凍融循環(huán)條件下石灰改良土路基回彈模量研究

宋金華，林園皓

(河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401)

0 引 言

石灰改良土在本質(zhì)上屬于重塑土，與施工期間相比，運(yùn)營(yíng)期間的路基路用性能會(huì)發(fā)生改變，同時(shí)其物理力學(xué)性質(zhì)也不完全一樣。季凍地區(qū)路基的力學(xué)性能受路基土體含水量、壓實(shí)度、凍融循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力狀況等的影響很大。作為表征路基剛度的重要指標(biāo)，路基回彈模量可反映在重復(fù)的車輛荷載下路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，它也是國(guó)際上用來評(píng)估路面厚度設(shè)計(jì)的主要參數(shù)之一。有研究者提出：在修正路基回彈模量受干濕循環(huán)或凍融循環(huán)次數(shù)變化影響時(shí)可借用干濕循環(huán)或凍融循環(huán)強(qiáng)度折減系數(shù)[1-2]。受該觀點(diǎn)啟發(fā)，通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)，筆者參考折減強(qiáng)度的概念，對(duì)石灰改良土路基動(dòng)回彈模量?jī)鋈谘h(huán)折減系數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析計(jì)算，深入研究了經(jīng)歷凍融循環(huán)后的石灰改良土路基回彈模量變化規(guī)律，對(duì)更深入地研究路基結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期性能演變規(guī)律提供一定基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)我國(guó)公路路基設(shè)計(jì)方法完善具有一定借鑒意義。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 土樣基本物理性質(zhì)

試驗(yàn)土體取自于天津津北公路。津北公路修建在由吹填形成的海相沉積軟土地基上，其主要由黏性土和淤泥質(zhì)土組成，有機(jī)質(zhì)含量豐富，含水量較高，多呈灰色，具有高壓縮性和靈敏度、低滲透性、低強(qiáng)度等特點(diǎn)。為全面了解海相沉積軟土的工程特性，筆者通過一系列常規(guī)試驗(yàn)得到了其基本物理指標(biāo)，見表1。

表1 試驗(yàn)土體基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical index of test soil

通過比重計(jì)法測(cè)定土樣顆粒組成可知，粒徑為0.05～2 mm砂粒占總質(zhì)量的12%左右；粒徑為0.002～0.05 mm粉粒占總質(zhì)量的55%左右；粒徑小于0.002 mm黏粒占總質(zhì)量的33%左右。因此，土樣呈現(xiàn)砂粒很少、黏粒較多、粉粒最多的規(guī)律，同時(shí)在砂粒組中基本上不存在大于0.2 mm的粗顆粒，故該土樣屬于不良級(jí)配土。這是其通透性差的重要原因之一。

1.2 土樣準(zhǔn)備

筆者按2%、4%、6%和8%這4種摻灰比將石灰(采用唐山新啟建材有限公司的土壤改良CaO，其中CaO含量大于85%)與土進(jìn)行初拌，再加適量蒸餾水，攪拌均勻并密封，浸潤(rùn)24 h。按照平衡含水率(equilibrium moisture content, EMC)、最佳含水率(optimal moisture content, OMC)與介于EMC及OMC之間的過渡含水率(transition moisture content, TMC)分別制作素土和石灰改良土試樣，素土與改良土試樣均按90%與96%的壓實(shí)度壓實(shí)。試樣直徑D=39.1 mm，高H=80 mm，采用三瓣飽和器分層擊實(shí)后放在保濕缸中進(jìn)行常溫養(yǎng)護(hù)7 d[3]。

1.3 動(dòng)回彈模量實(shí)驗(yàn)

根據(jù)瀝青路面的應(yīng)力狀況與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(表2)，制定路基土動(dòng)回彈模量動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)加載順序[4]。

表2 加載序列Table 2 Loading sequence

為與季凍地區(qū)溫度的變化狀況接近，凍融溫度設(shè)置為-15～5 ℃。凍融時(shí)，先將未凍融試樣放入凍箱中，在-15 ℃下凍結(jié)12 h，再升溫度至5 ℃，持續(xù)12 h，此過程為一次凍融循環(huán)。凍融次數(shù)設(shè)置為1、3、6、8、10，對(duì)凍融后的土體試樣進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)。此外，為深入了解凍融對(duì)路基土體回彈模量的影響，設(shè)置在相同條件下未凍融試樣的動(dòng)三軸對(duì)照試驗(yàn)。本試驗(yàn)輸入振動(dòng)頻率為f=5 Hz的正弦波。

