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硕士论文公路土基回弹模量分析与研究1

硕士学位论文

公路土基回弹模量分析与研究

专业名称：

道路与铁道工程

研究方向：

路面工程

研究生：

鲍远骥

指导教师：

郑传超教授

二○○三年六月

目录

第一章绪论……………………………………………………………………

（1）

§1.1问题的提出……………………………………………………………

（1）

§1.2国内外研究现状分析…………………………………………………

（2）

§1.3本文研究的内容………………………………………………………（5）

§1.4本文研究的意义………………………………………………………（5）

第二章土基回弹模量及其测试方法……………………………………（7）

§2.1土基几种模量的概念及其相互关系………………………………（7）

§2.2土基回弹模量的测试方法及其相关性……………………………（10）

§2.3小结…………………………………………………………………（21）

第三章土基回弹模量与含水量和压实度的关系…………………（22）

§3.1轻、重型击实实验…………………………………………………（22）

§3.2室内模拟实验测定土基回弹模量…………………………………（24）

§3.3野外承载板试验测定土基回弹模量………………………………（26）

§3.4小结…………………………………………………………………（32）

第四章路表弯沉指标与土基压应变分析……………………………（34）

§4.1基准计算结构及其参数的选取……………………………………（34）

§4.2路表弯沉与土基顶面弯沉的影响分析……………………………（35）

§4.3土基压应变的影响分析……………………………………………（42）

§4.4土基压应变和路表弯沉对路面结构控制的分析…………………（47）

§4.5土基顶面压应变与路表弯沉指标关系的建立……………………（49）

§4.6小结…………………………………………………………………（55）

第五章土基压实控制分析………………………………………………（57）

§5.1土的压实特性和力学特性…………………………………………（57）

§5.2土基施工中的压实控制……………………………………………（61）

§5.3小结…………………………………………………………………（69）

第六章主要结论与进一步研究的建议…………………………………（71）

§6.1主要结论……………………………………………………………（71）

§6.2进一步研究的建议…………………………………………………（73）

参考文献…………………………………………………………………………（74）

致谢………………………………………………………………………………（76）

摘要

通过土基顶面弯沉的大量试验数据，分析了FWD、承载板法、贝克曼梁三种弯沉检测方法的相关性；通过野外承载板和室内模拟试验测定土基回弹模量，分析了土基回弹模量与含水量、压实度的关系以及土基回弹模量与土基顶面弯沉的关系，并与其它经验公式进行了比较；对路表弯沉和土基顶面弯沉及土基顶面压应变之间的关系进行了分析，明确了路表弯沉指标和土基顶面压应变对路面结构控制的不一致性，推出了控制土基顶面压应变的设计弯沉公式。

最后，通过实例分析了施工控制含水量和压实度的重要性，对土基的施工质量控制以及我国目前施工压实标准的缺陷提出自己的一些见解，以提高土基施工质量。

关键词：

弯沉；土基回弹模量；含水量；压实度；压应变；施工质量控制；

压实标准

Abstract

ThroughmanycomparisonexperimentsofsubgradetopdeflectionbymeansofBenkelmanBeam,BearingPlantandFallingWeightDeflection（FWD）,theinterrelationsamongabovethreetestingmethodsarepresented.BasedonthedatameasuredfromoutdoorBearingPlantandindooranalogexperimentofearthsubgraderesiliencemodulus,therelatedexpressionamongearthsubgraderesiliencemodulus,moisturecontentanddegreeofcompaction,andrelationshipsbetweenearthsubgraderesiliencemodulusandsubgradedeflection,areformulatedbyregressionmethod,simultaneouslycomparedwithpreviousexperientialformula.Therelationshipsofsurfacedeflectionandsubgradedeflectionandcompressivestrainonthetopofsubgradeareemphaticallyanalyzed.Whenincompatibilityofsurfacedeflectioncriteriaandsubgradecompressivestraincriteriaarepointedout,thedesigndeflectionformulaofcontrollingsubgradecompressivestrainisbuiltup.Finally,thevalueofmoisturecontent,anddegreeofcompactionintheprocessofsubgradeconstructionisanalyzedthroughtheexample.Thesuggestionsonqualitycontrolofsubgradeconstructionanddeficiencyinpresentcompactingstandardsofourcountryareputforwardtoimprovequalityofsubgradeconstruction.

