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压实岩土材料施工质量管理的力学方法
Mehran Mazariaa, Soheil Nazarianbb
a加州州立大学洛杉矶分校土木工程系，地址：美国加利福尼亚州洛杉矶州立大学大道5151号，邮编：90032
b德克萨斯大学埃尔帕索交通基础设施系统中心（CTIS），地址：美国德克萨斯州埃尔帕索市大学大道西500号，邮编：79968
文章信息：2017年3月16日收到，2017年8月1日修订，2017年8月1日通过，2017年8月8日线上提供
关键词：松散岩土材料；目标模量；轻质弯沉仪；回弹模量；含水量
摘要
土方工程和松散集料是交通基础设施建设中最关键的组成部分。合理的质量管理体系能保证其结构性能，确保所用材料与设计阶段所选材料相似，能对材料进行适当的加工；确保材料在压实前均匀混合并含有适当的水分，能采用相应的压实设备来保证其有足够的密度和刚度。目前质量管理的主要工具是密度计，用来确保在施工过程中达到适当的密度，或者某些情况下达到合理的含水量。但是，在过去的几十年中，用于估算已施工路面层刚度参数的原位无损检测（NDT）装置不断涌现。在基于力学-经验法的设计过程中，这些刚度参数更能代表结构的性能。本文总结了一系列的室内和小型评估的成果，以建立压实岩土材料施工质量管理的力学方法。综合目前的实践情况，然后在受控室内条件下对两种无损检测设备进行评估。小范围实验的结果被认为是现场湿度和刚度的变化。基于这一系列岩土材料的结果，开发了一个基于力学的质量管理框架。
介绍
土方工程和未结合的骨料是人行道建设的重要组成部分。在路面，特别是柔性路面上观察到的许多损坏都可以追溯到这些材料中的问题。通过适当的施工过程控制，能保证路面的良好性能，保证对材料的正确处理，使其均匀混合，保证在压实前含有适当的水分，并配备足够的压实设备，以达到所需的密度和刚度。目前质量管理的主要工具是核子密度仪(NDG)。尽管含水量很重要，但在压实时，对最终产品的质量，水分控制过程不包含在大多数施工质量管理规范中。含水率和干密度的测量，不能直接将施工质量与考虑应力和模量的力学-经验设计过程联系起来。在过去的几十年里，原位无损检测(NDT)设备已经研发出来了，它可以对已建成的路面结构的刚度参数进行评估。在基于力学的设计过程中，从NDT试验中获得的刚度参数更能代表路面的性能。然而，从基于密度的质量管理方法到基于模块的质量管理方法的转换涉及到必须认识和处理的技术和组织挑战。下面的部分总结了关于刚度参数在质量管理方法中的应用情况。
背景
刚度被定义为材料在施加荷载下的变形，就路面系统对交通荷载的影响而言，刚度并不是一种独特的材料特性。在不同的近似水平下，模量可以根据给定的层特性、施加荷载的大小和估算路面系统响应的模型的刚度来估计。层模量可以通过现场或室内测试来测量，也可以根据经验关系来估计。回归模型，通常是基于地质材料的指标性质，可以作为设计阶段的初始近似值。由于这些方程的一般性质和地质材料的固有变异性，估计值的不确定性相当高。
Puppala[1]综合了评估路基和非粘结材料刚度的方法和步骤。然而，区分“模量”和“刚度”是有必要的。模量定义为外加应力与实测应变之比。材料的模量在初始切线模量(Emax)和正割模量(取决于应力的大小)之间变化。刚度被定义为材料在荷载作用下的变形，它不是一种独特的材料特性，而是路面系统对荷载的响应。在不同的近似水平下，模量可以根据层的特性、荷载的大小和一个估计路面系统响应的模型来估算刚度。
在三轴荷载试验中，影响压实地基材料弹性模量的因素很多。这些因素包括材料类型、压实方法、加载时间、应力序列、本构预测模型和试件尺寸。Witczak等人[2]总结了AASHTO T307准则对传统重复加载三轴试验设置的变化。这些变化是国家合作公路研究计划(NCHRP) 1-28A项目的一部分，该项目后来成了力学-经验路面设计指南(MEPDG)的基础。三个样品的直径，2.8英寸(71毫米)，4英寸(102毫米)及6英寸(152毫米)，作为原来的NCHRP 1- 28a项目的一部分。为了保持最大集料粒径与试件尺寸的比值，提出了一种去除和替换粗集料的方法。在协调版本的测试协议中，要求的比例是1:6(6英寸，直径152毫米)和1:53为(4英寸，直径102毫米)标本。
