硕士论文公路土基回弹模量分析与研究[1].docx

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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Oo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

2、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

3、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拟；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而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AbstractThroughmanycomparisonexperimen

4、tsofsubgradetopdeflectionbymeansofBenkelmanBeam,BearingPlantandFallingWeightDeflection(FWD),theinterrelationsamongabovethreetestingmethodsarepresented.BasedonthedatameasuredfromoutdoorBearingPlantandindooranalogexperimentofearthsubgraderesiliencemodulus,therelatedexpressionamongearthsubgraderesilien

5、cemodulus,moisturecontentanddegreeofcompaction,andrelationshipsbetweenearthsubgraderesiliencemodulusandsubgradedeflection,areformulatedbyregressionmethod,simultaneouslycomparedwithpreviousexperientialformula.Therelationshipsofsurfacedeflectionandsubgradedeflectionandcompressivestrainonthetopofsubgra

6、deareemphaticallyanalyzed.Whenincompatibilityofsurfacedeflectioncriteriaandsubgradecompressivestraincriteriaarepointedout,thedesigndeflectionformulaofcontrollingsubgradecompressivestrainisbuiltup.Finally,thevalueofmoisturecontent,anddegreeofcompactionintheprocessofsubgradeconstructionisanalyzedthrou

7、ghtheexample.Thesuggestionsonqualitycontrolofsubgradeconstructionanddeficiencyinpresentcompactingstandardsofourcountryareputforwardtoimprovequalityofsubgradeconstruction.Keywords:deflection;earthsubgraderesiliencemodulus;moisturecontent;degreeofcompaction;compressivestrain;qualitycontrolofconstructi

8、on;compactingstandards第一章绪论土基是公路路面的根底，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，使其数值确实定比拟困难，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

9、计标准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。旧标准查表法是在过去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标准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标准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

10、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：土颗粒变形一荷载以及应变一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，能否选用符合实际的土基回

11、弹模量直接关系到路面结构的平安性和经济性，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开展。土基稳定性对路面性能来说是至关重要的，但现行标准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

12、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

13、设计标准(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标准(JTJ014-86)及1997年公路沥青路面设计标准(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G1.(100g)相当，对过去采用的76g锥的液限知与G1.的关系进行了试验研究，找到了换算关系，并推算出EO与稠度3c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比照试验，

14、认为现在可将轻型压实标准路基回弹模量Eo的建议值在查表的根底上再提高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设计法进行比照和学术交流，国内还对路基回弹模量EO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Eo、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Eo与压实度（Kh.KiJ和稠度（3C）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Eo、K、3c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

15、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那么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EO值和野外关系的研究；刘麟德对成都一一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

16、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与贝克曼粱的比照试验研究；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根底，是路面性能评定的重要组成局部，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

17、应用较为广泛，这些传统的方法也还有很多的缺乏之处，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开展，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。如地基反响模量，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；原苏联那么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

18、回弹模量作为设计参数；SHE1.1.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那么采用路基反响模量。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，提出了各自确实定方法，并在实践中得到了验证和完善。世界上许多组织如AASHTO方法、Al方法、SHE1.1.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那么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

19、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适宜：=O.8V02(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：=O.22No26(1-2)SHEE1.石油公司、英国TRR1.、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

20、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根底上得到的，而这些根底存在一定的缺陷和不可靠性。理论分析忽略了许屡次要因素，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良，所以我们应该对此变化提出相应的方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)基回弹模量测试

21、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拟。(2)依托西户路(西安一一户县高速公路)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

22、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，以到达指导现场施工，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士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比照分析，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

23、值实施西部大开发战略，作为西部开发的根底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根本指标之一,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标准的完善，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)标准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

24、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，那么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，以到达优化设计理论，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

25、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，而土体模量就是反响其强度和稔定性一个很重要的力学指标。路基土模量的根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