為便于分析臨界動(dòng)應(yīng)力，并考慮到石灰改良土與素土的動(dòng)力特性等因素，本試驗(yàn)設(shè)置動(dòng)應(yīng)力由30 kPa到50 kPa逐步提高，直至試樣發(fā)生破壞。路基應(yīng)力實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明：基床表層的側(cè)向壓力較低，為20～60 kPa，因此施加的試驗(yàn)圍壓設(shè)置20、50、80 kPa這3級(jí)。剪切速率為0.5%/min，采用應(yīng)變控制模式。按照SL237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》[5]要求，將軸向累計(jì)應(yīng)變達(dá)到5%時(shí)作為破壞標(biāo)準(zhǔn)。取100作為每級(jí)加載的循環(huán)次數(shù)，取應(yīng)變水平穩(wěn)定后的最后8次均值作為回彈變形。動(dòng)回彈模量大小如式(1)：

(1)

式中：MR為動(dòng)回彈模量；σd為軸向重復(fù)偏應(yīng)力峰值，σd=σ1-σ3，σ1為最大主應(yīng)力，σ3為最小主應(yīng)力，分別對(duì)應(yīng)著實(shí)驗(yàn)中的豎向應(yīng)力和圍壓應(yīng)力；εR為軸向回彈應(yīng)變均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 動(dòng)回彈模量與應(yīng)力狀態(tài)關(guān)系

當(dāng)黏質(zhì)土試件在凍融循環(huán)次數(shù)N=1，摻灰比為4%(質(zhì)量比，下同)，ωOMC=15%，ωTMC=17%，ωEMC=20%，壓實(shí)度K=96%的條件下，回彈模量與應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系，如表3。

表3 4%石灰土動(dòng)回彈模量與應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系Table 3 Relationship between dynamic resilience modulus and stress state of 4% lime soil kPa

在影響回彈模量的眾多因素中，偏應(yīng)力只是其中之一。通過分析可知：石灰改良土回彈模量受圍壓影響敏感程度要高于偏應(yīng)力，隨著圍壓應(yīng)力增大、含水量減小而逐漸增大，隨著重復(fù)荷載偏應(yīng)力增加而有所降低。在OMC狀態(tài)下，重復(fù)荷載偏應(yīng)力對(duì)回彈模量影響并不顯著；在TMC和EMC狀態(tài)下，隨重復(fù)荷載偏應(yīng)力增加回彈模量出現(xiàn)降低趨勢(shì)[5-6]。含水率從OMC狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)門MC狀態(tài)時(shí)，回彈模量降低了35%～65%。從TMC狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镋MC狀態(tài)時(shí)，回彈模量降低趨勢(shì)并不明顯。

2.2 隨摻灰比、凍融次數(shù)和含水率變化規(guī)律

不同摻灰比的石灰土在圍壓σ=80 kPa，偏應(yīng)力σd=30 kPa，壓實(shí)度K=96%，OMC下，回彈模量隨凍融循環(huán)次數(shù)與摻灰比變化關(guān)系如表4。

表4 不同摻灰比的路基土經(jīng)過凍融后的動(dòng)回彈模量Table 4 Dynamic resilience modulus of subgrade soil with different ash ratio after freezing and thawing

由表4可知：當(dāng)試件摻灰比從0%增加到8%時(shí)，MR提高顯著，摻灰比每增加1%，MR增加35%，當(dāng)摻灰比達(dá)到6%時(shí)，回彈模量對(duì)摻灰比增加量的敏感程度降低。隨著凍融次數(shù)增加，不同摻灰比下的動(dòng)回彈模量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，經(jīng)過6次凍融循環(huán)后，逐漸趨于穩(wěn)定。摻入石灰對(duì)回彈模量的增大效果非常明顯。在其他應(yīng)力狀態(tài)下的變化規(guī)律與此類似[7]。

當(dāng)凍融次數(shù)不大于6時(shí)，試件每經(jīng)歷一次凍融循環(huán)，MR就會(huì)有一定程度降低。故定義石灰土路基經(jīng)歷凍融循環(huán)后的MR上、下限凍融次數(shù)分別為N=1、6時(shí)的MR值，即試件MR分別經(jīng)歷1～6次凍融循環(huán)后都還在該范圍之內(nèi)。

