不同湿度状态下土基回弹模量的研究
不同湿度状态下土基回弹模量的研究
土基回弹模量是影响路面结构厚度最敏感的参数之一，其值的准确取定对道路设计和施工具有重要意义。本文从土基回弹模量的基本概念出发，梳理了不同规范对设计土基回弹模量的要求，对比分析了不同平衡湿度下的回弹模量值和不利季节下的回弹模量值之间的关系，并研究了影响土基回弹模量的因素，提出了提高土基回弹模量的方法。同时，文章还总结了成都地区道路填料类型对应的回弹模量值，为道路路基路面设计提供了参考依据。
1 概 述
路基土回弹模量作为柔性路面力学-经验设计方法中表征路基土力学特性的主要参数之一，能较好地反映路基土的性能。路基长期性能的稳定性直接影响路面的服务性能，目前我国路面设计存在以静态回弹模量和动态回弹模量两种方式作为路基的性能指标。
现行城镇道路路面设计规范主要是以静态回弹模量作为控制规定，在不利季节，路基顶面设计回弹模量值对于快速路和主干路不应小于30 MPa，对于次干路和支路不应小于20 MPa。然而在《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）中，对路基顶面回弹模量值的确定改变了2006版规范采用的方法，提出以动态回弹模量-平衡湿度条件下的回弹模量的方法（见表1）。
公路沥青路面设计规范认为不利季节时的回弹模量未充分考虑路基湿度季节变化对路基回弹模量值的影响，其设计状态不是很明确，也无法建立路基施工时湿度、回弹模量与最不利季节时期的路基湿度和回弹模量之间的定量关系，同时也未充分考虑路基回弹模量设计值是否能适应交通荷载的要求。对既有道路的调查和室内试验成果表明，道路通车运营后，在自然环境条件（降雨、蒸发、冻结、融化等）和地下水影响下，路基内会产生新的水分迁移和湿度的重新调整，路基含水率比施工时的最佳含水量增大2%~10%，随着湿度增大，路基强度和回弹模量将减小。所谓路基平衡湿度是指道路通车后一段时间后，路基湿度在地下水、大气降雨与蒸发等因素作用下达到平衡状态，湿度在相对稳定的状态。
由于两本现行规范的回弹模量的设计值和路基修建完测试检测的时间点不同，因此需要充分掌握回弹模量的测试方法、影响因素及它们之间的关系。此次研究的内容主要是特定的填筑材料在路基施工完成的不同时期的含水量下的回弹模量（其密实度、材料性能相对稳定，交通等级及轴重相对稳定）。
2 路基土回弹模量的影响因素
路基土回弹模量主要受其应力状况、物理状况（含水量与密实度）和材料性质三方面的因素影响。对于处于特定状态（加州承载比CBR、一定含水量和密实度值）的各类路基土来说，影响其模量的主要因素便是应力状况。在不同交通等级下，以及不同路面类型和结构组合中，路基土的应力状况是不相同的，故其模量值也是不一样的。因而路基土的模量参数的测试方法和指标值取用，一方面要遵循反映材料基本特性的要求，另一方面则要与结构应力-应变分析时所选用的方法和条件相一致。
大量研究表明，路基土回弹模量正相关于土的最佳压实度时的含水量、密实度和加州承载比CBR。路基填筑时，一般均在最佳含水量附近压实，然而在运营期间，由于降雨下渗及地下水的影响，路基土含水量由最佳含水量逐渐增加至平衡含水量，平衡含水量一般较土体塑性增加20%～30%。黏性路基土的含水率均高于最佳含水率，且主要分布于最佳含水量+7%范围内。因此在自然土基满足不了设计回弹模量值的要求时需要处理，按照规范要求需要路床位于中湿或干燥状态，路床填筑尽量采用透水性材料，并对压实度和CBR值做出了明确要求。
3 路基不同湿度时的回弹模量
3.1 不利季节湿度时的回弹模量
现行城镇道路路面设计规范中采用最不利季节测定的土基回弹模量值作为土基强度的设计值，即在土基回弹模量取值的过程中考虑含水量最大时土基强度的影响，而没有考虑一年中含水量变化浮动对土基强度的影响，这种影响是不能忽略不计的。
在回弹模量计算时需要考虑不利季节影响系数，因此我国曾针对季节影响系数进行了广泛的路基强度调查和试验，初步确定了季节影响系数的取值，大致为1.052.00，一般为1.11.4。不利季节影响系数可根据不同地区的降雨量、填料情况综合确定。由于不利季节的概念比较模糊，没有量化的评价指标，目前取值还存在随意性。路基回弹模量取值的实际操作往往比较困难，仅是以公路自然区划和土质类型给出了模量参考，对路基设计强度的影响较大。
