土工格栅加筋碎石土动回弹模量及预估模型试验研究

　　摘 要：加筋土路基动回弹模量是加筋土技术在道路工程中的重要设计指标。利用动三轴仪对土工格栅加筋碎石土进行动回弹模量试验，对比分析了含水率、加筋方式、剪切及侧限影响表征量对动回弹模量的影响规律，并回归分析了动回弹模量预估模型参数。研究结果表明：加筋土的动回弹模量随着含水率的提高而降低;土工格栅应布设在土体中的水平剪切变形层位，增加加筋层数或减少层间距，对提高动回弹模量的效果明显;在其他条件不变时，动回弹模量随剪切和侧限影响表征量的增大而增大;NCHRP 1-28A模型参数的回归结果比较理想，该模型可用于对土工格栅加筋土动回弹模量的预测。

　　关键词：土工格栅;碎石土;动回弹模量;预估模型

　　在現行沥青路面设计规范中，路基土的动回弹模量是重要的设计参数[1]。动回弹模量是指路基土体在动态荷载作用下产生的应力与其相应的回弹应变的比值，表示路基在弹性变形阶段内，在垂直荷载作用下抵抗竖向变形的能力。同时，加筋土技术因其适应性强、经济性好以及生态环保的特点，在许多现代道路工程中得到较为广泛的应用。诸多学者通过室内外试验研究表明，在路基中布设土工格栅之类的加筋材料有助于提高其回弹模量。如胡幼常等[2]利用强度仪法测定了掺砂黄土和土工格栅加筋黄土试样的回弹模量，结果表明，两种方法都能明显提高黄土的回弹模量，同时使用效果更佳;Abu-Farsakh等[3]开展了承载板试验，发现土工合成材料能使路面基层回弹模量显著提高;Kravchenko等[4]通过不排水三轴压缩试验，证明加筋试样的回弹模量要高于未加筋试样;罗正东等[5]研究了竹筋格栅加筋路基的承载变形机理，发现加筋能有效控制挖填路基的变形，对回弹模量提高产生一定的促进作用。

　　然而，上述方法均属于对土基静态回弹模量的研究，但路面上交通车辆对其施加的力都是动态的，所以对路基动回弹模量的研究意义更为重大，因此，学者们通过动三轴试验进行了更深入的探讨。如Fardad Amini等[6]利用循环三轴试验，基于能量法发现纤维加筋使砂土具有更高的循环抗剪能力;孙磊[7]针对路基软黏土开展循环动三轴加载试验，讨论了长期交通荷载下路基土回弹模量随动应力比的变化情况;杨果岳等[8]采用GDS振动三轴仪进行试验，得到了不同因素对超固结重塑红黏土动弹性模量的影响规律;刘维正等[9]通过路基土的动三轴试验，研究了含水率、压实度等对动回弹模量的影响。但是，动三轴试验中针对土工格栅加筋材料的讨论还有所欠缺，需要更加系统全面的研究。同时，在中国公路路基设计规范中指出，路基的动回弹模量由CBR强度通过经验公式换算得来[10]，但由此得到的动回弹模量往往误差较大，并且精度不是很高。

　　笔者利用土工试验动三轴系统，通过对不同含水率、加筋方式以及围压下的土工格栅加筋碎石土试件进行动三轴试验，测试动回弹模量，探究其影响因素和变化规律，并提出相应的土工格栅加筋碎石土动回弹模量的预估方法，为路面结构设计时确定路基土动回弹模量提供理论参考。

　　1 动三轴试验材料与方法

　　1.1 试验材料

　　1)筋材

　　加筋材料为湖北力特土工合成材料有限公司生产的高密度聚乙烯土工格栅RS90PE。参照新的土工格栅国家标准，采取窄条拉伸方式，使用多功能材料试验机进行性能测试[11]。其试验得到的物理力学指标如表1所示。

　　2)填料

　　加筋土所用试验土的碎石含量约为63%，碎石粒径主要集中在5～20 mm之间。通过颗粒组成统计可知，该碎石土属于砾类土，d10=1.74、d30=4.58、d60=9.66，计算可得碎石土的不均匀系数Cu=5.56>5、Cc=1.25。所以，该碎石土易压密，级配良好。通过击实试验得到试验用碎石土的最佳含水量约为7.1%，最大干密度約为2.12 g/cm3。

