土工格柵加筋碎石土動回彈模量及預(yù)估模型試驗研究

　　摘 要：加筋土路基動回彈模量是加筋土技術(shù)在道路工程中的重要設(shè)計指標(biāo)。利用動三軸儀對土工格柵加筋碎石土進(jìn)行動回彈模量試驗，對比分析了含水率、加筋方式、剪切及側(cè)限影響表征量對動回彈模量的影響規(guī)律，并回歸分析了動回彈模量預(yù)估模型參數(shù)。研究結(jié)果表明：加筋土的動回彈模量隨著含水率的提高而降低;土工格柵應(yīng)布設(shè)在土體中的水平剪切變形層位，增加加筋層數(shù)或減少層間距，對提高動回彈模量的效果明顯;在其他條件不變時，動回彈模量隨剪切和側(cè)限影響表征量的增大而增大;NCHRP 1-28A模型參數(shù)的回歸結(jié)果比較理想，該模型可用于對土工格柵加筋土動回彈模量的預(yù)測。

　　關(guān)鍵詞：土工格柵;碎石土;動回彈模量;預(yù)估模型

　　在現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計規(guī)范中，路基土的動回彈模量是重要的設(shè)計參數(shù)[1]。動回彈模量是指路基土體在動態(tài)荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力與其相應(yīng)的回彈應(yīng)變的比值，表示路基在彈性變形階段內(nèi)，在垂直荷載作用下抵抗豎向變形的能力。同時，加筋土技術(shù)因其適應(yīng)性強、經(jīng)濟(jì)性好以及生態(tài)環(huán)保的特點，在許多現(xiàn)代道路工程中得到較為廣泛的應(yīng)用。諸多學(xué)者通過室內(nèi)外試驗研究表明，在路基中布設(shè)土工格柵之類的加筋材料有助于提高其回彈模量。如胡幼常等[2]利用強度儀法測定了摻砂黃土和土工格柵加筋黃土試樣的回彈模量，結(jié)果表明，兩種方法都能明顯提高黃土的回彈模量，同時使用效果更佳;Abu-Farsakh等[3]開展了承載板試驗，發(fā)現(xiàn)土工合成材料能使路面基層回彈模量顯著提高;Kravchenko等[4]通過不排水三軸壓縮試驗，證明加筋試樣的回彈模量要高于未加筋試樣;羅正東等[5]研究了竹筋格柵加筋路基的承載變形機理，發(fā)現(xiàn)加筋能有效控制挖填路基的變形，對回彈模量提高產(chǎn)生一定的促進(jìn)作用。

　　然而，上述方法均屬于對土基靜態(tài)回彈模量的研究，但路面上交通車輛對其施加的力都是動態(tài)的，所以對路基動回彈模量的研究意義更為重大，因此，學(xué)者們通過動三軸試驗進(jìn)行了更深入的探討。如Fardad Amini等[6]利用循環(huán)三軸試驗，基于能量法發(fā)現(xiàn)纖維加筋使砂土具有更高的循環(huán)抗剪能力;孫磊[7]針對路基軟黏土開展循環(huán)動三軸加載試驗，討論了長期交通荷載下路基土回彈模量隨動應(yīng)力比的變化情況;楊果岳等[8]采用GDS振動三軸儀進(jìn)行試驗，得到了不同因素對超固結(jié)重塑紅黏土動彈性模量的影響規(guī)律;劉維正等[9]通過路基土的動三軸試驗，研究了含水率、壓實度等對動回彈模量的影響。但是，動三軸試驗中針對土工格柵加筋材料的討論還有所欠缺，需要更加系統(tǒng)全面的研究。同時，在中國公路路基設(shè)計規(guī)范中指出，路基的動回彈模量由CBR強度通過經(jīng)驗公式換算得來[10]，但由此得到的動回彈模量往往誤差較大，并且精度不是很高。

　　筆者利用土工試驗動三軸系統(tǒng)，通過對不同含水率、加筋方式以及圍壓下的土工格柵加筋碎石土試件進(jìn)行動三軸試驗，測試動回彈模量，探究其影響因素和變化規(guī)律，并提出相應(yīng)的土工格柵加筋碎石土動回彈模量的預(yù)估方法，為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時確定路基土動回彈模量提供理論參考。

　　1 動三軸試驗材料與方法

　　1.1 試驗材料

　　1)筋材

　　加筋材料為湖北力特土工合成材料有限公司生產(chǎn)的高密度聚乙烯土工格柵RS90PE。參照新的土工格柵國家標(biāo)準(zhǔn)，采取窄條拉伸方式，使用多功能材料試驗機進(jìn)行性能測試[11]。其試驗得到的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

　　2)填料

　　加筋土所用試驗土的碎石含量約為63%，碎石粒徑主要集中在5～20 mm之間。通過顆粒組成統(tǒng)計可知，該碎石土屬于礫類土，d10=1.74、d30=4.58、d60=9.66，計算可得碎石土的不均勻系數(shù)Cu=5.56>5、Cc=1.25。所以，該碎石土易壓密，級配良好。通過擊實試驗得到試驗用碎石土的最佳含水量約為7.1%，最大干密度約為2.12 g/cm3。

