室内三轴试验中路基土回弹模量的影响因素分析

室内三轴试验中路基土回弹模量的影响因素分析

目前，我国《道路沥青路面设计规范》（jtj014-97）中继光土回弹模量的评价是国家进行的详细研究和试验的结果，主要代表20世纪60年代前后道路西侧以下道路的土壤条件的静态值，难以准确反映现有高架道路的土壤条件。然而，我国《道路土壤测试规则》（jtj057-93）中采用的“室内小负荷试验法”和“现场实测法（支撑板法或贝克曼梁法）的试验缺陷。在小负荷内，试验对象没有方向压力，压力条件与现场地面的压力状态不一致，仅用于静态回波模量的校正。测试和定价方法和价值模式不完整。现场支撑板法成本、成本、操作复杂、变化范围广，实际应用不足。因此，有必要深入研究动态模式下的回波模量，为沥青路面结构设计提供科学的方法和价值标准。路基土回弹模量主要受其应力状况、物理状况(含水量与压实度)和材料性质三方面因素的影响.对于应力状况而言,国内外的有关研究表明,应力状况中加载频率和持续时间对路基土的回弹性状没有或仅有很小影响;对粒状材料来讲,只要作用应力保持在不产生较大永久变形的低水平时,回弹特性对应力历史基本上不敏感;重复应力作用次数对路基土回弹模量的影响大致可以忽略.因此,本文仅探讨应力级位对路基土回弹模量的影响.本文参照国内外研究经验,对几种有代表性的路基土进行重复加载三轴试验,分析各种路基土回弹模量与应力级位、含水量和压实度之间的关系,并根据分析结果对回弹模量的测试及取值条件进行讨论.1试验部分1.1路基土特性分析(1)试验材料.根据我国公路工程路基土分类标准,分别选取了几种最具代表性的土样———粘土(clay),粉土(silt)和砂土(sand),其中粘土出自祁临高速k949和商菏高速k4,粉土出自重隧高速k800,砂土出自京珠高速k275.路基土的性质参数见表1.(2)试验方案.分析应力级位影响时,只选用具有最佳含水量和96%压实度的路基土进行分析.分析含水量和压实度影响时,对各种路基土在所有应力级位下的回弹模量值采用散点图进行直观比较,且相应试样采用符号代表,如wopt-3.0%96%代表不同侧向应力下实际含水量为最佳含水量-3.0%且实际压实度为96%的试样.1.2utm-100试验目前,重复加载三轴试验是测试路基土回弹模量的首选方法.本文参照美国AASHTO路基土与未处理粒料回弹模量试验规程(T307—99),结合我国路面结构的实际状况和试验仪器情况制定了重复加载三轴试验方法.试验仪器为澳大利亚产通用测试仪UTM-100,围压为气压加载.(1)试件制备.试件尺寸为10cm×20cm,采用万能液压试验机静压压实成型.根据击实试验结果,分别按90%和96%的目标压实度制备试件,并利用试验前后2次测量到的试件高度平均值来计算实际压实度.在重复加载三轴试验后测定整个试件的实际含水量.(2)试验参数.荷载波形:半正矢波;荷载频率:10Hz;加载时间:0.2s;荷载间歇时间:0.8s.(3)试验加载序列.参照AASHTOT292—91,NCHRP1-28A等试验方法,根据我国实际路面结构特点,以计算统计分析制定出三轴加载序列(见表2).对每一个加载步骤,待应变水平稳定后,取最后5次数据来计算路基土的回弹模量.1.3试件压实度误差试验中,不同状态下的各种路基土样均制备3个平行试件.试件实际含水量与目标含水量误差不超过1%,实际压实度与目标压实度误差不超过2%.每个试件的高度和含水量与平行试件均值误差不超过1%.试件加载预压1000次时,若其垂直永久应变达到5%,则预压停止.此时应分析试件未获得足够压实度的原因.如不能给出合理的解释,应重新成型、测试.回弹模量测定过程中,当试件垂直永久应变超过5%时,停止试验并记录该结果.每个平行试件回弹模量值与平均值误差不超过5%.2试验结果与分析2.1基层路基土应力级位和一般路基土应力级位对原始地件基层土回弹模量影响的显著性因素显著性选定具有最佳含水量和目标压实度为96%的试样进行各应力级位下的回弹模量分析,结果见图1～4.由图1～4可以看出:(1)对于不同的应力级位,相同物理状态下路基土的回弹模量均有较大变化,其差异最大可达2.5～2.8倍.