路基填料回弹模量预估方法试验研究

陈 真

(中铁十四局集团第三工程有限公司 山东济南 250300)

1 引言

路基是路面结构的支撑体[1]，在公路路基设计中，一般选用路基填料的回弹模量作为设计参数，表征填料在荷载作用下的抗变形能力[2]。但依照路基设计方法确定了路基各层位填料所需材料模量后，需根据现场供应填料的回弹模量来选择合适的填料，而施工现场一般很难直接得到路基填料的回弹模量，如按以往铺设较长试验段的方法选择各层填料势必会造成资源浪费，且耗时费力，因此如何快速预估路基填料回弹模量是路基填筑过程中亟待解决的关键问题。

诸多国内外学者开展路基填料回弹模量与其CBR的相关性研究，并取得了一定的成果。赵明华[3]等对河南省某公路路基土回弹模量与CBR进行相关性分析，提出该地区路基土CBR与回弹模量的关系式。覃绮平[4]根据大量工程实例，对路基土回弹模量与CBR进行回归分析，发现两者相关系数较高。吴喜荣[5]以山西典型黄土为研究对象，通过室内试验揭示了含水率和压实度对CBR及回弹模量的影响规律。在国外，关于路基填料CBR与回弹模量的关系也一直是研究重点。Erlingsson[6]对20种不同粒料材料进行重复荷载三轴试验和CBR试验，结果显示，在已知材料CBR值的情况下，可以用一个简单的幂函数来预测其动态回弹模量。George等[7]、Gansonre[8]等分别以波兰黏土、红土为研究对象，建立回弹模量预测经验公式，为路基设计提供参考。

综上，国内外学者对于各种路基土填料的CBR与回弹模量关系进行了广泛研究，建立了各自的回归方程。但现有研究大多针对某一类路基土填料，将浸水CBR值与回弹模量建立联系。实际上，浸水CBR与动态回弹模量两类试验所用试件的初始湿密状态并不一致。为快速准确确定各层位的填料类型，本文开展路基填料路用性能试验，对填料的回弹模量与CBR相关性进行分析，建立浸水与不浸水CBR为指标的路基填料回弹模量预估方法，旨在为合理利用路基填料、进行路基填筑方案设计提供参考依据。

2 试验填料

本文以海南国道G360公路项目为依托工程，工程沿线分布约138万m3高液限土。高液限土具有天然含水率高、亲水性强、水稳定性差等不良工程性质，在路基施工过程中往往达不到压实度要求。为此，本文以水泥改良的方式来增加填料的压实度，分别在高液限土中添加3%、4%、5%和6%的水泥。试验土样分别取自海南G360公路的WLTJ10标段和WLTJ11标段，两个标段的高液限土及其他现场天然填料的基本物理特性指标如表1所示。

表1 土样基本物理性质指标

3 填料路用性能试验

3.1 湿法击实试验

考虑在南方湿热地区对路基填料采用湿法击实试验，其确定的最佳含水率更符合工程实际[9]，因此本文同样采用重型湿法击实。对于水泥改良土，先通过湿法击实得到不同含水率梯度的素土，再加入水泥，混合均匀，水泥加入后在2 h内完成击实试验。最终获取各填料的最大干密度与最佳含水率，并探究水泥改良土的最大干密度与最佳含水率随水泥掺量的变化规律，试验结果见表2。

表2 湿法击实试验结果

续表2

由表2可知，两个标段高液限土的最佳含水率较大，最大干密度则较小，其主要原因为海南当地气候湿润多雨，高液限土吸附结合水含量高。与素土相比，随着水泥掺量的增加，水泥改良高液限土的最佳含水率减小，最大干密度增大。这是因为水泥、土与水三者之间发生了复杂的化学反应，减弱了土体的亲水性，加强了土颗粒间的联系，水稳定性增强，提高了高液限土的压实度。

3.2 承载比试验

加州承载比(CBR)是一种评定路基及路面材料抗变形能力的指标，是路基填料强度的控制指标之一。海南地区湿润多雨，很难通过翻晒将高液限土等填料含水率降至最佳含水率附近。因此在满足设计要求下，参照现场填筑施工时各填料的含水率，通过湿法重型击实制件之后，采用承载比试验仪分别展开浸水与不浸水CBR试验。其中水泥改良高液限土制件时，水泥与施工含水率下的高液限土混合均匀再制件，制件完成后，需在标准养护室养7 d后再进行承载比试验。试验结果如表3所示。

