室內(nèi)三軸試驗(yàn)中路基土回彈模量的影響因素分析

室內(nèi)三軸試驗(yàn)中路基土回彈模量的影響因素分析

目前，我國《道路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（jtj014-97）中繼光土回彈模量的評(píng)價(jià)是國家進(jìn)行的詳細(xì)研究和試驗(yàn)的結(jié)果，主要代表20世紀(jì)60年代前后道路西側(cè)以下道路的土壤條件的靜態(tài)值，難以準(zhǔn)確反映現(xiàn)有高架道路的土壤條件。然而，我國《道路土壤測(cè)試規(guī)則》（jtj057-93）中采用的“室內(nèi)小負(fù)荷試驗(yàn)法”和“現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法（支撐板法或貝克曼梁法）的試驗(yàn)缺陷。在小負(fù)荷內(nèi)，試驗(yàn)對(duì)象沒有方向壓力，壓力條件與現(xiàn)場(chǎng)地面的壓力狀態(tài)不一致，僅用于靜態(tài)回波模量的校正。測(cè)試和定價(jià)方法和價(jià)值模式不完整?，F(xiàn)場(chǎng)支撐板法成本、成本、操作復(fù)雜、變化范圍廣，實(shí)際應(yīng)用不足。因此，有必要深入研究動(dòng)態(tài)模式下的回波模量，為瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)的方法和價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)。路基土回彈模量主要受其應(yīng)力狀況、物理狀況(含水量與壓實(shí)度)和材料性質(zhì)三方面因素的影響.對(duì)于應(yīng)力狀況而言,國內(nèi)外的有關(guān)研究表明,應(yīng)力狀況中加載頻率和持續(xù)時(shí)間對(duì)路基土的回彈性狀沒有或僅有很小影響;對(duì)粒狀材料來講,只要作用應(yīng)力保持在不產(chǎn)生較大永久變形的低水平時(shí),回彈特性對(duì)應(yīng)力歷史基本上不敏感;重復(fù)應(yīng)力作用次數(shù)對(duì)路基土回彈模量的影響大致可以忽略.因此,本文僅探討應(yīng)力級(jí)位對(duì)路基土回彈模量的影響.本文參照國內(nèi)外研究經(jīng)驗(yàn),對(duì)幾種有代表性的路基土進(jìn)行重復(fù)加載三軸試驗(yàn),分析各種路基土回彈模量與應(yīng)力級(jí)位、含水量和壓實(shí)度之間的關(guān)系,并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)回彈模量的測(cè)試及取值條件進(jìn)行討論.1試驗(yàn)部分1.1路基土特性分析(1)試驗(yàn)材料.根據(jù)我國公路工程路基土分類標(biāo)準(zhǔn),分別選取了幾種最具代表性的土樣———粘土(clay),粉土(silt)和砂土(sand),其中粘土出自祁臨高速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.路基土的性質(zhì)參數(shù)見表1.(2)試驗(yàn)方案.分析應(yīng)力級(jí)位影響時(shí),只選用具有最佳含水量和96%壓實(shí)度的路基土進(jìn)行分析.分析含水量和壓實(shí)度影響時(shí),對(duì)各種路基土在所有應(yīng)力級(jí)位下的回彈模量值采用散點(diǎn)圖進(jìn)行直觀比較,且相應(yīng)試樣采用符號(hào)代表,如wopt-3.0%96%代表不同側(cè)向應(yīng)力下實(shí)際含水量為最佳含水量-3.0%且實(shí)際壓實(shí)度為96%的試樣.1.2utm-100試驗(yàn)?zāi)壳?重復(fù)加載三軸試驗(yàn)是測(cè)試路基土回彈模量的首選方法.本文參照美國AASHTO路基土與未處理粒料回彈模量試驗(yàn)規(guī)程(T307—99),結(jié)合我國路面結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況和試驗(yàn)儀器情況制定了重復(fù)加載三軸試驗(yàn)方法.試驗(yàn)儀器為澳大利亞產(chǎn)通用測(cè)試儀UTM-100,圍壓為氣壓加載.