红黏土路基的动态与静态回弹模量对比分析

欧阳卫锋 王业驹 王志鑫

（1.新疆交通科学研究院，新疆乌鲁木齐 830000;2.广州博厦建筑设计研究院有限公司，广东广州 510623）

一、引言

回弹模量是路基设计中的一个重要参数，静态回弹模量操作方便，应用范围较广泛。但在车辆反复动力荷载的作用下，路基土的回弹模量在不同应力状态和外界环境作用下有较大差异。

本文以湖南永州地区的红黏土为研究对象，红黏土的基本物理力学性能参数如表1所示。

表1 路基土的性质参数

关于红黏土路基的回弹模量研究主要存在以下问题：

采用室内小承载板法测定的静态回弹模量没有考虑不同级位侧向压力的作用，测定的力学特性与路基土现场的应力状态不一致；现场承载板法工序繁杂，较少采用。

红黏土路基对应力状态有依赖性，不同的围压、偏应力等指标均会影响路基土的应力应变关系。用承载板法测定静态回弹模量时，围压是恒定不变的。

二、试验

通过承载比试验测定的CBR值可推算出路基土材料的模量值；通过小承载板法可直接测得土的静态回弹模量；通过重复加载三轴试验，可对试件施加不同的围压和偏应力，测得动态回弹模量。

经研究分析发现，不同应力状态下材料的回弹模量值有较大浮动。针对同一种路基土填料，采用不同的回弹模量测试方法对比不同试验方法得到的回弹模量值，有助于进一步分析路基土材料的应力-应变特性。

鉴于此，本文采用传统方法测定材料的静态回弹模量，采用重复加载三轴试验的方法测定路基土的动态回弹模量，并分析了不同试验方法下试验结果的差异性。

（一）静态回弹模量试验

通过基本的物理力学性能试验，得出路基土材料的最佳含水率和最大干密度，进而测定最佳含水率状态下路基土的加州承载比。CBR值与回弹模量具有相关性，通过CBR值可推算出路基土的静态回弹模量值。

本文采用承载板法测定了最佳含水率和93%压实度条件下的静态回弹模量值。

1.CBR试验

加州承载比是一个表示路基及路面材料强度的指标，能够表征材料局部抵抗塑性变形的能力。以达到某一变形水平时路基土材料所能承受的力与标准碎石所能承受的力的比值来表示。本文测定的最佳含水率条件下的路基土CBR值的试验结果如表2所示。

表2 最佳含水率条件下土的CBR试验结果

试验测得最佳含水率条件下红黏土路基的CBR值为13.96%，通过《公路路基设计规范》JTG D30-2015中规定的CBR值与回弹模量的关系得到回弹模量为94.2MPa。

2.静态回弹模量试验

室内静态回弹模量的测试方法有承载板法和强度仪法。本文中采用承载板法测试红黏土路基静态回弹模量，红黏土路基静态回弹模量试验结果如表3所示。

表3 红黏土路基静态回弹模量试验结果

采用承载板法测得红黏土路基单位压力下的回弹变形量，计算得出三组平行试件的回弹模量分别为102.9MPa、102.1MPa和108.2MPa，平均值为104.4MPa。

（二）重复加载三轴试验

本文采用动三轴仪进行重复加载三轴试验，试件尺寸为Φ100mm×200mm的圆柱形试件，成型方法为静压成型。三轴试验加载波形为半正弦波，加载频率为1HZ，加载时间为0.2s，间歇时间为0.8s，作用次数为150次，预载次数为1500次。

本文拟定采用的围压为10kPa、20kPa、30kPa、40kPa；偏应力为10kPa、20kPa、30kPa、40kPa。体应力为3倍围压和偏应力之和，偏应力的范围为40kPa～160kPa，试验所取的应力范围基本涵盖了红黏土路基的应力状态。

在计算回弹模量时，应测定在93%压实度和最佳含水率时，不同应力状态下的回弹模量值，并在各应力级位下分别加载150次，取最后5次回弹模量的平均值作为该应力级位下的回弹模量。在93%的压实度，23%的含水率时，不同应力状态下的试验结果如表4所示。

表4 不同应力状态下路基土动态回弹模量试验结果

由表4可以看出，动三轴试验的动模量结果分布范围为98.08MPa～163.36MPa，浮动值为65.28MPa，应力状态对回弹模量有较大影响。在围压为20kPa，偏应力为40kPa时的动回弹模量为106.78MPa；在围压为10kPa，偏应力为20kPa时的动回弹模量为100.9MPa。

承载板法测得的静态回弹模量平均值为104.4MPa，与动三轴在围压为20kPa，偏应力为40kPa时的试验结果相比相对较小，可以反映出在较不利的应力状态下路基土的回弹模量，即围压较小偏应力较大时的情况。

三、结论

本文采用不同的试验方法得到了不同的回弹模量值，对比总结如下：

通过承载比试验测得最佳含水率条件下红黏土路基的CBR值为13.96%，出回弹模量为94.2MPa;通过室内承载板法测得最佳含水率和93%压实度下的红黏土静态回弹模量为104.4MPa；通过模量的动三轴试验可知，在不同压实度和含水率条件下，动态回弹模量有较大的浮动范围，模量在84MPa～173MPa之间变化。

不同应力状态下路基土回弹模量的浮动值为65.28 MPa，以室内测得的某种特定条件下的回弹模量对路基进行设计，不具备代表性。考虑到应力状态的动态回弹会有较大浮动，有必要对回弹模量准确预估，并给出动模量参考值。

承载板法测得的静态回弹模量平均值为104.4MPa，与动三轴在围压为20kPa，偏应力为40kPa时的试验结果基本相当。

由CBR值计算得出的回填模量值和承载板法测得的回填模量值相对较小，可以反映出在较不利的应力状态下路基土的回弹模量，即围压较小偏应力较大时的情况，用于工程相对保守。