26、关系曲线，见图2-1。图2-1土的应力应变关系曲线。3=0.1MPaJ由图可看出土是非线性弹一塑性变形体，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0、A割线的斜率do/d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

27、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(不包括随时间开展的土的蠕变)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E,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Ero固结实验是将天然状态下的原状土样或人工制备的扰动,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

28、定其压缩变形量，其中的比值OJAz称为有侧限压缩模量日，士的总应变同样也包括土的弹性应变和塑性应变，因此，有侧限压缩模量日远小于土的弹性模量E/o土的静回弹模量EO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一应

29、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。地基反响模量k按WinIder假设：路基外表任一点的弯沉量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响模量ko地基反响模量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，得到荷载一弯沉曲线。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

30、k值：k=E=4(MN/m3)(2-1)W11(-2)d式中为地基泊松比，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直径承载板的反响模量值：%76=0.4%3o(2-2)试验时，弯沉测定如改用回弹模量，那么可按下式计算得到回弹反响模量kro它与反响模量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局部荷载压入变形的能力来表征士基承载能力的指标，并用高质量标准碎石为标准，以它们的相比照值表示CBR值。即：CBR=1.X100%(2-4)式中：P对于某一贯入度的士基单位压力;Ps与土基贯入度

31、相同的标准单位压力；试验时，用一个面积为19.35c11?的标准压头，以1.27mmn加的速率压入土中，记录每贯入2.54mm时，单位压力与标准压力之比的百分数为土基的承载比。标准压力值是用高质量的碎石材料试验而得。土基模量的相互关系上面所论述的这些指标，就其本质来说都是测量其应力与应变之间的关系，来判定土体工程性质的好坏，根据其实验条件的不同以及描述方法的不同区分出不同的模量。以下是土体模量关系汇总表21。另外，还有几点要说明的是：(1)实际上土体性质极其复杂，将土体看成弹性体，只在变形极小的情况下才适用。也就是土的弹性变形比土体的总变形要小，因此土体的弹性模量远大于土的变形模量。(2)关于

32、土体的变形模量的计算问题，由于土体的变形模量并非一个定值，它是随应力水平的变化而变化的。因此，在土体变形的计算中，就应该随着应力水平的变化对变形模量作以修正，以提高计算的精度。(3)关于地基反响模量k值与地基的回弹模量Eo之间不存在唯一的关系，它们的是随机的。从式(2-1)中易看出k与板的直径d是成反比的，也即它们的乘积为一定值。用承载板试验中，经过对k30、k4o、k5o及k75这几个指标的测试，存在如下比例关系：k3o=1.29k4o,k30=1.69k50,k30=2.2k75,也更验证上述结果的正确性。由此可看出直径越大,k值越小，而且当直径大于76Cm时k值变化比拟小。表27土体模量

33、关系汇总表模量名称描述特征工程应用计算方法理论假设变形模量ES无侧限约束的土的变形特性不可直接计算但可换算成Et无侧限条件下应力与应变的比值弹塑性体弹性模量Ei土体在弹性阶段的变形能力瞬时荷载下地基变形计算弹性应力与应变的比值弹性体有侧限压缩模量Et无侧限约束的土的变形特性用于地基沉降计算完全侧限条件下应力与应变的比弹塑性体静回弹模量Eo土体在局部静荷载条件下的变形特性用于路面结构设计计算弹性理论根底上应力与应变的比弹塑性体动回弹模量Er土体在动荷载作用下的变形特征路基在动荷载下的变形计算动应力与动应变的比值弹性体地基反响模量k在Winkler假设模型下土体变形特征在一定程度上反映了路基在某一