采用最不利季节的土基回弹模量值时，是从偏安全的角度进行设计的，但对于沥青混凝土路面往往会造成路面偏厚的现象，而实际土基在使用过程中含水量会基本趋于稳定，在某个特定的范围值。随着时间回弹模量在要求的压实度条件下往往超过设计值，主要原因是设计图纸未标明是不利季节的具体时间和条件。实际操作过程中，施工竣工验收时不一定在不利季节，因此即使出现施工质量偏差，回弹模量亦能满足设计要求值，因此造成建设资金浪费和偷工减料。
3.2 路基平衡状态湿度时的回弹模量
引入路基平衡湿度时的回弹模量作为设计回弹模量有一定的科学性，但要想在道路施工前准确确定平衡湿度下的回弹模量是相当困难的，那么设计之初又要确定合理的设计回弹模量，因此引入了标准状态下土基的回弹模量的推荐值。标准状态下是说在实验室条件下，路基土最佳压实含水量下，不同的压实度对应的回弹模量。设计时可根据土的类型、湿度状态、压实度综合确定平衡湿度条件下的回弹模量。在公路沥青路面设计规范中已经给出粗略估算平衡湿度的计算公式：
式中：字符含义详见公路路基设计规范。
路基的回弹模量由于降水、温度的季节性变化而呈现出很强的季节性变化，路基达到平衡湿度时回弹模量时间点的确定目前尚未有明确的研究成果。
4 回弹模量的测试方法
路基土的回弹模量是沥青路面结构力学响应分析的重要参数之一。城镇道路路面设计规范与公路沥青路面设计规范对路基顶面回弹模量的要求、测试及有关规定的区别列于表2。
同样的道路路基，由于不同规范的要求不同，因此产生了不同的设计方法和施工验收标准。
5 针对回弹模量不足需采取的改善措施
压实度和含水量是影响土基回弹模量的重要因素。对于快速路、主干路的填土路基，路面下0～80 cm要求压实度达到96%、95%，路面下80～150 cm要求压实度达到94%，大于150 cm时要求压实度达到93%、92%。充分压实的土基可以发挥土基的承载强度，使土基尽量处于弹性状态，减小土基和路面在车轮荷载作用下产生的形变，增强土基的刚度和强度。特别是处于路基工作区范围的土一定要处于弹性状态，塑性变形可控，不然在车轮荷载作用下产生变形，致使路面产生裂缝、沉陷，缩短路面的使用寿命。因此充分压实的土基可以有效延长路面的使用寿命。
路基地下水位或地表长期积水水位值的确定是路基平衡湿度确定的重要影响因素，故道路纵断面设计时应在纵断面图上测定、标出地下水位线，然后相应标出路床顶面线，以及路基工作区范围线，根据不同土质应标出路基湿度受积水影响的临界水位。综合分析得出，路基所处为潮湿类、干燥类、中湿类，调整路基工作区的干湿状态，确保路基处于中湿或干燥状态，最后综合确定路基的回弹模量。
6 不同路基填料时的回弹模量
根据刘文莉在《路面设计中土基回弹模量值的确定》中的论述及研究发现，对四川地区已完工和在建的几条高等级公路进行了调查，分析了路基竣工交验的回弹弯沉值，并将回弹弯沉值换算为回弹模量值。可以看出，实测的回弹弯沉值一般小于设计弯沉值，亦即实测的回弹模量值一般大于设计模量值，这就说明目前设计中采用的土基模量值与工程实际有一定差异。
四川地区高等级公路路基填料大致有以下几种：泥岩类、砂卵（砾）石、黏土类、砂泥岩混填及掺灰处治土等，较普通的是泥岩类填料。根据四川省高等级公路常用的路基填料类型，不同填料时土基可达到的回弹模量最小值见表3。
公路工程尤其是高速公路路基填筑高、施工周期长，一般25 a，路基基本能处于平衡湿度状态下。但城市道路项目体量小、路基填筑高度小、施工周期短，一般0.51 a，因此路基的湿度状态很难确定，在竣工交验测回弹弯沉值时，要真实掌握路基的强度较困难，在实际工程中，表3的回弹模量值可作为参考。
7 结 语
土基回弹模量是影响路面结构厚度最敏感的参数之一，影响路表弯沉的主要因素是路基强度，土基回弹模量值取得过低，计算出来的路面厚度过厚，而实际土基回弹模量在要求的压实度下往往超过设计值，自然造成浪费。而参数取值过大，施工中土基回弹模量往往达不到要求，又引起路面的过早破坏。在道路设计过程中需注重设计回弹模量取值与土基状态要求相对应，路床、路面的弯沉测量应与土基状态相对应。由于目前不利季节时的土基回弹模量与平衡湿度状态下的土基回弹模量对应关系尚不明确，还需要广大同仁待进一步研究。
摘自：城市道桥与防洪