土工格柵加筋碎石土動(dòng)回彈模量試驗(yàn)研究

周志剛 張航 韓健

摘要：為了提供路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)確定加筋土路基動(dòng)回彈模量的依據(jù)，促進(jìn)加筋土技術(shù)在道路工程中的推廣應(yīng)用，文章利用動(dòng)三軸儀對(duì)土工格柵加筋碎石土進(jìn)行動(dòng)回彈模量試驗(yàn)，并對(duì)比分析了含水率和加筋方式對(duì)動(dòng)回彈模量的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：含水率的提高會(huì)降低加筋土體的動(dòng)回彈模量，確定加筋土路堤動(dòng)回彈模量時(shí)應(yīng)考慮平衡含水率的影響;土體加筋之后可以提高其動(dòng)回彈模量，在土體中水平剪切變形層位布設(shè)土工格柵，增加加筋層數(shù)或減少加筋層間距，對(duì)提高動(dòng)回彈模量的效果明顯。

關(guān)鍵詞：土工格柵;碎石土;動(dòng)回彈模量;含水率;加筋方式;影響規(guī)律

0 引言

在現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[1]中，路基土的動(dòng)回彈模量是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。室內(nèi)外試驗(yàn)研究表明，在路基中布設(shè)土工格柵之類的加筋材料有助于提高路基的回彈模量。杜運(yùn)興等人[2]利用彎沉試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)反映回彈模量的大小，研究表明，預(yù)應(yīng)力CFGR加筋土技術(shù)可以顯著提高加筋土路堤的回彈模量并加速加筋土結(jié)構(gòu)沉降穩(wěn)定。許愛華等人[3]在室內(nèi)對(duì)小間距土工格柵加筋粉砂土和小間距土工布加筋粒料土的回彈變形特性進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)二者均能通過(guò)加筋層與土的共同作用來(lái)提高加筋土的整體性，并提出“儲(chǔ)存和釋放彈性能”機(jī)理。胡幼常等人[4]按照公路土工試驗(yàn)規(guī)程，利用強(qiáng)度儀法測(cè)定了摻砂黃土和土工格柵加筋黃土試樣的回彈模量，對(duì)兩種方法的可行性進(jìn)行了研究與詳細(xì)的對(duì)比分析，結(jié)果表明，兩種方法都能明顯提高黃土的回彈模量，同時(shí)使用效果更佳。Yuan等人[5]利用野外承載板法確定回彈模量，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)玻璃纖維土工格柵加固軟土地基的效果進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，不同埋深的土工格柵加固效果不同，且上層加筋土的回彈模量越大，加固效果越好。尹錦明等人[6]通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)定了素土和纖維土的回彈模量，通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，加筋土的回彈模量隨著聚丙烯纖維的摻加而不斷提高，并且擊實(shí)功越大，回彈模量也越大。Abu-Farsakh等人[7]利用承載板試驗(yàn)，評(píng)價(jià)了土工合成材料對(duì)軟土地基路面鋪裝性能的改善作用，通過(guò)對(duì)六種不同類型和埋深的土工合成材料埋設(shè)區(qū)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)土工合成材料能降低路面車轍的作用，并且使基層回彈模量顯著提高。Kravchenko等人[8]通過(guò)不排水三軸壓縮試驗(yàn)，研究了纖維加筋黏土在凍融循環(huán)作用下的性能，[JP4]發(fā)現(xiàn)纖維加筋有助于防止凍融循環(huán)下黏土強(qiáng)度的下降，同時(shí)加筋黏土試樣的回彈模量要高于未加筋黏土試樣。張向東等人[9]利用GDS三軸試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了不同圍壓和動(dòng)應(yīng)力幅值條件下纖維加筋二灰土的動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究表明，隨著聚丙烯纖維的加入，二灰土體的剪切強(qiáng)度得到顯著提高。同時(shí)，在我國(guó)公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[10]中指出，路基的動(dòng)回彈模量由CBR強(qiáng)度通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式換算得來(lái)，但由此得到的路基動(dòng)回彈模量往往誤差較大，而且精度不是很高。