Keywords:

deflection;earthsubgraderesiliencemodulus;moisturecontent;degreeofcompaction;compressivestrain;qualitycontrolofconstruction;compactingstandards

第一章绪论

土基是公路路面的基础，土基的质量直接影响到整个公路的工程的质量，土基一旦出现质量问题，将使公路出现严重病害。

因此，准确评价土基质量至关重要。

§1.1问题的提出

土基回弹模量是公路路面结构设计的主要参数之一，因其受土质、含水量、压实度、测试方法等诸多因素的影响，使其数值的确定比较困难，也就给设计与施工带来很多的不确定因素和问题；许多路面设计指标和路面性能也都受土基状态的影响，如土基顶面弯沉、土基顶面压应变和内部应力状态等等，因此，现行的柔性路面的设计指标只考虑路面的受力变形状态是不够的，还应考虑是否可将土基的状态参数作为设计指标之一。

现行路面设计规范中规定确定土基回弹模量的方法有三种，即查表法、室内实验法和野外承载板法。

旧规范查表法是在过去70年代从轻型压实标准的土基上，在不利季节调查，考虑不利年份测定整理出来的。

相对于重型压实标准，公路路基回弹模量的取值误差增大，路面设计者往往根据《公路沥青路面设计规范》中材料回弹模量的建议值进行取值，并以此作为路面设计依据，施工单位在路基施工中也只检查压实度，即控制路基每压实层的密实程度，施工完毕测试成型路基顶面的回弹弯沉值，并不计算土基的回弹模量，仅以路基顶面的回弹弯沉值作为验收标准。

更重要的是往往实际工程中的回弹模量实测值与现行设计规范的基层回弹模量建议值不符，一般来说要偏大一些,势必造成一些浪费。

实践证明，实行重型击实标准后，土基回弹模量的提高与土质、含水量等因素有关，即同一土质也不能一概而论：

土颗粒变形－荷载以及应变－应力特性具有明显的非线性特征，其回弹模量不是常数，而是一个应力状态，一个与压实度、含水量、细料含量以及毗邻结构层刚度等因素有关的函数，本文通过实测数据建立西安当地土基回弹模量与含水量、压实度之间的回归关系，建立土基模量与土基顶面弯沉之间的关系并将其运用到具体的设计施工中去，指导控制施工质量。

在沥青路面结构设计中，土基的回弹模量是影响结构厚度最敏感的参数之一，土基回弹模量较小的变化会对路面结构厚度产生较大的影响。

因此，在沥青路面结构厚度设计中，能否选用合乎实际的土基回弹模量直接关系到路面结构的安全性和经济性，同时回弹模量的测定与设计中确定以及施工中如何保证也有很大的难度。

随着交通量的快速增长，对路面结构层的参数都有更高的要求。

如交通量的增加需要强度更大稳定性好的基层，采用半刚性基层可以有效减小沥青面层层底拉应力和土基顶面压应力，保护土基稳定性，但基层强度和模量的增大也同样带来一些问题，如会导致面层内竖向压应力增大，易引起路面车辙而降低路面高温稳定性能。

为此设计参数如何保持在合理范围内，优化路面结构设计，使设计理论更好的适合交通量和公路建设的发展。

土基稳定性对路面性能来说是至关重要的，但现行规范对土基稳定性和强度仅仅以土基回弹模量来表征，通过分析可知，尽管路表弯沉与土基顶面压应变存在一定的相关性，但路表弯沉指标并不能很好的反映土基的应力工作状况，所以有必要对土基顶面压应变加以分析，完善路面设计指标。

为此，本文对土基顶面压应变的影响因素加以分析。

纵然有完善的路面结构设计理论，但实际施工中还有许多不可预见的影响因素的存在，如设计参数、材料参数的变异性对施工质量的影响；同样也存在许多错误的认识，如对土基压实施工的重要性认识不够，形成一些“误区”，这些都可以对此进行理论分析和解释。

本文同样也将对此加以讨论。

§1.2国内外研究现状分析

50年代至70年代末，我国公路部门曾组织力量在全国范围内进行了大规模的公路路基回弹模量实测及研究，并在1978年《公路柔性路面设计规范》（内部试行）稿中提出了公路路基碎（砾）石土、砂土及二级公路自然区划土组土基回弹模量建议值表，此表后被1986年《公路柔性路面设计规范》（JTJ014-86）及1997年《公路沥青路面设计规范》（JTJ014-97）沿用，一方面受到当时人力、物力及研究水平所限，加之当时施工采用的是轻型压实标准，不同于今天的重型压实标准，这些都使公路路基回弹模量的取值误差增大。

“八五”期间，为了与国际上通用的碟式仪ωL（100g锥）相当，对过去采用的76g锥的液限ωy与ωL的关系进行了试验研究，找到了换算关系，并推算出E0与稠度ωC的建议值。