(2)侧向应力(σ3)对砂土回弹模量有显著影响,而偏应力(σd)对砂土回弹模量的影响较小.砂土回弹模量双应力因素的方差分析结果(见表3)表明,砂土回弹模量对侧向应力有较强的依赖性,对偏应力依赖性则较弱,但其影响仍然具备较高的显著性水平.(3)偏应力和侧向应力对粘土和粉土的回弹模量均有显著影响,即粘土和粉土的回弹模量对侧向应力和偏应力均有较强的依赖性.(4)侧向应力和偏应力都不是影响路基土回弹模量的唯一因素,因此对路基土回弹模量进行取值时,必须兼顾偏应力和侧向应力的影响.由于应力级位对路基土回弹模量值有非常显著的影响,因此试验时应采用多个应力级位加载序列,取值时则应估算路基土的实际受力水平.具体过程为:实测或估计材料参数,利用弹性层状体系计算软件估算实际路面结构路基土的应力水平.此外,在标准轴载下,低等级路面偶尔会出现较大应力级位的状况,但通常各级路面结构路基土应力水平相差不大,典型应力水平为:σ1=30～50kPa;σ3=10～30kPa.如不经过计算,则推荐用于路基土回弹模量取值的应力级位为:σ1=50kPa,σ3=30kPa.2.2wopt回弹模量计算公式法不同含水量和压实度下路基土的回弹模量见图5～8,其中同一偏应力下,不同侧向应力路基土回弹模量沿纵坐标竖向排列,且由上到下依次为:σ3=60,45,30,15kPa.由图5～8可以看出:(1)粘土对含水量变化最为敏感.在相同压实度、相同应力级位下,粘土含水量由wopt-3%升至wopt,其回弹模量最低降至原来的34%;粘土含水量由wopt-3%升至wopt+3%,其回弹模量最低甚至降至原来的12%.(2)粉土和砂土回弹模量对含水量变化也十分敏感.在相同压实度、相同应力级位下,粉土含水量由wopt-3%升至wopt,其回弹模量最低降至原来的61%;粉土含水量由wopt-3%升至wopt+3%,其回弹模量最低降至原来的34%.砂土含水量由wopt-3%升至wopt,其回弹模量最低降至原来的65%;砂土含水量由wopt-3%升至wopt+3%,其回弹模量最低降至原来的43%.由于含水量对路基土回弹模量的影响十分显著,因此,要准确测定或预估路基土的回弹模量,首先就要准确测定或预估路基土的含水量.我国《公路土工试验规程》(JTJ057—93)中,路基土回弹模量试验按其最佳含水量制备试件,这显然不科学.合理的方法应为测试各种可能含水量状态下的路基土回弹模量.《公路沥青路面设计规范》(JTJ014—97)按公路自然区域和路基土干湿类型估计最不利时期路基土的含水量状况,并由此选定路基土设计回弹模量值.这种按最不利季节取值的标准尚属保守.较为科学的方法为Guan等提出的加权平均法,该方法考虑了每月含水量对路基土回弹模量变化的影响,即先根据Miner线性累加破坏准则和AASHTO柔性路面设计方程式(1993)得到每月路基土回弹模量的权重系数,然后指定一个权重系数等于或最接近于1的季节为设计季节,并用设计季节的回弹模量代替路面设计过程中所使用的多个回弹模量.Guan等的基于季节的设计方法反映了全年所有季节路基土回弹模量随含水量的变化和相关破坏.另外,Guan等还提出更简单的方法,就是直接利用权重系数计算路基土回弹模量的加权平均值.这个权重系数可以根据测得的相应于不同季节可能遇到的各范围含水量的室内回弹模量计算得到,还可以根据各个季节无损伤铺面检测反算得到.权重系数公式为式中:WF,i为月回弹模量权重系数;Erm,i为每月回弹模量平均值.上述考虑损坏线性累计的加权平均法较为科学,公式(1)可以借鉴使用.2.3压实度的选取由图5～8可见,各路基土回弹模量均受压实度的影响.考虑各路基土样含水量的不同,对试验数据进行简单的插值处理.结果显示:在相同应力级位、含水量为最佳含水量情况下,压实度由96%降至90%,粘土回弹模量最低约下降至原来的65%,粉土回弹模量最低约下降至原来的70%.对于砂土来说,压实度对回弹模量的影响很小.压实度取值应根据实际施工水平和现场所能达到的压实度水平确定,但在室内试验制备试件过程中,压