因此，本文利用土工試驗(yàn)動(dòng)三軸系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)不同含水率、加筋方式以及圍壓下的土工格柵加筋碎石土試件進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，測(cè)試動(dòng)回彈模量，探究其隨不同影響因素的變化規(guī)律，為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定路基土動(dòng)回彈模量時(shí)提供參考。

1 試驗(yàn)材料

1.1 土工格柵

加筋材料為湖北力特土工合成材料有限公司生產(chǎn)的高密度聚乙烯土工格柵RS90PE。參照新土工格柵國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[11]，使用多功能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試。本次試驗(yàn)采取窄條拉伸方式，其物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

1.2 填料

加筋土所用的碎石土取自江西省某高速公路加筋土擋土墻工程現(xiàn)場(chǎng)。試驗(yàn)土的碎石含量約為63%，碎石粒徑主要集中在5～20 mm之間。通過(guò)顆粒組成統(tǒng)計(jì)可知，該碎石土屬于礫類土，d10=1.74、d30=4.58、d60=9.66，計(jì)算可得碎石土的不均勻系數(shù)Cu=5.56>5、Cc=1.25，所以，該碎石土易壓密，級(jí)配良好。通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)得到試驗(yàn)用碎石土的最佳含水量約為7.1%，最大干密度約為2.12 g/cm-3。

2 試驗(yàn)方案

2.1 加載序列的確定

在采用動(dòng)三軸試驗(yàn)測(cè)定動(dòng)回彈模量時(shí)，需要確定加載序列。對(duì)于碎石土之類的材料，所施加的動(dòng)應(yīng)力幅值應(yīng)由小依次增大進(jìn)行試驗(yàn)。本次加筋碎石土動(dòng)回彈模量試驗(yàn)，參考國(guó)內(nèi)陳聲凱等[12]建立的動(dòng)三軸加載序列，圍壓分別取50 kPa、100 kPa、150 kPa。具體加載序列情況如表2所示。

在正式加載前先進(jìn)行預(yù)加載，考慮到路基在施工期承受的荷載比運(yùn)營(yíng)期高很多，所以室內(nèi)模擬試驗(yàn)的預(yù)加載比正式加載要更加嚴(yán)格。國(guó)外推薦的預(yù)加載次數(shù)為500～2 000次，因此本次試驗(yàn)預(yù)加載次數(shù)選取最大值2 000次。

2.2 加載波形的確定

本次試驗(yàn)循環(huán)動(dòng)荷載的加載波形選擇半正弦波，加載頻率為1 Hz。在一個(gè)周期內(nèi)，參照路面材料動(dòng)三軸試驗(yàn)時(shí)加載0.1 s、間歇0.9 s的做法，考慮車輪荷載經(jīng)過(guò)數(shù)十厘米厚的路面結(jié)構(gòu)傳遞至路基頂面時(shí)影響范圍更大，路基土受荷時(shí)間延長(zhǎng)，故加載時(shí)間選為0.2 s，間歇時(shí)間選為0.8 s。

2.3 含水率的確定

國(guó)內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過(guò)研究表明，在給定的自然條件下，道路在運(yùn)營(yíng)期內(nèi)其路基的含水率會(huì)由最佳含水率逐漸增大，并最終會(huì)在與當(dāng)?shù)丨h(huán)境相適應(yīng)的平衡含水率附近波動(dòng)。V.Quintus等[13]通過(guò)對(duì)137條運(yùn)營(yíng)期道路路基含水率的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)路基的含水率介于最佳含水率和150%最佳含水率之間。因此，本次試驗(yàn)的含水率確定為100%最佳含水率、115%最佳含水率、130%最佳含水率。

2.4 加筋方式的確定

本次試驗(yàn)試件為圓柱形，試驗(yàn)加筋方式分為不加筋、加一層筋、加兩層筋。其中，加一層筋時(shí)土工格柵放置于試件截面中心位置，加兩層筋時(shí)土工格柵分別放置于距試件頂面和底面50 mm處。具體加筋方式如圖1所示。

