

2）上述3種路基填料的室內(nèi)動(dòng)態(tài)模量與含水率具有良好凸型拋物線的回歸關(guān)系，且當(dāng)含水率小于最佳含水率時(shí)，動(dòng)態(tài)模量的下降幅度較大，而當(dāng)含水率大于最佳含水率時(shí)，動(dòng)態(tài)模量的下降幅度相對(duì)較小。

3）上述3種路基填料的MR與EP、EF和DP均具有較好的回歸關(guān)系，其中，MR－EP的回歸系數(shù)最高，MR－EF的回歸系數(shù)次之，而EP－DP 的回歸系數(shù)最小。

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