非饱和粘性路基土回弹模量研究试验简述

非饱和粘性路基土回弹模量研究试验简述

摘要：本试验利用MTS动力三轴系统，进行路基土回弹模量试验，以滤纸法量测土样的基质吸力，以探讨非饱和粘性路基土的回弹模量特性及基质吸力对回弹模量的影响，改善了传统模式中忽略地基土含水率的影响。

关键词：回弹模量；非饱和土；基质吸力；滤纸法

Abstract: the experiment using dynamic triaxial system MTS, subgrade soil resilience modulus test, in order to filter paper measurement method of the suction soil sample matrix, in order to investigate the unsaturated viscous subgrade soil resilience modulus characteristics and matrix with the rebound suction modulus of influence, improving the traditional mode of the influence of the foundation soil moisture content is ignored.

Keywords: resilience modulus; Unsaturated soil; The suction matrix; Filter paper method

1、研究背景

路基回弹模量是指路基、路面及其材料在荷载作用下产生的应力与其相对应的回弹应变的比值，表示土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，若垂直荷载为定值，土基回弹模量值愈大则产生的垂直位移就愈小；若竖向位移是定值，回弹模量值愈大，因此，回弹模量是反映路基抗变形能力的主要力学指标。近年来由于其可以反应路面结构在承受车辆重复荷载下的应力–应变性状，而取代GI、CBR 值，成为近年来

国际上用来评估路面厚度设计的主要参数。然而，现行规范中所给出的路基土回弹模量计算办法是基于太沙基的饱和土理论。而实际上，路基在使用期间大多数时间处于非饱和状态，对非饱和状态下路基土回弹模量的研究更加接近实际情况，因此对非饱和路基回弹模量的研究也更有实际意义。

Fredlund andMorgenstern 所提出的广义Mohr-Coulomb 破坏准则是目前国际上较被接受的非饱和土理论，此理论以多相连续介质力学的观点，导入第四相（气水分界面）的概念，并且考虑到基质吸力的影响，提出非饱和土单元体可用3 个应力状态参数(σ,ua,uw)中的任两个变量的组合，来定义其应力条件。基质吸力被定义为(ua,uw )，而基质吸力是研究非饱和土性状的关键所在。因此，本项目的研究过程及回弹模量计算模型分析均考虑基质吸力对非饱和路基土力学特性的影响。

2、试验方案

2.1、土的基本物理性质及土—水特征曲线实验

本试验选取湖南郴州地区常见的红粘土及长湘高速长沙段的普通粘性土为研究对象。

（1）通过基本物理特性实验掌握两种土的基本物理性质（物理性质包括液限、塑限、比重、粒径大小分布、最优含水率、最大干密度等）；

（2）本项目采用武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室的压力板仪和压力膜仪进行试验，以获得前述两种土的土–水特征曲线特性。

2.2、试样含水率的确定

根据相关文献及数据显示，粘性土的现场含水率皆位于最佳含水率的湿侧(wet side of OMC)，且大部分路段的路基处于非饱和状态，而主要分布于 OMC 至OMC+7%。，粘性路基土在开放交通后的含水率变化，会由完工时的OMC 逐渐增加至OMC的湿侧，并达到平衡状态，称为平衡含水率(equilibrium moisture content，EMC)。

根据规范要求，路基工程应在最佳含水率(optimum moisture content, OMC)附近压实，并且要求路基土的相对压实度达到95%以上。但是由于降雨入渗等因素的影响，在道路使用后3～5 年间，粘性路基土的含水率会由原先的最佳含水率(OMC)逐渐增加至平衡含水率(EMC)，一般平衡含水率（EMC）会较塑限增加20%~30%。因此，为了与工程实际情况更加接近，得到更加有价值的路基土回弹模量，在本实验过程中，以最佳含水率（OMC）模拟路基刚施工完成的含水率状态，以平衡含水率（EMC）模拟使用服务长时间的平衡含水率状态，以过度含水率（TMC） 模拟路基含水率于完工后至平衡阶段时的过渡状态，来进行回弹模量的试验。