34、特定压力（或弯沉量）下荷载与弯沉的关系路基顶面应力与弯沉的比值WinkIer地基假设加州承载比CBR描述土的承载特性公路路基土的承载能力的评价贯入某一深度所需压力与标准压力的比值弹塑性体士体模量的相互关系（1） k3o=E（20.66（由k的定义和式（2-1）计算可得）；（2） EO=BEr（B为侧变形系数）。综上上述，土体模量虽然本质上具有一致性，但由于土体性质的复杂性以及试验受人为因素的影响性，影响土体模量的因素有土的种类、含水量及测试方法等。但由于土体性质的复杂性、试验受人为条件的影响性以至无法得到其精确的相互换算关系，而且一些理论关系推导的假设也采取了简化处理，这与工程实际情况有一定的

35、出入。试验拟合的关系更不具有稳定性，参数会随实际情况有很大的改变，但大致的关系是不会改变的。2.2土基回弹模量的测试方法及其相关性随着我国高速公路里程的增加，检测路面使用状况，对高速公路进行科学管理，已引起人们的格外重视。目前我国的检测技术还比拟落后，主要由于缺乏先进而实用的路面检测和评价手段，现行的管理手段主要根据对现有状况的直观和定性了解，受主观因素的影响较大，这种传统的检测方法不仅效率低，而且有明显的不合理性，难以使有限的资金获得尽可能大的社会经济效益。这不仅表达在管理上，在设计施工中用到的标准结论的理论数据都来源于检测，那么它的误差难免会给设计施工带来不合理性。例如，沥青路面设计的重要

36、标准是容许弯沉值，然而确定此值的依据是仅凭眼睛哪段路面属破坏状态，哪段路面属临界状态，然后用贝克曼粱测量其现有的弯沉值，计算参数受主观因素影响和室内实验条件的限制较大。因此，对检测手段和工具的研究与开发越来越受到关注。路基回弹模量的测试方法现行的检测手段有三种：静载贝克曼梁简称BB）试验方法、动载落锤式弯沉仪（简称FWD）试验方法和承载板试验方法。除此之外，土基回弹模量确实定方法还有查表法、换算法和室内试验法。1、静载贝克曼梁试验方法贝克曼梁弯沉测量仪，梁的端头穿过测定车后轴双轮轮隙，置于车轮前方IOCm左右的路面测点上。梁在后三分点处通过支点支承于底座上。梁的另一段处架设一百分表，以测定端头

37、的升降量。车辆以爬行速度向前行驶，车轮经过端头时，读取百分表的最大读数;车辆驶离后，再读取百分表读数；两者差值的两倍即为路外表的回弹弯沉值1.“按下式计算测定值的算术平均值（1.）、单次测量的标准差（三）和自然误差（ro）：Z=（2-5）N-Z）2S=_1.（2-6）N-I%=0.675XS（2-7）式中：1.回弹弯沉的平均值（0.01mm）；S回弹弯沉测定值的标准差（0.01mm）；ro回弹弯沉测定值的自然误差（0.01mm）；1.i各测点的回弹弯沉值（0.01mm）；N测点总数。在计算各测点的测定值与算术平均值的偏差值di=1.-Z时，一并计算较大的偏差与自然误差之比di/ro。当某个测点

38、的观测值的d/r值大于表（2-2）的di/ro极限值时那么应舍弃该测点，然后重复式（2-5）的步骤计算所余各测点的算术平均值（Z）及标准差（三）o表2-2相应不同观测次数的d/r极限值N510152025d/r2.52.93.23.33.8再按下式计算代表弯沉值：1.=Z+S（2-8）式中：1.i计算代表弯沉值；1.舍弃不合要求的测点后所余各测点弯沉的算术平均值；S舍弃不合要求的测点后所余各测点弯沉的标准差。最后，按下式计算土基的回弹模量（Eo）:Eo=军0/W（2-9）式中：Eo计算土基的回弹模量（MPa）；P测定车轮的平均垂直荷载（MPa）；测定用标准车双圆荷载单轮传压面当量圆的半径（cm

