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路基回弹模量随季节变化规律的研究

摘 要：通过室内试验得到路基回弹模量与压实度、稠度的回归公式；通过现场长期观测，找到路基含水量（稠度）随季节变化规律；进行变量转换，找出路基回弹模量随季节的变化规律，为公路路面设计提供重要的参考。
关键词：路基；回弹模量；压实度；含水量；季节；变化规律
：U416.1 ：A ：1671-2064（2018）17-0000-00
路基作为路面结构的基础，承受着上部结构的自重和车辆荷载，其抗变形能力对路面结构的强度、刚度和稳定性起重要作用。无论是沥青路面还是水泥混凝土路面出现的病害，相当部分是由于路基强度不足、稳定性差并在外部荷载作用下产生过大的变形所引起的。
我国常用路基回弹模量E0表征路基抗压强度指标，路基回弹模量是路面结构设计中最为重要的设计参数，设计时通常按照现行规范方法获得。但在公路结构中，路基回弹模量是一个有关土的类型、含水量、压实度以及测试方法的复杂参数，其中路基含水量是一个随季节变化的因素，因此路基回弹模量E0是一个随季节变化的函数。如果按照规范方法得到的E0将是一常量，且与路基实际强度存在较大偏差，直接影响路面结构的整体可靠性。
目前，国内众多学者对路基回弹模量进行了深入研究，主要针对路基回弹模量的影响因素。但是，对于路基回弹模量随季节的变化规律，国内研究较少。因此，本文在国内学者研究的基础上，选取试验路段通过试验检测及相关方法研究，分析找出路基回弹模量随季节的变化规律，为公路路面设计提供重要的参考。
1 路基回弹模量E0的影响因素
1.1 土质对E0的影响
我国《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）中订立了公路路基土的分类方法。不同的土类含有不同粒径的土颗粒：砂粒成分多的土，强度构成以内摩擦力为主，强度较高，受水的影响小，但是施工时不易压实；粘粒成分多的土，以粘聚力为主形成强度，其强度随密实程度的不同，变化较大，但易压实，强度随含水量的增大而降低；介于前两者之间的粉性土，以摩擦力和粘聚力共同形成强度，但是其毛细现象强烈，路基强度和承载力随着毛细水上升、湿度增大而下降。从优选路基填筑材料角度来说，砂性土是最好的路基填筑材料，粘性土次之，粉性土是路基不良的填筑材料。
1.2 压实度对E0的影响
压实度是影响路基回弹模量的关键因素。充分压实的路基可以发挥较高的承载能力，能够减少路基和路面在车辆荷载作用下产生的变形。用施工机械进行路基压实时，在荷载作用下，大小颗粒重新排列和互相靠拢，小颗粒进入大颗粒的空隙中，土体孔隙率减少，碾压越密实，单位体积内的固体颗粒越多，空气越少。我国现行路基工程通过室内土基击实试验得到土体最大干密度和对应的最佳含水量，以此控制施工现场压实质量。
1.3 含水量对E0的影响
除受土质和压实度影响外，路基回弹模量还随着路基含水量变化而变化，有关资料显示：保持干密度不变，仅含水量增加1%可使路基回弹模量降低8～18%，平均降低11%；如果考虑含水量增加使干密度减小，则含水量增加1%，回弹模量降低的百分率还要大于11%。规范也给出了不同地区各类土质在不同含水量（稠度）状态下回弹模量的参考资料。
2 路基回弹模量E0随季节变化规律研究
2.1 试验路段选取及研究方法
选取正在运营的京港澳高速公路（韶关段）和深汕高速公路（惠州段）作为试验路段展开调查研究。对试验段路基土进行现场取样，通过室内试验分析研究路基回弹模量与压实度、稠度（含水量）的相关性，得到E0与K、WC的回归公式；对试验段路基土不同深度埋设温湿度传感器，进行路基含水量观测，找出路基含水量随季节变化规律；以含水量为变量，通过变量转换，分析找到路基回弹模量随季节变化规律。
2.2 路基回弹模量与压实度、稠度的相关性
对试验路段路基土现场取样，并在室内按照不同压实度及不同含水量条件进行路基回弹模量试验。找出不同路段路基回弹模量与压实度、稠度的关系式。
（1）京港澳高速公路（韶关段）代表土样室内E0试验。京港澳高速公路（韶关段）位于广东省二级公路自然区划Ⅳ6区内，路基土质为低液限粘土（CL）；测得该土样液限WL=45.0%，塑限WP=22.0%，塑性指数IP=23.0%；重型击实标准下土样最大干密度ρdmax=1.86 g/cm3，最佳含水量W0=16.2%。试件含水量W分别取10%、14%、18%、22%和26%五个水平；试件压实度K分别取85%、90%、94%、96%、98%和100%六个水平；土基回弹模量试验按照《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）强度仪法进行。不同含水量及不同压实度下室内路基土回弹模量试验结果见表1所列。
对表1试验数据计算分析，得到路基回弹模量随壓实度及稠度变化的经验公式：
（1）
式中：E0为回弹模量（MPa）；K为压实度（%）；WC为稠度。
