含水率对路基土动态回弹模量影响分析

樊泽 欧阳卫锋

（新疆交通科学研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

路基动态回弹模量是公路路基设计中的一个重要指标，表征为路基材料在承受汽车荷载作用时抵抗变形的能力。设计及施工过程中，通过击实试验可以测定土的最佳含水率和最大干密度。在最佳含水率条件下，路基土填料容易压实成型，通过控制压实度指标保证路基填筑密实。相关研究表明，在道路运营期间，由于雨水的渗入及地下水的影响，路基土不同季节的平衡含水率变化幅度较大，不利季节平衡含水量较一般土体塑性增加20%～30%[1]。

采用小承载板法可以测定最佳含水率条件下的静态回弹模量，静态模量反映侧限应力状态下材料的应力应变关系。现行规范路基以路床顶面的动态回弹模量为设计指标，根据干湿及冻融条件对标准状态下路基回弹模量折减，并给出了不同土质的湿度折减系数，但不能较好反映特殊性岩土在不同含水率状态下的应力应变关系。

1 试验加载方案

红黏土的主要特点是天然含水率高，液限高，塑性指数高，孔隙比大，水稳定性差，干燥状态下具有较好的结构性。通过重复加载三轴测定不同含水率条件下的回弹模量，有助于定量分析含水率对回弹模量的影响规律。

本文以某地区的红黏土为研究对象，通过击实试验、比重试验、液塑限试验等确定了土的工程分类和基本物理力学性能参数，综合判定为高液限粉土，其最佳含水率为23%，最大干密度为1.582g/cm-3。本文基于93%的压实度测定条件，测试不同含水率对路基土回弹模量的影响。

沥青路面的结构力学分析采用双圆均布荷载作用下连续弹性层状体系力学分析模型。考虑路面行车荷载、路基路面结构层自重作用，合理确定路床典型位置的水平应力和垂直应力大小，结合国内外学者的研究成果及相关规范[2]，试验方案围压分别为10kPa、20kPa、30kPa、40kPa；偏应力分别为10kPa、20kPa、30kPa、40kPa。不同的应力状态下加载次数均为150次，取最后5次（146次、147次、148次、148次、150次）应力应变关系比值的平均值作为该应力级位下的回弹模量。

2 试验结果与分析

该次研究测定红黏土的最佳含水率为23%，试验方案在最佳含水率两侧拟定了3种不同含水率，分别为21%、23%、25%，试验测定了不同围压和偏应力状态时含水率对路基土回弹模量的影响规律。不同含水率条件下的回弹模量试验结果如表1所示。

表1 不同含水率条件下的回弹模量试验结果

对比研究发现，红黏土在93%的压实度条件时，在不同的围压和偏应力状况下，含水率由21%增加到23%时，动态回弹模量值下降15MPa～35MPa，回弹模量降低为原来的75%～91%，下降幅度为9%～15%；当含水率由21%增加至25%时，回弹模量下降26MPa～49MPa，回弹模量降低为原来的64%～85%，下降幅度15%～36%。含水率的增加导致回弹模量大幅度折减。

在各级围压和偏应力条件下，路基红黏土动态回弹模量随含水率的变化规律表明，在含水率低于最佳含水率时，动态回弹模量整体偏大。含水率在最佳含水率附近由低到高增加时，动态回弹模量均不断地减小，路基承载能力不断降低。

图1 不同含水率条件下回弹模量的变化规律示意图

相关研究成果表明[5]，部分材料在最佳含水率左侧时，回弹模量随着含水率的增加而不断增加；当含水率超过最佳含水率时，动态回弹模量则随着含水率的增加而不断减少。究其原因可能是所选取的含水率区间范围比较大，当含水率较低时，因土颗粒摩擦强度大导致试件难以碾压密实，在水的增大过程中表现为颗粒间的润滑作用。红黏土作为路基填料时，含水率通常较高，摩擦润滑作用表现不明显。该研究在最佳含水率左侧选取了一个21%的含水率，不同应力状态下的回弹模量试验结果全部高于最佳含水率时的回弹模量，对于研究分析红黏土最佳含水率附近动态回弹模量的变化规律具有重要指导意义。大范围不同含水率分布区间下的回弹模量变化规律有待进一步研究。

3 结束语

综上所述，红黏土材料动态回弹模量随着含水率的变化而产生较大的变化。在最佳含水率附近，在相同围压、偏应力状态下，路基土材料随着含水率的增大，其动态回弹模量显著减小。模量折减原因可解释如下：随着含水率的增加，土颗粒之间的摩擦强度变小。因为水的润滑作用，从而使红黏土变形增加，模量降低。

路基施工中如果含水率低于最佳含水率，将难以压实成型，压路机需要更大的压实功率才能达到压实标准。道路运营过程中，不利季节的平衡含水率大于最佳含水率时，路基土的回弹模量就会折减，承载能力降低，路面轴载作用下的沉降变形变大。如果不能重复考虑路基土动态回弹模量的折减问题，可能导致不利工况下路基的承载力不足，从而造成路基的早期破坏。

在最佳含水率附近，动态回弹模量随着含水率的减小而增加。在93%的压实度下，当含水率自21%增加到23%时，回弹模量折减至原值的75%～91%；当含水率自21%增加到25%时，回弹模量折减至原值的64%～85%。含水率的变化对路基红黏土回弹模量的影响较大。

随着含水率的增加，土颗粒间的摩擦阻力变小。水起到润滑作用，从而使其抗变形能力减小，回弹模量降低。

运营的不利季节期间，当平衡含水率大于最佳含水率时，路基的回弹模量小于设计状态下的回弹模量，设计过程中应充分考虑动模量的折减，避免因路基承载力的降低造成路基的早期破坏。