随着我国高速公路向多丘多山的中西部地区快速推进，不可避免地出现了许多填筑高度超过20 m的高填方路堤，控制其工后沉降一直是困扰工程界的难题。高填方路堤不仅具有填筑高度大、工后沉降量大、沉降时间长等特点，而且在分层填筑过程中堤身压实土会形成较为复杂的超固结应力历史，导致在堤身低围压以及堤内高地应力共同作用下其沉降变形会因压实土超固结、土体剪胀、甚至应变软化而变得非常复杂，然而在现有路基设计规范及沉降计算中对这些问题均没有考虑。普通路堤对上述问题的简化不会引起较大误差，而随着填筑高度的增加，这些问题会导致我们过高或过低地估计了高填方路堤的工后沉降，造成有效计算和预测其工后沉降困难。事实上，各国学者针对超固结土的变形特征及本构模型开展了许多卓有成效的研究工作。Pender^[1]提出的超固结土本构模型可推广到对K₀初始状态以及复杂的应力路径；Dafalias^[2]提出边界面模型；Hashiguchi^{[3, 4]}提出了下加载屈服面的概念；Asaoka^{[5, 6, 7, 8]}提出适用于超固结土和结构性土的上下加载面概念；Nakai^[9]将Hashiguchi所提出的下加载屈服面的概念应用于t_ij模型；姚仰平^{[10, 11]}提出基于Hvorslev面的超固结土本构模型及其改进模型；杨光华^[12]等应用广义位势理论直接从数学原理出发建立针对重塑超固结土的本构模型。尽管超固结土体本构模型在逐渐发展完善，但能否恰当地应用到实际工程中同样重要。其中，土的初始应力历史是这些本构模型运用中的关键初始条件参数。针对现有路基变形控制中常用土的压实度作为主要控制指标，本文拟通过室内试验控制路基回填土的压实度，分别采用自制击样器形成的重型击实功、轻型击实功以及标准重型击实钻芯取样等3种不同的超固结路径制样，并结合一维固结试验，研究含水率、击实功、击实冲量以及压实度等因素对于路基回填土的超固结应力历史的影响，为准确判定压实土的超固结应力历史并将其应用到超固结土体本构模型提供坚实的试验基础。 1 路基压实土应力历史形成机制 1.1 路基土的压实原理及影响因素

路基压实土通过外力作用增加干密度，其中，冲击压实^[13]的施工方式被广泛采用。工程中通过室内击实试验得到击实曲线来确定土的最大干密度，而影响最大干密度的因素除含水率、土类与级配外，还有单位体积击实功^[14]和单位面积击实冲量，如图 1所示。

图 1 不同击数下的击实曲线Fig. 1 Compaction curves in different compaction times

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(1)单位体积击实功的影响。加大击实功能，会使土颗粒加大限度相互重排、挤密，获得更大干密度，如增加击实次数会使土的最大干密度增加，而最佳含水率减小^[15]。单位体积击实功可记为：

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(2)单位面积击实冲量的影响。击实冲量越大，越能克服土颗粒间的抗力和黏结力，使土颗粒产生相互运动，产生更大塑性应变，获得更大干密度。单位面积击实冲量记为：

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通过与正常固结土的压缩曲线对比，可以发现超固结压实土在分层填筑压实过程中逐步积累一定的应力历史(如P_N1或P_N2)，具有一定的先期固结屈服应力，如图 2所示。当压实土的压实度相同时，其相应的超固结应力历史是否相同(即是否P_N1≈P_N2)以及先期固结应力的大小将是本文后续试验研究的主要内容。

图 2 超固结压实土的应力历史特征试验Fig. 2 Experiments of stress history characteristic of over-consolidation compacted clay

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处于超固结状态的压实土具有明显的剪胀性，在低围压下，超固结压实土在三轴剪切试验中会表现出应变软化的变形特征，如图 3所示。图 3反映出压实度越高应变软化越显著，而根据对超固结土的已有研究成果表明，应变软化越显著，其超固结比越大，土的先期固结屈服应力越大，形成的应力历史越显著。

图 3 低围压不同压实度土的三轴应力应变曲线Fig. 3 Triaxial stress-strain curves of clays with different compacted degrees under low confining pressure

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本文研究土样取自湖南湘潭市高新区双马工业园某工地的路基回填土，土工试验参照《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)^[16]相关规程实施，所取试验用土的基本物理特征参数如表 1所示，标准重型击实曲线如图 4所示。

图 4 标准重型击实曲线Fig. 4 Standard heavy compaction curve

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通过3种冲击击实制样方法制备压实土样，考虑到便于三轴试验中制备某一压实度的试样，本文特自制了直径61.8 mm的击样器，按照不同击实功分别击实，并与按标准重型击实试验钻芯取样的试样进行对比，比较它们之间形成的应力历史差异。本文中，自制击样器低击实功制样称作方法1，高击实功制样称作方法2，标准重型击实钻芯取样称作方法3。试验所用环刀面积30 cm²，高度2 cm。3种方法的制样指标见表 2，制样装置如图 5所示。

图 5 制样装置Fig. 5 Devices for preparing sample

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试验流程如图 6所示，其中图中虚线表示可以借用标准重型击实试验后剩下的击实样钻芯取样，实现方法3制样。