當(dāng)N=1、6，摻灰比為6%時(shí)，試件在不同平衡含水率下MR分布如圖1。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：當(dāng)ωEMC=20%，ωTMC=±3%時(shí)，試件的MR在經(jīng)歷6次凍融循環(huán)之后有所降低，但大于20 MPa，其集中分布于20～40 MPa；當(dāng)ωEMC=25%，ωTMC=±3%時(shí)，試件經(jīng)歷6次凍融循環(huán)后，MR降低幅度大，而且分布范圍較廣，其分布區(qū)域主要集中在0～30 MPa，試件在循環(huán)偏應(yīng)力達(dá)到105 MPa時(shí)被破壞，認(rèn)為此時(shí)MR=0[8]，因?yàn)椴荒艿玫胶侠碛行У膭?dòng)回彈模量值。隨著平衡含水率值增大，石灰路基土回彈模量受凍融循環(huán)影響程度不斷增加。當(dāng)平衡含水率值較小時(shí)，回彈模量受影響程度較??；當(dāng)平衡含水率較大時(shí)，動(dòng)回彈模量變化較為明顯，而且趨于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 不同平衡含水率下MR的分布區(qū)域Fig. 1 Distribution area of MR under different equilibrium moisture contents

2.3 石灰改良路基土凍融循環(huán)折減系數(shù)

鑒于季凍地區(qū)路基力學(xué)性能受凍融循環(huán)影響，隨季節(jié)變化波動(dòng)較大，目前研究動(dòng)回彈模量濕度循環(huán)調(diào)整系數(shù)文獻(xiàn)較多，而研究?jī)鋈谘h(huán)變化對(duì)動(dòng)回彈模量影響文獻(xiàn)非常少，因此筆者在此基礎(chǔ)上并結(jié)合強(qiáng)度折減系數(shù)概念提出了路基動(dòng)回彈模量?jī)鋈谘h(huán)折減系數(shù)。

筆者定義路基土凍融循環(huán)折減系數(shù)η為：在EMC狀態(tài)下，經(jīng)歷凍融循環(huán)次數(shù)N后的路基回彈模量MR與初次達(dá)到EMC時(shí)的路基回彈模量MR1之比，如式(2)：

(2)

此處η僅反映路基動(dòng)回彈模量取值受凍融循環(huán)次數(shù)影響。凍融循環(huán)對(duì)路基回彈模量影響的大小與η大小成反比。為得到受凍融周期性波動(dòng)影響的MR，首先應(yīng)確定相應(yīng)周期的η，然后乘以初次達(dá)到平衡含水率狀態(tài)時(shí)的路基動(dòng)回彈模量MR1。

通過分析室內(nèi)動(dòng)回彈模量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，比對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：進(jìn)行曲線擬合時(shí)用冪函數(shù)的效果較佳，所有的R2>0.95，在接受范圍之內(nèi)。表5為回歸分析結(jié)果。因此，不同狀態(tài)下動(dòng)回彈模量相對(duì)穩(wěn)定值可通過回歸分析而得到，同時(shí)基于此擬合曲線可計(jì)算出石灰改良土路基動(dòng)回彈模量η值[9-13]。

表5 動(dòng)回彈模量實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合數(shù)據(jù)Table 5 Fitting data of dynamic resilient modulus test results

表6為石灰改良土路基動(dòng)回彈模量?jī)鋈谘h(huán)折減系數(shù)的計(jì)算結(jié)果。其中：MR1取N=1時(shí)的對(duì)應(yīng)值，MR取N=8時(shí)的對(duì)應(yīng)值。

表6 動(dòng)回彈模量?jī)鋈谘h(huán)折減系數(shù)Table 6 Reduction coefficients of dynamic resilient modulus of freezing-thawing cycle

通過計(jì)算結(jié)果可知：在一般情況下，隨著圍壓增大，凍融循環(huán)折減系數(shù)不斷增大，說明可通過增大圍壓來降低凍融循環(huán)對(duì)石灰改良路基土動(dòng)回彈模量影響；但對(duì)于較大EMC，當(dāng)偏應(yīng)力較低時(shí)出現(xiàn)了隨圍壓增大折減系數(shù)η逐漸減小現(xiàn)象，即此狀態(tài)下圍壓增大會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。故此時(shí)應(yīng)同時(shí)增大圍壓與偏應(yīng)力才能有效降低凍融循環(huán)對(duì)石灰改良路基土動(dòng)回彈模量影響。

3 結(jié) 論

1)提出石灰改良土路基凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)方法。

2)凍融循環(huán)對(duì)石灰改良土路基動(dòng)回彈模量影響較大，MR隨著凍融次數(shù)N的增大而減??；當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)相同時(shí)，石灰改良土路基的平衡含水率越高，動(dòng)回彈模量對(duì)凍融次數(shù)的敏感程度越高，且MR趨于不穩(wěn)定。

3)基于凍融循環(huán)次數(shù)變化時(shí)石灰改良路基土動(dòng)回彈模量變化規(guī)律，提出了石灰改良路基土動(dòng)回彈模量?jī)鋈谘h(huán)折減系數(shù)。