80年代初，实行重型压实标准。

通过轻型压实标准与重型压实标准的对比试验，认为现在可将轻型压实标准路基回弹模量E0的建议值在查表的基础上再提高15％～30％或更大幅度，但并没有进行具体细致的量的规定。

为便于与外国盛行的CBR设计法进行对比和学术交流，国内还对路基回弹模量E0与CBR值之间的相关关系进行了研究，得到了全国有代表性地区土类路基E0、CBR值的回归关系式。

由于影响路基回弹模量的因素主要是压实度和土性指标，因此，国内还对路基回弹模量E0与压实度（Kh、KL）和稠度（ωc）之间的关系式进行了试验分析，得到了全国有代表性地区土类路基E0、K、ωc的回归关系式。

以上研究均属于对路基静态回弹模量的研究，关于路基动态回弹模量的研究，国内曾做过一些室内动三轴试验，也进行过利用落捶弯沉仪测定动荷载作用下的路表弯沉曲线反算路基回弹模量值的研究。

实际上，三轴仪测定出的回弹模量是土材料的动回弹模量值，而用落捶弯沉仪测定的路表弯沉曲线反算的回弹模量则是土体结构的动回弹模量值，两者不可能在各种型式的路堤设计情况下都等效。

另外，设计和测定中都未提及土的动阻尼特性，但要用动回弹模量进行分析必须涉及动阻尼问题。

进入90年代以来，此方面的问题显得日益突出，不少研究者先后进行此方面的研究。

湖南大学的赵华明等结合河南信阳地区进行了土基回弹模量E0值和野外关系的研究；刘麟德对成都——双流机场路土基回弹模量及弯沉进行了测试；粱锡三等对路基弯沉检验标准进行了研究；候定一进行了野外路基回弹模量测定仪的研究；陈忠达对塔克拉玛干风积沙路基回弹模量进行了研究；陈晓光等研究了新疆高等级公路半刚性基层土基强度等级划分；叶燕呼进行了广东省公路路基强度及土基分级研究；唐伯明等进行了FWD与贝克曼粱的对比试验研究；蔡良才等进行了机场刚性道面下土基回弹模量取值方法研究。

而对于路面弯沉检测与分析是路面承载力评价的基础，是路面性能评定的重要组成部分，它不仅对检验和控制工程质量至关重要，而且决定着路面养护决策的科学化水平。

我国高等级公路建设起步较晚，常用的路面弯沉检测与承载力评价技术仍停留在一个较低的水平上，如我国路面弯沉检测的标准方法为静载贝克曼梁试验方法，承载板法作为路面基层和土基的弯沉测试方法也应用较为广泛，这些传统的方法也还有很多的不足之处，如检测的稳定性、承载板利用弯沉反算土基模量时回弹弯沉的取值方法等等。

所以随着我国高等级公路的迅速发展，传统方法已越来越不适应大范围路面检测和大量路面使用性能的数据采集。

国外公路路面设计方法有采用经验法的，有采用理论法的，也有采用半理论半经验法的，不同的路面设计方法表征路基强度的指标也不尽相同。

如地基反应模量，即采用Winkler地基模型，反映土基顶面压力与弯沉关系的比例系数；加州承载比CBR是美国加利福利亚州提出的一种以材料抵抗局部荷载压入变形的能力；原苏联则采用土基回弹模量作为设计参数；美国AASHTO沥青路面厚度设计方法中采用路基土的有效回弹模量作为设计参数；SHELL沥青路面厚度设计方法中采用路基土的动态回弹模量作为设计参数；美国PAC、AASHTO水泥混凝土路面厚度设计方法则采用路基反应模量。

相应于各种设计方法的路基强度设计参数，均进行了大量的试验研究，提出了各自的确定方法，并在实践中得到了验证和完善。

世界上许多组织（如AASHTO方法、AI方法、SHELL牌方法等）的柔性路面设计方法都采用了土基顶面压应变指标，通过对土基顶面压应变的控制来控制车辙和土基破坏的目的。

但是路表弯沉设计准则在我国柔性路面设计中已使用多年，具有比土基压应变检测方便的优点，虽然它在一定程度上可以反映路表弯沉，但它并没有用土基压应变来控制车辙和土基破坏合理。