(1)試件制備.試件尺寸為10cm×20cm,采用萬能液壓試驗(yàn)機(jī)靜壓壓實(shí)成型.根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果,分別按90%和96%的目標(biāo)壓實(shí)度制備試件,并利用試驗(yàn)前后2次測(cè)量到的試件高度平均值來計(jì)算實(shí)際壓實(shí)度.在重復(fù)加載三軸試驗(yàn)后測(cè)定整個(gè)試件的實(shí)際含水量.(2)試驗(yàn)參數(shù).荷載波形:半正矢波;荷載頻率:10Hz;加載時(shí)間:0.2s;荷載間歇時(shí)間:0.8s.(3)試驗(yàn)加載序列.參照AASHTOT292—91,NCHRP1-28A等試驗(yàn)方法,根據(jù)我國實(shí)際路面結(jié)構(gòu)特點(diǎn),以計(jì)算統(tǒng)計(jì)分析制定出三軸加載序列(見表2).對(duì)每一個(gè)加載步驟,待應(yīng)變水平穩(wěn)定后,取最后5次數(shù)據(jù)來計(jì)算路基土的回彈模量.1.3試件壓實(shí)度誤差試驗(yàn)中,不同狀態(tài)下的各種路基土樣均制備3個(gè)平行試件.試件實(shí)際含水量與目標(biāo)含水量誤差不超過1%,實(shí)際壓實(shí)度與目標(biāo)壓實(shí)度誤差不超過2%.每個(gè)試件的高度和含水量與平行試件均值誤差不超過1%.試件加載預(yù)壓1000次時(shí),若其垂直永久應(yīng)變達(dá)到5%,則預(yù)壓停止.此時(shí)應(yīng)分析試件未獲得足夠壓實(shí)度的原因.如不能給出合理的解釋,應(yīng)重新成型、測(cè)試.回彈模量測(cè)定過程中,當(dāng)試件垂直永久應(yīng)變超過5%時(shí),停止試驗(yàn)并記錄該結(jié)果.每個(gè)平行試件回彈模量值與平均值誤差不超過5%.2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1基層路基土應(yīng)力級(jí)位和一般路基土應(yīng)力級(jí)位對(duì)原始地件基層土回彈模量影響的顯著性因素顯著性選定具有最佳含水量和目標(biāo)壓實(shí)度為96%的試樣進(jìn)行各應(yīng)力級(jí)位下的回彈模量分析,結(jié)果見圖1～4.由圖1～4可以看出:(1)對(duì)于不同的應(yīng)力級(jí)位,相同物理狀態(tài)下路基土的回彈模量均有較大變化,其差異最大可達(dá)2.5～2.8倍.(2)側(cè)向應(yīng)力(σ3)對(duì)砂土回彈模量有顯著影響,而偏應(yīng)力(σd)對(duì)砂土回彈模量的影響較小.砂土回彈模量雙應(yīng)力因素的方差分析結(jié)果(見表3)表明,砂土回彈模量對(duì)側(cè)向應(yīng)力有較強(qiáng)的依賴性,對(duì)偏應(yīng)力依賴性則較弱,但其影響仍然具備較高的顯著性水平.(3)偏應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力對(duì)粘土和粉土的回彈模量均有顯著影響,即粘土和粉土的回彈模量對(duì)側(cè)向應(yīng)力和偏應(yīng)力均有較強(qiáng)的依賴性.(4)側(cè)向應(yīng)力和偏應(yīng)力都不是影響路基土回彈模量的唯一因素,因此對(duì)路基土回彈模量進(jìn)行取值時(shí),必須兼顧偏應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力的影響.由于應(yīng)力級(jí)位對(duì)路基土回彈模量值有非常顯著的影響,因此試驗(yàn)時(shí)應(yīng)采用多個(gè)應(yīng)力級(jí)位加載序列,取值時(shí)則應(yīng)估算路基土的實(shí)際受力水平.具體過程為:實(shí)測(cè)或估計(jì)材料參數(shù),利用彈性層狀體系計(jì)算軟件估算實(shí)際路面結(jié)構(gòu)路基土的應(yīng)力水平.此外,在標(biāo)準(zhǔn)軸載下,低等級(jí)路面偶爾會(huì)出現(xiàn)較大應(yīng)力級(jí)位的狀況,但通常各級(jí)路面結(jié)構(gòu)路基土應(yīng)力水平相差不大,典型應(yīng)力水平為:σ1=30～50kPa;σ3=10～30kPa.