路基土回弹模量的多状态变量耦合效应

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反映往复荷载作用下路基弹性支撑能力的回弹模量(Resilientmodulus),将直接影响路面结构服役期间的力学行为与疲劳寿命。因此深刻认识并准确表达路基回弹模量,是路基工程学科的核心理论问题之一,也是更加全面地了解和剖析公路结构整体长期性能的重要基础。
  路基土回弹模量主要受湿度状态和应力状态的影响,现有研究趋势在于从基质吸力角度解析湿度对回弹模量的影响。在不同初始状态(含水率、压实度)下,由于饱和度不同,基质吸力对回弹模量的影响存在差异,从非饱和土有效应力原理角度,体现为有效应力系数的不同,其本质则为土体不同饱和度下孔隙结构的差异。
  因此,本文在分析归纳现有回弹模量相关研究的基础上,选取上海嘉定、江西赣州、山东德州三种土体,通过室内重复加载动三轴试验研究了不同初始状态(含水率、压实度)、应力状态下回弹模量的表现特征,分析了回弹模量与基质吸力的相关性;通过压汞试验探究了不同初始状态下路基土孔隙结构特征及影响因素,从毛细饱和度角度提出了有效应力系数计算方法;建立了考虑初始湿度状态、应力状态、饱和度状态的动态回弹模量预估模型,采用试验数据对模型进行回归分析,并与既有回弹模量模型进行对比,主要得到以下结论:
  (1)回弹模量随偏应力的增大而减小,且在高吸力下的衰减较低吸力下显著,在高围压下的衰减较低围压显著;回弹模量随着基质吸力的增加而增大,采用MR=αΨβ所示形式拟合,两者具有较好的非线性相关性;在不同饱和度下,基质吸力对回弹模量的影响不同,当吸力超过一定界限后,吸力增加对模量的影响不再显著;对于不同压实度土样而言,由于饱和度不同,回弹模量与基质吸力的关系仍存在差异,因此在分析基质吸力与回弹模量关系时,应纳入饱和度这一指标。
  (2)三种土体孔径分布曲线均呈双峰特性,据此将土体内部孔隙划分为集合体内孔隙和集合体间孔隙:集合体内孔隙吸附的主要是结合水,而集合体间孔隙中水分多以毛细水的形式存在;随着初始含水率的增加,集合体内孔隙体积可近似认为线性增加,对应的集合体间孔隙减小;集合体间孔隙体积随着压实度的增加而减小,而集合体内孔隙受压实度影响较小;不同湿度、干密度下基质吸力差异的本质在于孔隙结构的不同。
  (3)毛细饱和度Sinter主要受含水率和干密度的影响,相较于基质吸力,吸应力(基质吸力与毛细饱和度乘积)与回弹模量的相关性更加显著;采用毛细饱和度作为有效应力系数,提出了考虑应力状态、初始湿度状态、饱和度状态的回弹模量预估模型;与不考虑饱和度状态的模型、基于有效应力原理的模型相比,将吸应力作为独立状态变量的模型预估效果更优;采用本文提出的Sinter、Sk所示的有效应力系数计算方法均取得较好预估效果,与Sk相比,Sinter具有明确的物理意义。因此,本文提出的模型可较好地用于路基土回弹模量预估。
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