不过，林绣贤对世界上有影响的设计方法的土基顶面容许压应变作了分析，认为土基顶面容许压应变以下式最为合适：

（1-1）

沙庆林也根据“七•五”攻关科研成果，对半刚性基层，沥青路面的容许弯沉做了详细分析，提出作为设计控制的容许弯沉公式为：

（1-2）

SHEEL石油公司、英国TRRL、美国沥青协会、日本道路公团等国外研究机构先后对土基回弹模量与CBR的关系、土基动态回弹模量进行了研究。

综上所述，国内目前尚缺乏直接针对高等级路面的或重型击实标准的路基回弹模量研究成果；对路基回弹模量的影响因素研究也不够全面；路基动回弹模量与静回弹模量的关系也有待研究；路基设计参数与施工质量的控制标准不完全一致的问题也应得到解决。

而现今公路工程中理论与工程实际相结合是一个很大的难题，往往有很多的出入和矛盾存在，特别是一些理论值，它们的理论计算都建立在一些理论假设和经验数据基础上得到的，而这些基础存在一定的缺陷和不可靠性。

理论分析忽略了许多次要因素，经验数据成果又不能符合所有的工程实际，更何况随着工程手段的革新与改进，所以我们应该对此变化提出相应的办法和措施来指导公路工程的设计与施工。

§1.3本文研究的内容

基于上面提出的问题和目前的研究现状，本文将对土基回弹模量的测试方法、影响因素以及其与土基压实施工控制进行分析并建立一定的联系。

具体研究内容如下：

（1）土基回弹模量测试方法的研究

概述目前土基回弹模量测试方法及其相互之间的关系，通过引用工程实测弯沉结果分析几种测试方法的相关性及其稳定性的比较。

（2）依托西户路（西安——户县高速公路）工程，通过现场试验和室内实验分析土基回弹模量与稠度、含水量及压实度等影响因素关系的研究；分析土基回弹模量与土基顶面弯沉、回弹弯沉的关系；根据目前主要使用的半刚性基层下路基应力应变位移情况，分析承载板试验弯沉指标控制。

（3）土基压应变与路表弯沉指标关系的研究

系统地分析了路基回弹模量对路表弯沉与土基顶面弯沉的影响；路表弯沉并不能完全反映土基的受力状态，分析路面参数对土基顶面压应变和土基内部压应变的影响；分析土基压应变控制与路表弯沉控制对路面结构设计的差异；分析土基顶面压应变与路表弯沉的关系；提出土基顶面压应变控制指标的方法。

（4）概述土基力学特性和压实机理，分析工程实际中土基压实的影响因素及其相关控制。

对施工中应注意的问题加以解释，以达到指导现场施工，提高压实效果的目的。

总之，本文将围绕土基参数对路面性能的影响，通过室内实验、野外测试、理论分析及现有数据分析研究土基回弹模量主要影响因素及与相关指标的关系；对土基顶面压应变进行影响分析，完善路面设计理论；将土基回弹模量对路面性能的影响与设计施工结合起来并作以对比分析，得出切实可行的研究结果应用于工程实际，指导工程建设。

§1.4本文研究的意义

当前，我国正处于大规模的建设高潮时期和正值实施西部大开发战略，作为西部开发的基础设施的公路建设正如火如荼，公路路基回弹模量是公路设计和使用的基本指标之一，也是科学进行西部公路设计必须解决的核心问题之一。

此问题的解决，对我国西部公路建设乃至全国公路建设行业标准规范的完善，节约工程费用具有重要的意义。

（1）由于土基回弹模量受土材料的分散性、多样性、环境的变化等因素的影响较大，难以全部实测和较可靠地类比获取。

目前尚未找到一种可靠实用的路基回弹模量的获取方法。

（2）《规范》提供的各自然区划不同土类的土基回弹模量参考值是以轻型击实标准为依据的产物，缺乏直接针对高等级公路或重型击实标准的路基回弹模量研究成果。

（3）用承载板和回弹仪测定土基的静回弹模量时还涉及附加应力影响深度的影响，根据土工原理，相同荷载强度下附加应力的影响范围与承压板的尺寸有关，影响范围不同，实测弯沉值就不同，则整理出的模量值就不同。