（2）深汕高速公路（惠州段）代表土样室内E0试验。深汕高速公路（惠州段）位于广东省二级公路自然区划Ⅳ7区内，路基土质为为含砾低液限粘土（CLG）；测得该土样液限WL=41.3%，塑限WP=22.9%，塑性指数IP=18.4%；重型击实标准下土样最大干密度ρdmax=1.94 g/cm3，最佳含水量W0=12.6%。试件含水量W分别取10%、14%、18%、22%和26%五个水平；试件压实度K分别取85%、90%、94%、96%、98%和100%六个水平；土基回弹模量试验按照《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）强度仪法进行。不同含水量及不同压实度下室内路基土回弹模量试验结果见表2所列。
对表2试验数据计算分析，得到路基回弹模量随压实度及稠度变化的经验公式：
（2）
式中：E0为回弹模量（MPa）；K为压实度（%）；WC为稠度。
2.3 路基含水量随季节变化规律
旧路路基含水量采用温湿度传感器进行现场监测，每个试验路段布设含水量传感器3个。传感器水平布设于路面硬路肩边缘以内3m，垂直布设于路床范围内：路基项面以下10cm、30cm、50cm（如图1所示）。对埋设的温湿度传感器设定每天早晚各采集一次测试结果，并计算3个不同深度的平均值作为路基土平均含水量。监测时间为一年。
（1）京港澳高速公路（韶关段）路基含水量季节变化观测。
京港澳高速公路路基含水量观测结果见表3所列。
将表3检测数据进行计算，得到旧路路基含水量随时间变化的经验公式： W=-0.179T 2+2.2035T+17.598 （W为含水量、T为月份）。对观测数据进行分析：1月～6月为路基含水量上升阶段，7月～12月为路基含水量下降阶段。
（2）深汕高速公路（惠州段）路基含水量季节变化观测。
深汕高速公路路基含水量观测结果见表4所列。
将表4检测数据进行计算，得到旧路路基含水量随时间变化的经验公式： W=-0.3099T 2+4.181T +11.866 （W为含水量、T为月份）。对观测数据进行分析：1月～7月为路基含水量上升阶段，8月～12月为路基含水量下降阶段。
2.4 路基回弹模量随季节变化规律
旧路在运营后，路基的压实度会随车辆荷载作用不断增大，经过多年运营路床范围内压实度均会超过施工中的压实标准（压实度为96%）。在研究分析时，取路基压实度为96%时路基回弹模量与稠度的关系，以稠度（含水量）为变量，通过转换变量找出路基回弹模量随季节的变化规律。
（1）京港澳高速公路（韶关段）路基回弹模量季节变化规律。通过室内试验，得到京港澳高速公路路基回弹模量与压实度、稠度的回归公式E0=50.2K 2.15WC 1.04 ，控制试验压实度K=96%，得到E0、WC关系式E0=45.9WC 1.04；路基土质为低液限粘土（CL），土样液限WL=45.0%，塑限WP=22.0%，塑性指数IP=23.0%；路基含水量随季节变化观测结果见表3所列，以含水量（稠度）为变量、进行变量转换，由E0～WC关系式计算分析，得到路基回弹模量随季节变化，见表5所列。
将表5数据进行计算分析，得到路基回弹模量随时间变化的经验公式：E0=0.372T 2-4.5789T+55.137 （T为月份）。由表5和图2可知：京港澳高速公路（韶关段）路基回弹模量随季节经历减小和增大两个阶段。其中，1月至6月为回弹模量减小阶段，6月至12月为回弹模量增大阶段，6月回弹模量为全年最低，而路基含水量为全年最高。
（2）深汕高速公路（惠州段）路基回弹模量季节变化规律。通过室内试验，得到深汕高速公路路基回弹模量与压实度、稠度的回归公式E0=56.9K 2.63WC 1.18 ，控制试验压实度K=96%，得到E0、WC关系式E0=51.1WC1.18；路基土质为含砾低液限粘土（CLG）；土样液限WL=41.3%，塑限WP=22.9%，塑性指数IP=18.4%；路基含水量随季节变化观测结果见表4所列，以含水量（稠度）为变量、进行变量转换，由E0～WC关系式计算分析，得到路基回弹模量随季节变化，见表6所列。
将表6数据进行计算分析，得到路基回弹模量随时间变化的经验公式：E0=0.372T 2-4.5789T+55.137 （T为月份）。由表6和图3可知：1月至7月为回弹模量减小阶段，7月至12月为回弹模量增大阶段，7月回弹模量为全年最低，而路基含水量为全年最高，由此可见，含水量是影响细粒土路基回弹模量的重要因素。
3 结语
本文通过对路基回弹模量随季节变化规律的研究，得到以下结论。
（1）根据室内路基回弹模量试验，得到不同路段路基回弹模量与压实度、稠度的经验公式，说明压实度和含水量（稠度）是细粒土路基回弹模量的重要影响因素。（2）根据路基含水量现场监测，找到路基含水量随季节变化规律。含水量随时间经历上升阶段和下降阶段。（3）以含水量（稠度）作为变量，进行变量转换，计算分析得到路基回弹模量随季节变化规律。路基回弹模量随时间经历增大阶段和减小阶段，与含水量成相反趨势。（4）路基回弹模量是关于土的种类、含水量、压实度以及时间的复杂函数，在公路路面设计中，建议对路基回弹模量进行可靠度分析，提高路基路面设计的可靠性。
本文尚未开展路基回弹模量可靠度分析，将作为后续研究的重点。
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