39、）；土基的泊松比。一般取为0.35；a弯沉系数，为0.712。贝克曼梁弯沉测量仪测到的是最大回弹弯沉值。轮载、轮压和加压时间（行驶速度），是影响测定结果的三项加载条件。在测定前和测定过程中，必须认真检查是否符合规定要求。测定时，测试车辆沿轮迹带行驶。如仅使用一台贝克曼梁弯沉仪，测点沿外侧轮迹带布置。测点间隔可为2050cm,视测定路段长度和要求精度而定。测定结果可点绘成弯沉断面图。由于影响承载能力的变量较多，可以预料各测设点的弯沉值会有较大的变异。因而通常采用统计的方法对每一路段的弯沉值进行统计处理，以路段的代表弯沉值表征路段的承载能力。沥青面层的劲度随温度而变化，路基模量也随湿度而变化。因而

40、，弯沉测定结果同测定时路面结构的温度和湿度状况有关。通常以20作为沥青路面的标准测定温度，以最不利潮湿或春融季节作为测定时期。对于其他环境条件下测定的结果，应作温度和湿度修正。由于气候、水文和土质条件的不同，各地区路基湿度和季节性变化规律不尽相同；并且，路基结构不同，路基湿度变化对路表弯沉值的影响程度也不一样。因而，考虑湿度变化的季节修正系数随地区、土质、路基潮湿类型、路面结构等因素而变，应依据当地具体条件建立的季节变化曲线，然后结合经验来确定它。测定路段的弯沉值如果变化范围很大，需进行分段，分别确定其代表弯沉值。分段可通过目估，并结合路况进行，也可按统计方法,对划分的相邻路段进行显著性检验，

41、依据是否有显著差异抉择其分或和。2、承载板试验方法本方法适用于现场土基外表。使用BBZ-100标准车和30cm的承载板，通过承载板对土基逐级加载、卸载的方法，测出每级荷载下相应的土基回弹变形值，排除显著偏离的回弹变形异常点，绘出荷载P与回弹变形值1.的P1.曲线，如曲线的起始局部出现反弯应按图2-2修正原点O,Cy那么是修正后的原点。图2-2修正原点示意图P1.曲线修正以后，按式（2-10）计算相应于各级荷载下的土基回弹模量值E,：式中：E,一一相应于各级荷载下的土基回弹模量值（MPa）；0土的泊松比，根据部颁设计标准规定取用;D承载板直径30cm；P,承载板压力（MPa）；1.一一相对于荷载

42、H时的回弹变形（cm）o最后取结束试脍前的各回弹变形值按线性回归方法由式（2-11）计算求得土基回弹模量Eo值。11DZPiC2、(2-1!)式中：E0一一相应于各级荷载下的土基回弹模量值（MPa）；0土的泊松比，土基一般取为0.35；1.一一结束试躲前的各级实测回弹变形值（cm）；P1一一对应于1.i的各级压力值（MPa）.,P1.曲线大多呈微凸形，少数（土较干而密实时）具有近似线性关系。因而，回弹模量值仍是随荷载压力增加而减小的变量，应按路基实际受到的压力（或回弹驾沉）大小来取值。但承载板试粉至什么情况结束，现在没有统一的做法。对于枯燥、中湿状态路基的应力、应变P1.曲线根本为线性关系，E

43、O值的变化不大，根本是稳定的。对潮湿、过湿状态的土基的应力、应变P1.呈曲线，&值随变形增大而减小。对高速、一级、二级公路半刚性基层沥青路面，由于路面较厚，模量较高，交通荷载传递到路基的受力往往小于0.1MPa,变形小于0.30.5mm,虽然可采用0.1MPa前的应力一一应变曲线计算ED值，但因其应力小变形小，计算的Eo值分散性大，甚至失真，因此建议采用0.5Imm而的P/曲线计算Eo值比拟合理：而当路面较薄，公路等级较低时，路基受力较大，变形就可能到达0.51.omm.因此，应根据实际情况而定。公路部门多年使用到回弹变形到Imm结束。3、动载FWD试验方法用计算机控制液压系统提升50300k