3 試驗(yàn)過(guò)程

3.1 試驗(yàn)儀器的選擇

在本次動(dòng)三軸試驗(yàn)中，試件采用靜壓成型，主要成型設(shè)備包括定制的對(duì)開模具和萬(wàn)能靜壓儀。試驗(yàn)加載系統(tǒng)采用深圳Reger公司定制的土工試驗(yàn)動(dòng)三軸系統(tǒng)。該土工試驗(yàn)動(dòng)三軸系統(tǒng)主要包括三大部分，分別是控制和數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)、加載系統(tǒng)和圍壓應(yīng)力提供系統(tǒng)。

3.2 試樣制備的流程

試件的制備采用萬(wàn)能靜壓儀分層靜壓成型。每層填料的質(zhì)量根據(jù)所取得的壓實(shí)度控制。由壓實(shí)度、干密度及試件的體積計(jì)算出所需的碎石土質(zhì)量，試件分五層進(jìn)行壓實(shí)，每一層的質(zhì)量一致，壓實(shí)厚度一致，保證試件壓實(shí)度均勻。試件最后一層靜壓結(jié)束后以恒載靜壓5 min。為了避免試件斷裂，選擇采用專門尺寸的脫模機(jī)進(jìn)行脫模。如若脫模后不能及時(shí)用于試驗(yàn)，則需要先用塑料保鮮膜包裹好試件，防止水分的蒸發(fā)。

3.3 試驗(yàn)操作的步驟

安裝試件，保證套好橡膠膜的試件置于三軸室的中間位置，并插入傳力桿，完成注水。通過(guò)圍壓控制器施加目標(biāo)圍壓，當(dāng)圍壓穩(wěn)定后，再施加10 N的接觸應(yīng)力，接著選擇加載次數(shù)和加載序列，進(jìn)行加載試驗(yàn)。所有序列加載完畢后，依次抬起加載器，拔掉輸水管，擰開排水閥，取出傳力桿。待三軸室內(nèi)部的水全部排出后，用扳手?jǐn)Q開螺絲，取下玻璃罩，取出試件，去除套在試件表面的橡膠膜，然后觀察試件是否有明顯的進(jìn)水現(xiàn)象，如果進(jìn)水比較明顯則認(rèn)為該次試驗(yàn)失敗，應(yīng)該重新制備試件再次進(jìn)行試驗(yàn)。

4 動(dòng)回彈模量影響因素分析

根據(jù)上述試驗(yàn)方案，每種組合工況要求做三組平行試件，利用動(dòng)三軸試驗(yàn)，可以得到每組試件在重復(fù)荷載作用下變形穩(wěn)定后的重復(fù)應(yīng)力和此時(shí)的回彈應(yīng)變，兩者比值即為動(dòng)回彈模量，可按式（1）計(jì)算：

對(duì)每個(gè)應(yīng)力幅值的最后10次應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)按式（1）進(jìn)行處理，取平均值視為當(dāng)前應(yīng)力幅值下所對(duì)應(yīng)的動(dòng)回彈模量。每組平行試驗(yàn)結(jié)果與其均值相差均應(yīng)≤5%。

4.1 含水率對(duì)動(dòng)回彈模量的影響

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制成圖2～4，分析比較試件含水率（OMC）對(duì)動(dòng)回彈模量的影響規(guī)律。

由圖2～4可以看出，含水率對(duì)加筋土試件動(dòng)回彈模量值的影響比較明顯。在其他條件不變時(shí)，試件含水率越高則其動(dòng)回彈模量值就越小，因?yàn)樵谒槭林泻猩倭筐ね?，而其含水率越高，結(jié)合水膜厚度就越大，土顆粒之間的距離也越大，土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角就越小，從而導(dǎo)致土體的抗壓性能和抗剪強(qiáng)度的降低，水對(duì)土顆粒的潤(rùn)滑作用就越大。水對(duì)土工格柵與碎石土顆粒之間也有類似的影響，所以在同一圍壓的應(yīng)力幅值下，含水率越大，試件的變形就越大，從而導(dǎo)致其動(dòng)回彈模量越小。