　　1.2 試驗方案

　　Seed等[12]在引入動回彈模量這一概念時，建議采用重復(fù)加載動三軸試驗確定動回彈模量的值，并制定了相關(guān)的試驗方法。在動三軸試驗中，測定動回彈模量的方法是在一定的圍壓下對試件施加軸向動應(yīng)力，循環(huán)施加至一定次數(shù)后，當(dāng)動應(yīng)變趨于穩(wěn)定時測定最后幾次的值來確定動回彈模量。

　　1)加載序列的確定

　　在用動三軸試驗測定動回彈模量時需要確定試驗加載序列。陳聲凱等[13]在2006年建立了動三軸加載序列。對于碎石土之類的材料，所施加的動應(yīng)力幅值應(yīng)由小依次增大進(jìn)行試驗。對于土工格柵加筋碎石土動回彈模量的試驗，其加載序列參考陳聲凱等建立的加載序列，圍壓分別取50、100、150 kPa。具體加載序列情況如表2所示。

　　在正式加載前先預(yù)加載，考慮到路基在施工期承受的荷載比運營期高很多，所以室內(nèi)模擬試驗的預(yù)加載比正式加載更嚴(yán)格。其他國家推薦的預(yù)加載次數(shù)為500～2 000次[14]，因此，試驗預(yù)加載次數(shù)選取最大值2 000次。

　　2)加載波形的確定

　　試驗循環(huán)動荷載的加載波形選擇半正弦波，加載頻率為1 Hz。在一個周期內(nèi)，參照路面材料動三軸試驗時加載0.1 s、間歇0.9 s的做法，考慮車輪荷載經(jīng)過數(shù)十厘米厚的路面結(jié)構(gòu)傳遞至路基頂面時影響范圍更大，路基土受荷時間延長，故加載時間選為0.2 s，間歇時間選為0.8 s。

　　3)含水率的確定

　　研究表明，在給定的自然條件下，道路在運營期內(nèi)其路基的含水率會從最佳含水率逐漸增大，并最終在與當(dāng)?shù)丨h(huán)境相適應(yīng)的平衡含水率附近波動。Quintus等[15]通過對137條運營期道路路基含水率的現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)路基的含水率介于最佳含水率和150%最佳含水率之間。因此，試驗的含水率定為100%最佳含水率、115%最佳含水率、130%最佳含水率。

　　4)加筋方式的確定

　　試驗試件為圓柱形，試驗加筋方式分為不加筋、加一層筋、加兩層筋。其中，加一層筋時土工格柵放置于試件截面中心位置，加兩層筋時土工格柵分別放置于距試件頂面和底面50 mm處。具體加筋方式如圖1所示。

　　1.3 試驗過程

　　1)試驗儀器

　　在動三軸試驗中，試件采用靜壓成型，主要成型設(shè)備包括定制的對開模具和萬能靜壓儀。試驗加載系統(tǒng)采用深圳Reger公司定制的土工試驗動三軸系統(tǒng)，該土工試驗動三軸系統(tǒng)主要包括三大部分，分別是控制和數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)、加載系統(tǒng)和圍壓應(yīng)力提供系統(tǒng)。

　　2)試樣制備

　　試件采用萬能靜壓儀分層靜壓成型。每層填料的質(zhì)量根據(jù)所取得的壓實度控制。由壓實度、干密度及試件的體積計算出所需的碎石土質(zhì)量，試件分5層進(jìn)行壓實，每一層的質(zhì)量一致，壓實厚度一致，保證試件壓實度均勻，試件最后一層靜壓結(jié)束后以恒載靜壓5 min。注意在壓實過程中，每層壓實完成后用鏟刀將碎石土表面劃槽。為了避免試件斷裂，選擇用專門尺寸的脫模機進(jìn)行脫模。若脫模后不能及時用于試驗，則先用塑料保鮮膜包裹好，防止水分蒸發(fā)。

　　3)試驗操作基本步驟

　　安裝試件，保證套好橡皮膜的試件置于三軸室中間位置，并插入傳力桿，完成注水。通過圍壓控制器施加目標(biāo)圍壓，當(dāng)圍壓穩(wěn)定后，再施加10 N的接觸應(yīng)力，接著選擇加載次數(shù)和加載序列，進(jìn)行加載試驗。所有序列加載完畢后，依次抬起加載器，拔掉輸水管，擰開排水閥，取出傳力桿。待三軸室內(nèi)部的水全部排出后，用扳手?jǐn)Q開螺絲，取下玻璃罩，取出試件，去除套在試件表面的橡膠膜，然后觀察試件是否有明顯的進(jìn)水現(xiàn)象，如果進(jìn)水比較明顯則認(rèn)為該次試驗失敗，應(yīng)該重新制備試件再進(jìn)行試驗。

　　2 動回彈模量影響因素分析

　　根據(jù)上述試驗方案，每種組合工況要求3組平行試件。利用動三軸試驗，可以得到每組試件在重復(fù)荷載作用下變形穩(wěn)定后的重復(fù)應(yīng)力和此時的回彈應(yīng)變，兩者比值即為動回彈模量，可按式(1)計算。

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