44、g重的重锤并使其从440Cm高度落下，作用于弹簧和橡皮垫上，通过30Cm直径刚性承载板传给路面半正弦脉冲力。通过改变质量和落高，可以施加不同级位的荷载，从15kN到125kN脉冲力作用时间约为0.028s。利用沿荷载轴线间隔布置的59个位移传感器，量测到路外表的弯沉曲线。由于仪器本身重量轻，路面受到的预加荷载的影响比静载弯沉仪的要小的多。动载FWD测定同样可以得到路表弯沉曲线。作用于路表的动荷载向路面结构内的应力扩散会形成“应力锥”，“应力锥”同各结构层次界面的交点具有一定特定的含义：在此交点以外的路表弯沉值仅受到此交点所在界面以下各结构层模量的影响。利用这一特性，可以依据应力锥和结构层次布置

45、传感器的位置，并按测量的弯沉值应用层状体系理论解分别确定各结构层的弹性模量值。弯沉测定时，所施加的动荷载大小应尽可能接近于路上车辆荷载。目前，国际上路面弯沉检测技术开展十分迅速，落锤式弯沉仪（FWD）是目前世界上公认的比拟先进的路面承载能力动载评定设备，它具有无损、高效、高精度及采集数据量非常丰富的特点，至今已在世界50多个国家和地区得到不同程度的应用，尤其是欧美等兴旺国家，FWD应用非常广泛其应用已步入标准化、标准化阶段。美国联邦公路局经过分析比拟，选定FWD作为实施SHRP方案中路面强度评定的指定设备，壳牌石油公司已正式将FWD纳入壳牌路面设计手册。FWD测速快（每测点约40s）,精度高（

46、分辨率为IMm）,并较好地模拟了行车荷载的动力作用，目前被认为是较为理想的路面无损检测设备，特别是FWD能够准确测定多点弯沉，可以量测到各级荷载作用下的路外表动弯沉曲线，能够准确地反映弯沉盆的形状。FWD不仅克服了梁式弯沉仪的固有缺陷，而且仪器本身重量轻，解决了稳态动力弯沉仪的静力预载问题。FWD在公路检测中的优越性，主要表现在以下两方面：（1）根据弯沉盆反算路面结构各层的模量，研究路面材料在使用过程中的性能变化，提供技术参数；（2）以FWD的弯沉盆作为指标，评价路面整体强度，为维护管理提供依据。除了上述土基回弹模量的三种测试方法外，在新建公路初步设计时，土基回弹模量还应根据查表法（或现有公路

47、调查法）、室内实验法、换算法等，经综合分析、论证，确定沿线不同路基状况的土基回弹模量设计值。这里就不再一一赘述。贝克曼梁、承载板及FWD试验方法的相关性我国自80年代后期开始从国外引进FWD,至今已有10多年的历史，在此期间围绕FWD的开发和应用，在大量的理论和试验研究工作中取的一些成果，我国的公路路基路面现场测试规程（JTJ059-95）中已将FWD列为弯沉检测设备，但评定指标只有单点静载最大弯沉值。因此，为了直接利用FWD的检测数据评价路面承载能力，需要进行FWD和贝克曼梁、承载板之间的弯沉检测比照试验研究，建立弯沉数据间的线性相关关系，以充分发挥FWD的优点，加速国内FWD检测技术的开发与应用。1.试验路段的选择及概况平郑路是连接平顶山市和郊县的一条二级公路，选取其中从平顶山新华区焦店乡龙门口（K0+000）至吕寨（KI3+138）的一个施工段为试验路段。由于FWD检测的路面弯沉为动弯沉，而贝克曼梁和承载板检测的弯沉为静弯沉，他们之间存在明显的差异。试验的主要目的是通过对试验路段各结构层进行现场比照试验，研究贝克曼梁、承载板和FWD3种设备在弯沉检测结果之间的相关性；根据各自的弯沉数据，比拟不同设备