在确定压实岩土材料层的刚度参数中，现场试验具有快速、准确的特点，并且能够对大量的天然材料进行评价，因而更具实用性和可取性。现场试验通常分为材料特性和设计模拟两类。材料特性测试的目的是测量材料的基本特性（如模量）。然后，将这些特性与适当的分析或数值模型相结合，并经常进行额外的室内或现场试验，以获得设计参数。设计模拟是通过实验模拟设计条件来反算材料参数。这些方法通常测量与路面刚度相关的路面系统有关。例如，地震方法属于材料特性类别，提供线性弹性模量，而基于挠度的方法属于设计模拟类型，提供有效模量。
文献中广泛研究了提供快速刚度或模量测量的原位测试装置。Puppala[1]和Nazzal[3]收集了现有装置的综合信息。Tutumluer[4]的研究中综合了未粘结骨料路面层实践。Von Quintus等人[5] 研究了现有无损检测技术在柔性路面质量检测中的应用。该研究为日常和实际的质量管理操作提供了合适的无损检测技术。Nazarian等人[6] 提出了一种基于模量的非结合面层施工质量管理规范。施瓦茨等人[7] 提出了采用轻型弯沉仪（LWD）对非结合面层进行质量管理的方法和步骤。
研究学者们对影响岩土材料模量的主要因素达成了一致意见[1]。这些因素通常包括应力状态、含水量或饱和度、历史应力、密度、级配和塑性极限。模量与应力状态的相关性带来了一些实际问题，因为模量或刚度不是唯一的值，取决于下卧层或上卧层的特性，或两者兼而有之，并且只有在所有层的模量已知的情况下才能估计应力状态。因此，基于设计值的目标模量估计应使用数值结构模型进行迭代。然而，结构模型的复杂性影响设计和目标模块的估计[6]。
关于含水量对模量影响的回顾，见Richter[8]、Cary和Zapata[9]、Siekmeier[10]和Mazari等人的研究成果[11,12]。含水量的增加通常会增加弹性变形，从而降低模量。最近的一些研究表明，压实岩土材料层时的含水量与进行质量管理测试时的含水量之间的差异，对模量的影响大于压实时的含水量[6,13,14]。
在文献[15,16]中没有观察到模量和密度之间的强相关性。Pacheco和Nazarian[14]将缺乏这种相关性归因于压实土料层的含水量、密度和饱和度之间的复杂相互作用。另一方面，定性研究了级配和塑性对模量的影响[1,8]。一般来说，随着塑性或细料百分比的增加，模量降低。
压实岩土材料在干湿循环过程中的短期行为对质量管理具有重要意义。施工过程中的水分增加通常是由于降水造成的，降水会中断施工，可能需要重新压实该层，而压实完成后和进行质量测试前所经过的时间会影响短期性能。还应评估干湿循环，以表征在用路面的长期性能。为了预测在役路面压实岩土材料的含水量和模量的长期变化，已经做了大量的工作。然而，与暴露的岩土材料的短期行为相关的工作量仅限于很少的研究[6,13,14]。
根据最近更名为AASHTOWare路面ME设计的MEPDG，环境因素对压实岩土材料弹性模量（MR）的影响可以用以下形式表示：
式中Fenv是环境调整系数，Mopt是任何应力状态下最佳条件下的弹性模量。Witchzak等人[2] 提出以下方程式来估算环境因素：
式中，MR=任何饱和度下的弹性模量S，MRopt=最大干密度和最佳含水量下的弹性模量，Sopt=最大干密度和最佳含水量下的饱和度，a=log（MR/MRopt）的最小值，粗粒和细粒材料分别为0.3123、0.5934，b=log（MR/MRopt）的最大值，粗粒和细粒材料分别为0.3010和0.3979，Km=回归参数。
Cary和Zapata[9]提出了公式（2）的扩展版本，将比200号筛细的百分比（w）和材料的塑性指数（PI）合并如下：
其中alpha;=0.600，beta;=1.87194，delta;=0.800，gamma;=0.080，rho;=11.96518，omega;=19111。该方程是经验公式，基于广泛的岩土材料的得出的指数特性。
本研究的主要目的是为压实岩土材料的质量管理提供一种基于力学的方法。为了在设计、施工和室内试验之间提供连续性，希望从传统的基于密度的规范过渡到力学方法。以下各节概述了室内和小规模调查，以制定拟议的基于力学的方法的步骤。然而，值得注意的是，这些过程是基于本研究中使用的有限数量的地质材料的结果。拟议框架的一种更为通用的形式将包括当地材料的特性，并要求对已开发的模型进行校准。根据本研究结果产生的程序仅基于干燥循环。然而，在长期使用寿命内，路面结构中的岩土材料层也可能由于降水而受到湿润循环的影响。包括润湿过程的结果都超出了本文的研究范围。应当指出，所开发的模型和程序可能不适用于这些湿润循环。