如不經(jīng)過計(jì)算,則推薦用于路基土回彈模量取值的應(yīng)力級(jí)位為:σ1=50kPa,σ3=30kPa.2.2wopt回彈模量計(jì)算公式法不同含水量和壓實(shí)度下路基土的回彈模量見圖5～8,其中同一偏應(yīng)力下,不同側(cè)向應(yīng)力路基土回彈模量沿縱坐標(biāo)豎向排列,且由上到下依次為:σ3=60,45,30,15kPa.由圖5～8可以看出:(1)粘土對(duì)含水量變化最為敏感.在相同壓實(shí)度、相同應(yīng)力級(jí)位下,粘土含水量由wopt-3%升至wopt,其回彈模量最低降至原來的34%;粘土含水量由wopt-3%升至wopt+3%,其回彈模量最低甚至降至原來的12%.(2)粉土和砂土回彈模量對(duì)含水量變化也十分敏感.在相同壓實(shí)度、相同應(yīng)力級(jí)位下,粉土含水量由wopt-3%升至wopt,其回彈模量最低降至原來的61%;粉土含水量由wopt-3%升至wopt+3%,其回彈模量最低降至原來的34%.砂土含水量由wopt-3%升至wopt,其回彈模量最低降至原來的65%;砂土含水量由wopt-3%升至wopt+3%,其回彈模量最低降至原來的43%.由于含水量對(duì)路基土回彈模量的影響十分顯著,因此,要準(zhǔn)確測(cè)定或預(yù)估路基土的回彈模量,首先就要準(zhǔn)確測(cè)定或預(yù)估路基土的含水量.我國《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ057—93)中,路基土回彈模量試驗(yàn)按其最佳含水量制備試件,這顯然不科學(xué).合理的方法應(yīng)為測(cè)試各種可能含水量狀態(tài)下的路基土回彈模量.《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ014—97)按公路自然區(qū)域和路基土干濕類型估計(jì)最不利時(shí)期路基土的含水量狀況,并由此選定路基土設(shè)計(jì)回彈模量值.這種按最不利季節(jié)取值的標(biāo)準(zhǔn)尚屬保守.較為科學(xué)的方法為Guan等提出的加權(quán)平均法,該方法考慮了每月含水量對(duì)路基土回彈模量變化的影響,即先根據(jù)Miner線性累加破壞準(zhǔn)則和AASHTO柔性路面設(shè)計(jì)方程式(1993)得到每月路基土回彈模量的權(quán)重系數(shù),然后指定一個(gè)權(quán)重系數(shù)等于或最接近于1的季節(jié)為設(shè)計(jì)季節(jié),并用設(shè)計(jì)季節(jié)的回彈模量代替路面設(shè)計(jì)過程中所使用的多個(gè)回彈模量.Guan等的基于季節(jié)的設(shè)計(jì)方法反映了全年所有季節(jié)路基土回彈模量隨含水量的變化和相關(guān)破壞.另外,Guan等還提出更簡(jiǎn)單的方法,就是直接利用權(quán)重系數(shù)計(jì)算路基土回彈模量的加權(quán)平均值.這個(gè)權(quán)重系數(shù)可以根據(jù)測(cè)得的相應(yīng)于不同季節(jié)可能遇到的各范圍含水量的室內(nèi)回彈模量計(jì)算得到,還可以根據(jù)各個(gè)季節(jié)無損傷鋪面檢測(cè)反算得到.權(quán)重系數(shù)公式為式中:WF,i為月回彈模量權(quán)重系數(shù);Erm,i為每月回彈模量平均值.上述考慮損壞線性累計(jì)的加權(quán)平均法較為科學(xué),公式(1)可以借鑒使用.2.3壓實(shí)度的選取由圖5～8可見,各路基土回彈模量均受壓實(shí)度的影響.考慮各路基土樣含水量的不同,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的插值處理.結(jié)果顯示:在相同應(yīng)力級(jí)位、含水量為最佳含水量情況下,壓實(shí)度由96%降至90%,粘土回彈模量最低約下降至原來的65%,粉土回彈模量最低約下降至原來的70%.對(duì)于砂土來說,壓實(shí)度對(duì)回彈模量的影響很小.壓實(shí)度取值應(yīng)根據(jù)實(shí)際施工水平和現(xiàn)場(chǎng)所能達(dá)到的壓實(shí)度水平確定,但在室內(nèi)試驗(yàn)制備試件過程中,壓