　　1.2 试验方案

　　Seed等[12]在引入动回弹模量这一概念时，建议采用重复加载动三轴试验确定动回弹模量的值，并制定了相关的试验方法。在动三轴试验中，测定动回弹模量的方法是在一定的围压下对试件施加轴向动应力，循环施加至一定次数后，当动应变趋于稳定时测定最后几次的值来确定动回弹模量。

　　1)加载序列的确定

　　在用动三轴试验测定动回弹模量时需要确定试验加载序列。陈声凯等[13]在2006年建立了动三轴加载序列。对于碎石土之类的材料，所施加的动应力幅值应由小依次增大进行试验。对于土工格栅加筋碎石土动回弹模量的试验，其加载序列参考陈声凯等建立的加载序列，围压分别取50、100、150 kPa。具体加载序列情况如表2所示。

　　在正式加载前先预加载，考虑到路基在施工期承受的荷载比运营期高很多，所以室内模拟试验的预加载比正式加载更严格。其他国家推荐的预加载次数为500～2 000次[14]，因此，试验预加载次数选取最大值2 000次。

　　2)加载波形的确定

　　试验循环动荷载的加载波形选择半正弦波，加载频率为1 Hz。在一个周期内，参照路面材料动三轴试验时加载0.1 s、间歇0.9 s的做法，考虑车轮荷载经过数十厘米厚的路面结构传递至路基顶面时影响范围更大，路基土受荷时间延长，故加载时间选为0.2 s，间歇时间选为0.8 s。

　　3)含水率的确定

　　研究表明，在给定的自然条件下，道路在运营期内其路基的含水率会从最佳含水率逐渐增大，并最终在与当地环境相适应的平衡含水率附近波动。Quintus等[15]通过对137条运营期道路路基含水率的现场调查，发现路基的含水率介于最佳含水率和150%最佳含水率之间。因此，试验的含水率定为100%最佳含水率、115%最佳含水率、130%最佳含水率。

　　4)加筋方式的确定

　　试验试件为圆柱形，试验加筋方式分为不加筋、加一层筋、加两层筋。其中，加一层筋时土工格栅放置于试件截面中心位置，加两层筋时土工格栅分别放置于距试件顶面和底面50 mm处。具体加筋方式如图1所示。

　　1.3 试验过程

　　1)试验仪器

　　在动三轴试验中，试件采用静压成型，主要成型设备包括定制的对开模具和万能静压仪。试验加载系统采用深圳Reger公司定制的土工试验动三轴系统，该土工试验动三轴系统主要包括三大部分，分别是控制和数据采集软件系统、加载系统和围压应力提供系统。

　　2)试样制备

　　试件采用万能静压仪分层静压成型。每层填料的质量根据所取得的压实度控制。由压实度、干密度及试件的体积计算出所需的碎石土质量，试件分5层进行压实，每一层的质量一致，压实厚度一致，保证试件压实度均匀，试件最后一层静压结束后以恒载静压5 min。注意在压实过程中，每层压实完成后用铲刀将碎石土表面划槽。为了避免试件断裂，选择用专门尺寸的脱模机进行脱模。若脱模后不能及时用于试验，则先用塑料保鲜膜包裹好，防止水分蒸发。

　　3)试验操作基本步骤

　　安装试件，保证套好橡皮膜的试件置于三轴室中间位置，并插入传力杆，完成注水。通过围压控制器施加目标围压，当围压稳定后，再施加10 N的接触应力，接着选择加载次数和加载序列，进行加载试验。所有序列加载完毕后，依次抬起加载器，拔掉输水管，拧开排水阀，取出传力杆。待三轴室内部的水全部排出后，用扳手拧开螺丝，取下玻璃罩，取出试件，去除套在试件表面的橡胶膜，然后观察试件是否有明显的进水现象，如果进水比较明显则认为该次试验失败，应该重新制备试件再进行试验。

　　2 动回弹模量影响因素分析

　　根据上述试验方案，每种组合工况要求3组平行试件。利用动三轴试验，可以得到每组试件在重复荷载作用下变形稳定后的重复应力和此时的回弹应变，两者比值即为动回弹模量，可按式(1)计算。

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