通过对弯沉实测方法的分析，提高检测方法的适用性、准确性、稳定性，更好地完善设计理论和指导工程实际。

（4）通过设计参数对路面性能和土基顶面压应变的影响分析，提出参数的合理范围，以达到优化设计理论，使设计指标更趋向合理性。

（5）对土基施工的压实机理和压实效果加以分析，对施工中应注意的问题和一些认识上的“误区”加以理论分析，使得施工更加经济合理。

本文将为公路建设的路面设计参数和施工质量的标准问题的解决提供一定的依据，对我国西部公路建设乃至全国公路设计、施工有重要意义，具有一定的应用前景。

第二章土基回弹模量及其测试方法

土基模量是土体的重要指标之一，土体模量的选取和精确测量对公路工程实践有着十分重要的意义。

本章主要介绍土基的几种模量及换算关系，其中主要对土基回弹模量的测试方法及其相关性作以重点分析。

§2.1土基几种模量的概念及其相互关系

土体的强度和稳定性是建设者关心的两大主题。

土基的变形或不稳定将会造成路面的损坏和路用性能的降低，而土体模量就是反应其强度和稳定性一个很重要的力学指标。

2.1.1路基土模量的基本概念及测试方法

各种土的应力应变关系可由三轴压缩试验得到，在某一不变的侧限应力下，逐级施加竖向应力，并量取该级应力下的竖向应变，由此可得应力应变关系曲线，见图2-1。

图2-1土的应力——应变关系曲线（σ3＝0.1MPa）

由图可看出土是非线性弹—塑性变形体，所以表征弹性体材料应力应变关系的比例常数——弹性模量对于土体是不确切的。

但习惯上仍用采用下述模量公式来反映土的应力应变关系。

按应力应变曲线上的应力取值方法的不同而赋予如下不同的模量定义：

土的变形模量Es又称割线模量，是指均质各向同性半无限空间线弹性土体在无侧限条件下应力与应变的比值。

实验室一般采取无侧限抗压强度实验来获得，圆柱土体轴向受压，应力应变关系为非线性，如图2-1所示曲线。

通过曲线1上两点O、A割线的斜率dσ/dε即为土体的变形模量Es，其中土的应变包括弹性应变和塑性应变。

这也是土体的变形模量与弹性模量区别之所在。

土的弹性模量Ei又称初始切线模量，是指单取土的弹性和瞬时应变（不包括随时间发展的土的蠕变）来看，法向应力与土的弹性应变的比值叫做弹性模量。

土的弹性模量常用无侧限压缩试验和不排水三轴剪切试验经反复加荷卸荷求得。

以轴向应力为纵坐标，以轴向应变为横坐标，求得通过原点的应力应变关系曲线，曲线上的初始切线模量作为土的弹性模量。

土的有侧限压缩模量Et又称切线模量，是指土体在完全侧限条件下应力与应变的比值。

试验室主要是采取固结实验来测得有侧限压缩模量Et。

固结实验是将天然状态下的原状土样或人工制备的扰动土，制备成一定规格的试件，然后将其置于压缩仪中，在不同的荷载和有侧限的条件下，测定其压缩变形量，其中的比值Δσz/Δεz称为有侧限压缩模量Et，土的总应变同样也包括土的弹性应变和塑性应变，因此，有侧限压缩模量Et远小于土的弹性模量Ei。

土的静回弹模量E0又称回弹模量测试主要通过承载板试验来得到。

回弹模量实际上是应力卸载阶段应力应变曲线的割线模量。

它的测试方法将在本章第二节中介绍。

土的动回弹模量Er是一表征任何材料在弹性阶段应力应变关系的一项重要力学指标。

是指土样在轴向循环荷载作用下，承受周期压缩与拉伸试验，并且在试验过程中获得由动应力产生的弹性应变，而动应力与动应变的比值通常称为动回弹模量。

其测试方法有室内试验测定和路表弯沉测定反算法。

土的动弹性模量Ed是表征任何材料在弹性应力－应变关系的一项重要力学指标。

是指土样在轴向循环荷载作用下，承受周期压缩与拉伸试验，并且在试验过程中获得由动应力产生的弹性应变，而动应力与动应变的比值，通常成为动弹性模量。

Ed的测量方法主要采用振动三轴试验。

地基反应模量k按Winkler假设：

路基表面任一点的弯沉量W，仅同作用于该点的压力大小p成正比，而同相邻点处的压力无关。

那么反映压力p和弯沉关系W的比例系数称为地基反应模量k。

地基反应模量k值用直径为76cm的承载板法实验确定，通过逐级加载测定相应的总弯沉量，得到荷载—弯沉曲线。

由于两者为曲线关系，k值随所取的压力（或弯沉）值而变，通常规定按弯沉量W=1.27mm（或压力p＝70kPa）来计算k值：

=

（MN/m3）（2-1）

式中μ为地基泊松比，而d为板的直径（cm）。

当承载板直径改用30cm时，可按下述经验关系式将实验结果转换为76cm直径承载板的反应模量值：

（2-2）

试验时，弯沉测定如改用回弹模量，则可按下式计算得到回弹反应模量kr。

它与反应模量k之间的经验关系式为：

kr＝1.77k（2-3）

加州承载比CBR是美国加利福尼亚州提出的一种以材料抵抗