土工格柵加筋碎石土動回彈模量及預估模型試驗研究

　　摘 要：加筋土路基動回彈模量是加筋土技術在道路工程中的重要設計指標。利用動三軸儀對土工格柵加筋碎石土進行動回彈模量試驗，對比分析了含水率、加筋方式、剪切及側限影響表征量對動回彈模量的影響規律，并回歸分析了動回彈模量預估模型參數。研究結果表明：加筋土的動回彈模量隨著含水率的提高而降低;土工格柵應布設在土體中的水平剪切變形層位，增加加筋層數或減少層間距，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限影響表征量的增大而增大;NCHRP 1-28A模型參數的回歸結果比較理想，該模型可用于對土工格柵加筋土動回彈模量的預測。

　　關鍵詞：土工格柵;碎石土;動回彈模量;預估模型

　　在現行瀝青路面設計規范中，路基土的動回彈模量是重要的設計參數[1]。動回彈模量是指路基土體在動態荷載作用下產生的應力與其相應的回彈應變的比值，表示路基在彈性變形階段內，在垂直荷載作用下抵抗豎向變形的能力。同時，加筋土技術因其適應性強、經濟性好以及生態環保的特點，在許多現代道路工程中得到較為廣泛的應用。諸多學者通過室內外試驗研究表明，在路基中布設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，發現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，發現加筋能有效控制挖填路基的變形，對回彈模量提高產生一定的促進作用。

　　然而，上述方法均屬于對土基靜態回彈模量的研究，但路面上交通車輛對其施加的力都是動態的，所以對路基動回彈模量的研究意義更為重大，因此，學者們通過動三軸試驗進行了更深入的探討。如Fardad Amini等[6]利用循環三軸試驗，基于能量法發現纖維加筋使砂土具有更高的循環抗剪能力;孫磊[7]針對路基軟黏土開展循環動三軸加載試驗，討論了長期交通荷載下路基土回彈模量隨動應力比的變化情況;楊果岳等[8]采用GDS振動三軸儀進行試驗，得到了不同因素對超固結重塑紅黏土動彈性模量的影響規律;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，需要更加系統全面的研究。同時，在中國公路路基設計規范中指出，路基的動回彈模量由CBR強度通過經驗公式換算得來[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，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行動三軸試驗，測試動回彈模量，探究其影響因素和變化規律，并提出相應的土工格柵加筋碎石土動回彈模量的預估方法，為路面結構設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的高密度聚乙烯土工格柵RS90PE。參照新的土工格柵國家標準，采取窄條拉伸方式，使用多功能材料試驗機進行性能測試[11]。其試驗得到的物理力學指標如表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，建議采用重復加載動三軸試驗確定動回彈模量的值，并制定了相關的試驗方法。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力，循環施加至一定次數后，當動應變趨于穩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，所施加的動應力幅值應由小依次增大進行試驗。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，所以室內模擬試驗的預加載比正式加載更嚴格。其他國家推薦的預加載次數為500～2 000次[14]，因此，試驗預加載次數選取最大值2 000次。

　　2)加載波形的確定

　　試驗循環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，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，考慮車輪荷載經過數十厘米厚的路面結構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，道路在運營期內其路基的含水率會從最佳含水率逐漸增大，并最終在與當地環境相適應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場調查，發現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，主要成型設備包括定制的對開模具和萬能靜壓儀。試驗加載系統采用深圳Reger公司定制的土工試驗動三軸系統，該土工試驗動三軸系統主要包括三大部分，分別是控制和數據采集軟件系統、加載系統和圍壓應力提供系統。

　　2)試樣制備

　　試件采用萬能靜壓儀分層靜壓成型。每層填料的質量根據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量，試件分5層進行壓實，每一層的質量一致，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。

　　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圍壓，當圍壓穩定后，再施加10 N的接觸應力，接著選擇加載次數和加載序列，進行加載試驗。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。待三軸室內部的水全部排出后，用扳手擰開螺絲，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水現象，如果進水比較明顯則認為該次試驗失敗，應該重新制備試件再進行試驗。

　　2 動回彈模量影響因素分析

　　根據上述試驗方案，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荷載作用下變形穩定后的重復應力和此時的回彈應變，兩者比值即為動回彈模量，可按式(1)計算。

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