方法
这项研究包括室内试验，经过推广和发展，在受控实验室条件下进行小规模试验，以模拟现场环境和微调初始模型。这种方法将几个复杂的、相互关联的问题转化为一系列定义明确的假设，这些假设可以提供一个切实可行、科学合理的计划。在这些调查的结果之后，进行了一系列的实地评估，其中包括的内容超出了本文的范围。在实验室和小型试验中，使用了三种细粒土（CL、CH和ML）和两种砂质材料（SC和SM）。这些材料在与水分的相互作用以及作为压实土材料在路面施工项目中的应用方面表现出多种特性。表1总结了这些地质材料的指数特性。SM岩土材料被用作一个共同的基础层的所有小样本，用于比较目的。
实验室测试项目：
实验室研究的目的是确定压实时含水量对模量的影响，以及试验时含水量相对于压实时含水量对模量的影响。在不同含水量下制备了20多个实验室样品，以进行重复三轴载荷试验（根据AASHTO T307标准程序），以确定弹性模量（MR），然后进行自由共振柱（FFRC）试验。
MR测试装置的原理图如图1a所示。准备了圆柱形的实验室标本，并按4英寸的标准尺寸（102毫米)乘8英寸(203毫米)压实。根据标准的proctor测试(遵循AASHTO T99标准程序)，该测试最初用于确定土壤的最佳含水量和最大干密度。在三轴循环试验中，先施加0.1 s的轴向应力，再施加0.9 s的静息期。对试样施加的初始载荷，以使试样两端的接触压力最小，并消除加载和压实之间的间隔时间的影响。根据AASHTO T307标准，路基和底基层/基层材料推荐两套加载顺序。在本研究中,路基土的荷载包括三个层次的围压等级，分别为6、4和2psi（41、28和14kpa）和5个偏应力等级，分别为2、4、6、8和10psi（14、28、41、55和69kpa）。每个应力状态下的弹性模量定义为偏应力与弹性应变之比。但弹性模量与应力状态有关，因此需要识别弹性模量与不同应力状态之间的相关性。文献中已经提出了许多本构模型。MEPDG推荐了一种三参数的非线性模型，称为通用模型或k1-k3模型，该模型利用体应力和八面体剪切应力，根据k1到k3回归参数估计弹性模量[2]。在本研究中，我们使用Ooi等人提出的、Mazari等人进一步完善的通用模型的修正版本[17]来总结每次试验的结果:
式中:Ɵ=体应力，tau;oct=八面体剪切应力，Pa=大气压尽管通用模型基本上适用于估计弹性模量，Mazari等人[11] 发现从原始弹性模量数据估计附加参数的不确定性可以通过公式（4）的简单性来平衡。此外,实验结果表明,式（4）的本构模型,更好的解释了数值分析与实验结果之间的相关性[6]。Mazari等人的[18]研究中包含将通用模型得到的非线性参数转换为公式(4)中模型得到的非线性参数的过程。
对所有制备的MR试件进行了自由共振柱（FFRC）试验。FFRC法是在确定试件基本共振频率的基础上，估算线弹性低应变地震模量的方法。FFRC模量可以直接与现场地震装置测得的地震模量相关，而无需复杂的传递函数[19]。本研究将进一步探讨这一过程。试验装置的主要部件如图1b所示。将加速度计安全地放置在试样的顶部，用锤撞击试样，并用测压元件测量。当冲击载荷作用于试件上时，地震能量在大范围的频率范围内在试件内传播。利用谐振频率(fL)、试样的湿密度(q)和试样的长度(L)，由下式确定FFRC模量(EFFRC):
为了使压实和试验时的模量与含水率相关，在实验室试验中，将试件压实在最佳含水率(OMC)、OMCplusmn;10%和OMCplusmn;20%。磁流变试验只能在压实含水率下进行。此外，由于FFRC试验的非破坏性，同样的样品被用来估计干燥期的FFRC模量。然而，FFRC试验的试件不受任何轴向应力和围压的影响，导致所有的测试结果超出了本文的范围，可以在Nazarian等人的[6]中找到对实验室结果更广泛的评价。
小范围试验：
每个小尺度样品的土壤剖面由6英寸组成（152mm）为本研究选定的岩土材料（见表1），称为岩土材料层，16英寸（406 mm）一种局部粉砂（SM）岩土材料，称为基础层。这项研究的重点是地质物质层。3英寸(76mm）厚的
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