室內(nèi)三軸試驗中路基土回彈模量的影響因素分析

室內(nèi)三軸試驗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)計規(guī)范》（jtj014-97）中繼光土回彈模量的評價是國家進行的詳細研究和試驗的結(jié)果，主要代表20世紀60年代前后道路西側(cè)以下道路的土壤條件的靜態(tài)值，難以準確反映現(xiàn)有高架道路的土壤條件。然而，我國《道路土壤測試規(guī)則》（jtj057-93）中采用的“室內(nèi)小負荷試驗法”和“現(xiàn)場實測法（支撐板法或貝克曼梁法）的試驗缺陷。在小負荷內(nèi)，試驗對象沒有方向壓力，壓力條件與現(xiàn)場地面的壓力狀態(tài)不一致，僅用于靜態(tài)回波模量的校正。測試和定價方法和價值模式不完整?，F(xiàn)場支撐板法成本、成本、操作復(fù)雜、變化范圍廣，實際應(yīng)用不足。因此，有必要深入研究動態(tài)模式下的回波模量，為瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計提供科學的方法和價值標準。路基土回彈模量主要受其應(yīng)力狀況、物理狀況(含水量與壓實度)和材料性質(zhì)三方面因素的影響.對于應(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)時間對路基土的回彈性狀沒有或僅有很小影響;對粒狀材料來講,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,回彈特性對應(yīng)力歷史基本上不敏感;重復(fù)應(yīng)力作用次數(shù)對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)力級位對路基土回彈模量的影響.本文參照國內(nèi)外研究經(jīng)驗,對幾種有代表性的路基土進行重復(fù)加載三軸試驗,分析各種路基土回彈模量與應(yīng)力級位、含水量和壓實度之間的關(guān)系,并根據(jù)分析結(jié)果對回彈模量的測試及取值條件進行討論.1試驗部分1.1路基土特性分析(1)試驗材料.根據(jù)我國公路工程路基土分類標準,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)試驗方案.分析應(yīng)力級位影響時,只選用具有最佳含水量和96%壓實度的路基土進行分析.分析含水量和壓實度影響時,對各種路基土在所有應(yīng)力級位下的回彈模量值采用散點圖進行直觀比較,且相應(yīng)試樣采用符號代表,如wopt-3.0%96%代表不同側(cè)向應(yīng)力下實際含水量為最佳含水量-3.0%且實際壓實度為96%的試樣.1.2utm-100試驗?zāi)壳?重復(fù)加載三軸試驗是測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規(guī)程(T307—99),結(jié)合我國路面結(jié)構(gòu)的實際狀況和試驗儀器情況制定了重復(fù)加載三軸試驗方法.試驗儀器為澳大利亞產(chǎn)通用測試儀UTM-100,圍壓為氣壓加載.(1)試件制備.試件尺寸為10cm×20cm,采用萬能液壓試驗機靜壓壓實成型.根據(jù)擊實試驗結(jié)果,分別按90%和96%的目標壓實度制備試件,并利用試驗前后2次測量到的試件高度平均值來計算實際壓實度.在重復(fù)加載三軸試驗后測定整個試件的實際含水量.(2)試驗參數(shù).荷載波形:半正矢波;荷載頻率:10Hz;加載時間:0.2s;荷載間歇時間:0.8s.(3)試驗加載序列.參照AASHTOT292—91,NCHRP1-28A等試驗方法,根據(jù)我國實際路面結(jié)構(gòu)特點,以計算統(tǒng)計分析制定出三軸加載序列(見表2).對每一個加載步驟,待應(yīng)變水平穩(wěn)定后,取最后5次數(shù)據(jù)來計算路基土的回彈模量.1.3試件壓實度誤差試驗中,不同狀態(tài)下的各種路基土樣均制備3個平行試件.試件實際含水量與目標含水量誤差不超過1%,實際壓實度與目標壓實度誤差不超過2%.每個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,若其垂直永久應(yīng)變達到5%,則預(yù)壓停止.此時應(yīng)分析試件未獲得足夠壓實度的原因.如不能給出合理的解釋,應(yīng)重新成型、測試.回彈模量測定過程中,當試件垂直永久應(yīng)變超過5%時,停止試驗并記錄該結(jié)果.