2.3 、回弹模量试验

本实验采用武汉大学土木建筑工程学院引进的美国GCTS公司生产的土工动三轴仪。在试验中重复荷载的施加采用荷重控制的方式，重复荷载波形为方波，荷载周期和荷载延时分别为0.1 s和1 s。在预处理程序中，将粘性土试样置于21 kPa 的固有围压下，再以21 kPa或42 kPa 的偏应力施加1000次重复荷载。经过预处理后，土样与仪器间接触不良的现象降低，试验的准确度有所提高。

然后，依次施加21、34、48、69、103 kPa 等5个不同阶段的重复荷载偏应力，并记录各阶段最后5次的荷重及回弹变形，并将其作为计算各阶重复荷载下土样回弹模量计算的依据。数据撷取速率为每个通道200次/秒，以得到足够的数据计算回弹模量。

2.4、基质吸力的测量

回弹模量实验结束后，用滤纸法对土样进行基质吸力的测量。滤纸法测量土样的基质吸力的试验方法较一般实验方法，更加经济、准确且量测范围大。滤纸法的基本原理是在封闭的恒温环境下，滤纸的含水率与土样中的吸力保持平衡，再由滤纸的校正曲线，得到滤纸的含水率，进而得到土样的基质吸力。滤纸法依据的规范是ASTM D5298-94，本试验中采用滤纸型号为美国Soil Moisture公司生产的Whatman NO.42滤纸。

2.5、数据分析与总结

（1）、回弹模量特性

通过整理上述试验数据，获得两种土样分别在最佳含水率、过度含水率、平衡含水率下、在21、34、48、69、103 kPa 等5 个不同阶段重复荷载偏应力下的回弹模量的试验结果，以探讨不同土样回弹模量分别随着重复荷载偏应力和含水率变化而变化的规律。

（2）、基质吸力的变化规律及其对回弹模量的影响

1）、通过实验数据分析，分别总结前述两种土样的基质吸力随含水率变化而变化的规律。

2）、在上述结论的基础上，进一步得出前述两种土样在在21、34、48、69、103 kPa 等5 个不同阶段重复荷载偏应力下，其回弹模量随不同含水率变化而变化的关系。

（3）、综合考虑重复荷载偏应力与基质吸力的影响，分析相关数据，得到路基土回弹模量的计算模型。

1）、路基土回弹模量的预测模型：

AASHTO T292-91 建议采用偏应力模式预测粘性路基土的回弹模量，如下式所示：

（1）

式中，Mr 为回弹模量，σd 为重复荷载偏应力，k1 及k2为材料参数。

式(1)反映出路面交通荷载对路基回弹模量所造成的影响，但此模型并未考虑含水率和基质吸力对回弹模量的影响。根据Fredlund and Morgenstern提出的非饱和土理论，非饱和土的净法向应力和基质吸力是决定非饱和土力学性状的重要变量。本实验根据偏应力模式，并引入基质吸力的影响，提出偏应力–基质吸力模式作为新的预测模型，如下式所示：

（2）

式中，Mr 为回弹模量，σd 为重复荷载偏应力，k3 及k4为材料参数，ψm 为基质吸力，x 为Bishop 饱和度参数，对干燥土而言x = 0，而对饱和土而言x = 1。

对于x值的求取，Loret and Khalili认为：当土的基质吸力ψm小于进气吸力值ψe时，土可以视为饱和状态，满足Terzaghi的有效应力式，此时，x = 1；对于非饱和土，Loret and Khalili针对14 种土进行非饱和土三轴剪切试验，土种类包含粉土、砂质粘土及粘土等。试验结果发现x与ψe /ψm 具有良好相关性，如下式所示：

x = (ψe /ψm)0.55 （3）

式中 x 可以视为基质吸力的权重，其含义是：指基质吸力一部份贡献至有效应力，而

并非全部应力。