現(xiàn)單獨(dú)分析試件在加兩層筋且在同一圍壓下其動(dòng)回彈模量隨含水率的變化情況。當(dāng)試件含水率由最佳含水率增加到130%最佳含水率時(shí)：在50 kPa圍壓下，回彈模量下降了25.31%～32.31%，平均下降29.68%;在100 kPa圍壓下，回彈模量下降了28.54%～30.14%，平均下降29.57%;在150 kPa圍壓下，回彈模量下降了32.72%～34.56%，平均下降33.91%。

4.2 加筋方式對(duì)動(dòng)回彈模量的影響

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制成圖5～7，分析比較試件不同加筋方式對(duì)動(dòng)回彈模量的影響規(guī)律。

由圖5～7可以看出，當(dāng)只加一層土工格柵時(shí)，試件動(dòng)回彈模量基本沒(méi)有發(fā)生變化，而加了兩層土工格柵后，動(dòng)回彈模量明顯增大。碎石土中加入土工格柵以后，在一定程度上會(huì)改變土體的整體剛度。不加土工格柵和加一層土工格柵的動(dòng)回彈模量值差別很小，是因?yàn)樵谶M(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)時(shí)，由于試件上下結(jié)構(gòu)和荷載的對(duì)稱性，上下端部荷載傳遞至其中部時(shí)，橫截面上難以形成水平剪切錯(cuò)動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)即使在試件中部埋置了土工格柵，土工格柵與碎石土粒料之間也難以形成剪切嵌鎖效應(yīng)，與未埋置土工格柵的試件受力變形狀態(tài)差別甚微，所以即使加了一層土工格柵，其動(dòng)回彈模量并沒(méi)有什么變化。而當(dāng)加兩層土工格柵時(shí)，即在距試件上下端面附近各加一層土工格柵，在試件端部施加的荷載傳遞至試件上下部的土工格柵位置時(shí)，產(chǎn)生了水平剪切錯(cuò)動(dòng)行為，使得土工格柵與碎石土土體之間產(chǎn)生剪切嵌鎖效應(yīng)，約束了土體側(cè)向變形，降低了軸向變形，增加了碎石土體剛度，從而導(dǎo)致在加了兩層土工格柵后試件的動(dòng)回彈模量明顯增大。

現(xiàn)單獨(dú)分析試件在最佳含水率且在同一圍壓下其動(dòng)回彈模量隨加筋的變化情況。當(dāng)試件由不加筋到加兩層筋時(shí)：在50 kPa圍壓下，回彈模量增大了35.77%～39.17%，平均增大37.60%;在100 kPa圍壓下，回彈模量增大了33.40%～34.22%，平均增大34.81%;在150 kPa圍壓下，回彈模量增大了28.62%～34.93%，平均增大31.87%。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)，對(duì)土工格柵加筋碎石土動(dòng)回彈模量的影響因素進(jìn)行了探討，可以得出以下結(jié)論：

（1）含水率對(duì)土工格柵加筋碎石土動(dòng)回彈模量的影響明顯，130%最佳含水率會(huì)使得最佳含水率下成型的試件動(dòng)回彈模量平均降低約30%左右。因此，在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按平衡含水率測(cè)試確定土工格柵加筋土動(dòng)回彈模量，以真實(shí)地反映土工格柵加筋土實(shí)際的抗變形能力。

（2）土工格柵加筋碎石土動(dòng)回彈模量與土工格柵埋設(shè)的位置和加筋層數(shù)有一定的關(guān)系。土工格柵應(yīng)埋設(shè)在土體中存在水平剪切變形的層位，增加加筋層數(shù)或減少加筋間距，有助于提高加筋土體抗變形能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]JTGD50-2007，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]杜運(yùn)興，尚守平，周 芬.預(yù)應(yīng)力CFRP加筋土路堤現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].公路，2006（5）：127-131.

[3]許愛華，胡幼常，張宗保.小間距加筋土回彈變形特性分析[J].公路交通科技，2010，27（7）：52-55.

[4]胡幼常，申俊敏，趙建斌，等.土工格柵加筋摻砂黃土工程性質(zhì)試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2013，34（S2）：74-80，87.

[5]Yuan P，Huang J W. Fieldexperiment study of the semi-rigid base on port reinforced with glass fiber geogrid[J]. Advanced Materials Research，2014.1 004：1 468-1 473.