表3 土样CBR试验结果

表3表明，无论是高液限土、水泥改良土还是其他现场填料，未浸水条件下CBR值明显大于浸水条件下CBR值。这是由于试件在浸水4 d后，处于饱水状态，试件是在最不利条件下进行了CBR测试。在未浸水条件下，试件的试验条件与路基填料现场施工后的状态相似，试件含水率要比浸水条件低，其CBR测试值要比浸水条件下高。

根据《公路路基设计规范》，浸水条件下，两个标段的高液限土在施工含水率状态下CBR值均大于3%，可以直接作为下路堤填料，但不能作为上路堤和路床填料。在高液限土中掺入水泥改良后，随着水泥含量增加，高液限土的CBR值明显增长，且均大于8%，作为上路堤和路床填料可行。而其他现场供应的填料，其CBR值均满足设计规范要求，也可作为上路堤和路床填料。

3.3 填料动态回弹模量试验

目前通过室内动三轴试验确定路基土动态回弹模量的方法已较为成熟，参考南方地区典型路面结构下路基土的应力和物理状况[10-11]以及文献[12]中的力学分析模型，提出合适的加载试验方案，试验加载波形见图1。

通过室内动三轴试验可以得到如图2所示的试验结果，通过每一加载序列最后5次位移与荷载时程曲线，可计算试验施加荷载、试件轴向可恢复变形以及动态回弹模量。

经过统计分析，可以得到相关填料的回弹模量。分析表4可知，两个标段高液限土的回弹模量较小，其上层需填筑高模量材料以提升整体刚度[13]，其他现场路基填料回弹模量较高。掺入少量水泥(3% ～6%)的高液限土回弹模量明显提升，且模量随着水泥掺量的增加而增加。结合CBR试验结果，高液限土可以直接填筑下路堤，水泥改良高液限土和其他现场填料可以作为其上部填料以提升路基整体刚度。

表4 动三轴试验结果

4 填料回弹模量与CBR相关性分析

将高液限土、水泥改良土及其他现场供应填料的CBR试验和室内动三轴试验结果进行统计分析，结果如表5所示。分析路基填料回弹模量与CBR相关关系，分别得到各填料回弹模量与浸水CBR值、未浸水CBR值的关系曲线，如图3、图4所示。

表5 路基填料CBR值与回弹模量试验结果

由图3和图4可知，CBR与动态回弹模量E呈正相关，该关系可用幂函数表示:

由拟合结果可知，路基填料回弹模量与CBR相关性较好，且与未浸水CBR的相关性更好。这是因为未浸水CBR试样的物理状态、试验条件与室内动三轴试验试样相似，且未浸水CBR试样更符合路基填料现场施工后的实际情况。利用未浸水CBR值与填料回弹模量建立回归方程，更能反映填料现场施工后的实际状态。当施工现场试验条件受限，无法直接获取填料回弹模量时，可以利用未浸水CBR值，并结合式(2)来预估路基填料回弹模量。

5 工程应用

利用本文提出的路基填料回弹模量预估方法，分别在海南国道G360公路WLTJ10标段和WLTJ11标段制定路基填筑方案，通过室内试验和现场承载板测试路基各层位回弹模量，与本文预估方法算出的回弹模量进行比较，从而验证路基填料回弹模量预估方法的可行性。

由表6、表7可知，利用CBR和回弹模量相关性回归方程预估的路基填料模量，与室内试验所测模量较为接近，且现场承载板测试的各层位回弹模量均满足设计要求，因此可以用来进行路基填料设计。路基填料回弹模量预估方法可以用来解决施工现场试验条件受限，无法准确得到填料回弹模量的问题。考虑到路基现场实际施工水平，填筑材料的回弹模量在理论计算时尽可能向下取整，以提高安全储备。

表6 WLTJ10标试验段路基填筑方案

表7 WLTJ11标试验段路基填筑方案

6 结论

(1)高液限土进行水泥改良后，其水稳性质得到有效改善。随着水泥掺量的增加，高液限土最佳含水率减小，最大干密度增大，CBR值增大，且各路基填料的不浸水CBR值明显高于浸水CBR值，说明水泥可以有效改善高液限土的压实性能和承载能力。

(2)高液限土回弹模量较低，掺入少量水泥后(3% ～6%)其回弹模量显著提高，模量随水泥掺量增加而增大，水泥改良高液限土可以用来作为路基上部填料，提升路基整体刚度。

(3)通过分析路基填料回弹模量与其浸水CBR值、未浸水CBR值的相关关系，建立了相应的回归方程，其中填料回弹模量与未浸水CBR值的相关性更好，并可结合式(2)来预估路基填料回弹模量。具体设计时，填料回弹模量应当向下取整，以提高其安全储备。