每個平行試件回彈模量值與平均值誤差不超過5%.2試驗結(jié)果與分析2.1基層路基土應(yīng)力級位和一般路基土應(yīng)力級位對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壓實度為96%的試樣進行各應(yīng)力級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)對于不同的應(yīng)力級位,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2.5～2.8倍.(2)側(cè)向應(yīng)力(σ3)對砂土回彈模量有顯著影響,而偏應(yīng)力(σd)對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,砂土回彈模量對側(cè)向應(yīng)力有較強的依賴性,對偏應(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側(cè)向應(yīng)力和偏應(yīng)力均有較強的依賴性.(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,因此對路基土回彈模量進行取值時,必須兼顧偏應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力的影響.由于應(yīng)力級位對路基土回彈模量值有非常顯著的影響,因此試驗時應(yīng)采用多個應(yīng)力級位加載序列,取值時則應(yīng)估算路基土的實際受力水平.具體過程為:實測或估計材料參數(shù),利用彈性層狀體系計算軟件估算實際路面結(jié)構(gòu)路基土的應(yīng)力水平.此外,在標準軸載下,低等級路面偶爾會出現(xiàn)較大應(yīng)力級位的狀況,但通常各級路面結(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)過計算,則推薦用于路基土回彈模量取值的應(yīng)力級位為:σ1=50kPa,σ3=30kPa.2.2wopt回彈模量計算公式法不同含水量和壓實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)粘土對含水量變化最為敏感.在相同壓實度、相同應(yīng)力級位下,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含水量變化也十分敏感.在相同壓實度、相同應(yīng)力級位下,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%.由于含水量對路基土回彈模量的影響十分顯著,因此,要準確測定或預(yù)估路基土的回彈模量,首先就要準確測定或預(yù)估路基土的含水量.我國《公路土工試驗規(guī)程》(JTJ057—93)中,路基土回彈模量試驗按其最佳含水量制備試件,這顯然不科學.合理的方法應(yīng)為測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)計規(guī)范》(JTJ014—97)按公路自然區(qū)域和路基土干濕類型估計最不利時期路基土的含水量狀況,并由此選定路基土設(shè)計回彈模量值.這種按最不利季節(jié)取值的標準尚屬保守.較為科學的方法為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線性累加破壞準則和AASHTO柔性路面設(shè)計方程式(1993)得到每月路基土回彈模量的權(quán)重系數(shù),然后指定一個權(quán)重系數(shù)等于或最接近于1的季節(jié)為設(shè)計季節(jié),并用設(shè)計季節(jié)的回彈模量代替路面設(shè)計過程中所使用的多個回彈模量.Guan等的基于季節(jié)的設(shè)計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等還提出更簡單的方法,就是直接利用權(quán)重系數(shù)計算路基土回彈模量的加權(quán)平均值.這個權(quán)重系數(shù)可以根據(jù)測得的相應(yīng)于不同季節(jié)可能遇到的各范圍含水量的室內(nèi)回彈模量計算得到,還可以根據(jù)各個季節(jié)無損傷鋪面檢測反算得到.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的加權(quán)平均法較為科學,公式(1)可以借鑒使用.2.3壓實度的選取由圖5～8可見,各路基土回彈模量均受壓實度的影響.考慮各路基土樣含水量的不同,對試驗數(shù)據(jù)進行簡單的插值處理.結(jié)果顯示:在相同應(yīng)力級位、含水量為最佳含水量情況下,壓實度由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%.對于砂土來說,壓實度對回彈模量的影響很小.壓實度取值應(yīng)根據(jù)實際施工水平和現(xiàn)場所能達到的壓實度水平確定,但在室內(nèi)試驗制備試件過程中,壓