图 6 试验流程Fig. 6 Flowchart of experiment

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标准重型击实采用图 5中钻土器钻取土体，并用脱模器得到高约12 cm、截面为30 cm²的试样，采用薄壁环刀由上至下依次套取试样，经刮刀修平，使其填满环刀。再根据环刀体积、刀内土质量及相应含水率计算试件压实度，量测距击实桶顶部不同深度试样的基本物理参数如表 3所示。表 3中数据反映出击实试验取样在最佳含水率下压实度最高，考虑到方法1、2的单位面积击实冲量和单位体积击实功较方法3明显偏小，如表 5所示，故这两种方法制样难以达到类似标准重型击实在ω=19.7%的高压实度。结合图 1中反映出的最佳含水率会随着击实功的降低而增加的特点，故欲使击样方法1、2获得较高的压实度应适当提高试样中的含水率，故按方法1、2击样时选择试样的含水率为ω=23.7%，即可通过较少的击实次数得到压实度为93%的试件，试验过程已通过大量击实制样证实，且相同方法得到同一物理状态的试样击实次数近似相等。

具体的试验对比方案如下：方案一，取土样含水率ω=23.7%，对比3种制样方法使土样压实度达到K=93%时试样的先期固结压力，探讨单位体积击实功和单位面积击实冲量对应力历史的影响；方案二，对比标准重型击实钻芯提取3个含水率试样的先期固结压力，探讨含水率对应力历史的影响；方案三，对比相同含水率不同压实度试样的先期固结压力，探讨压实度对应力历史的影响。对比方案控制指标如表 4所示，其中方案二和方案三均通过方法3取样进行对比分析。

方法1、2制样过程中每份试样击实次数近似相等，击实次数取每份试样的平均击实次数；为保证击实试验取样的击实功相等，方法3在取样时保证在击实桶截面中心相同位置钻芯取土，取样装置截面面积为30 cm²，制样控制参数如表 5所示。 2.6 压实土的应力历史试验

对3种方法所制备的试样分别开展一维固结试验，并以正常固结压缩曲线为参照，绘出超固结压实土的压缩曲线如图 7所示。同时，为对比室内试验和实际工况压实土的变形模量，给出了路基压实土不同超固结比的三轴压缩试验结果，如图 8所示。

图 7 一维压缩试验曲线 Fig. 7One-dimensional compression test curves

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图 8 超固结压实土的三轴应力应变曲线 Fig. 8Triaxial stress-strain curves of over-consolidation compacted clays

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本文压实土先期固结应力的确定综合参考Burland^[17]和Hong^[18]提出的对应重塑土的固有压缩曲线(ICL)以及传统的卡萨格兰德作图法。 3.1 击实功及击实冲量的影响

方案一中试样的先期固结应力见表 6，数据显示：Ⅰ、Ⅱ组对比中，由于方法3的击实冲量均远大于方法1、2，具备更大塑性应变累积，且施加的击实功更大，所以试样的先期固结应力更大；Ⅲ组对比中，即便方法1的击实功大于方法2，但方法2具备更大的击实冲量，使土体产生更大塑性应变，试样的先期固结应力增大。在击实功水平较低时，更为明显地突出击实冲量对于应力历史的影响，拟合结果表明，先期固结应力与击实冲量具有一定线性规律，如图 9所示。

图 9 先期固结应力与击实冲量关系曲线 Fig. 9Relation curve between preconsolidation stress and compaction impulse

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方案二对比相同击实功作用下3组不同含水率试样的平均先期固结应力见表 7，数据显示：标准重型击实试验取样在最佳含水率时应力历史最大，约为600 kPa；而相对最佳含水率增大和减小时应力历史会有不同程度的下降，其中含水率减小下降趋势更大。

方案三中数据显示，每个含水率的击实试验取样均呈现随压实度的增大应力历史出现一定幅度提高的试验现象(表 7)，并且随着含水率的增大，应力历史受压实度的影响程度升高。 3.4 压实土的变形模量

3个方案的应力历史结果对比表明，室内制备用于三轴试验的压实土试样先期固结应力可能远低于实际路堤压实土的结果。图 8中试验数据显示：实际路堤压实土相较室内制备压实土因为有更大的应力历史，在相同围压下其超固结比以及剪胀性更强，峰值强度更高；按某一应力水平确定变形模量(如切线法)时，显然割线斜率为。在实际工程中，低路堤中的压实土应力状态通常位于OA段内，而高填方路堤中的压实土应力状态通常位于CD段内，若忽视应力历史的影响，仅根据室内制备压实土的三轴试验来确定其变形模量，并用于计算路堤变形，显然E₀(低路堤)>E₀(室内)> E₀(高路堤)。 4 结论

(1)相同压实度和含水率的压实土可能具备不同的应力历史。其中，压实土在形成过程中受到的单位面积击实冲量起决定性作用，击实冲量越大，应力历史就越大。建议在高填方路堤沉降预测时，考虑压实机具的压实冲量(吨位)以及压实功(压实遍数)对分层压实土应力历史的影响。

(2)通过3种制样方法所得土样的应力历史结果对比表明，室内制备用于三轴试验的压实土试样先期固结应力可能远低于实际压实土的结果，若忽视两者应力历史的差异，将可能导致按室内三轴试验确定的变形模量，对于低路堤偏小，对于高路堤偏大。

(3)当击实功和超固结形成路径相同时，压实土在最佳含水率时压实度最高，形成的应力历史最强。数据显示，标准重型击实试验取样在最佳含水率19.7%时先期固结压力达到600 kPa，含水率相对最佳含水率上下浮动，压实土的应力历史会降低。为保证路堤压实土的工后变形最小，在施工中应尽量控制回填土的含水率接近最佳含水率。