干濕循環(huán)條件下水泥改良紅砂巖土的力學(xué)特性試驗研究

王 帥，鄒靜蓉

(中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院，長沙 410004)

由于中國南方地區(qū)多雨的氣候特點，雨水降滲和蒸發(fā)、地下水位上升和下降等環(huán)境的變化是較為常見的自然現(xiàn)象，因此，路基受到干濕循環(huán)作用也較為常見[1]。在相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)會使土體整體強度和抗變形降低，導(dǎo)致土基在受力的情況下發(fā)生不均勻沉降[2]。紅砂巖作為一種在南方地區(qū)分布較為廣泛的巖類，在公路工程中常作為路基填料使用，但紅砂巖具有遇水易崩解的特性，干濕循環(huán)后強度下降較大，在工程中需對其進行改良。

目前，針對干濕循環(huán)循環(huán)條件下路基填料的研究積累了一定成果，如陳開圣[3]發(fā)現(xiàn)在對路基進行長期穩(wěn)定性計算時，建議采用5次干濕循環(huán)循環(huán)后的強度指標(biāo)。張德恒等[4]發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)作用下秸稈灰渣改良膨脹土隨著秸稈灰渣含量的增加抗剪強度衰減程度逐漸減小，試樣的抗剪強度在第1次干濕循環(huán)時衰減較大。劉雨等[5]發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護齡期對干濕循環(huán)作用下的改良土強度和剛度衰減影響不同，提高齡期對彈性模量衰減影響較小。在針對紅砂巖力學(xué)強度變化的相關(guān)研究中，甘文寧[6]發(fā)現(xiàn)紅砂巖軟化、強度降低主要是膠結(jié)物質(zhì)溶解形成孔隙和黏土顆粒成分吸水與失水引起的微觀變換向宏觀破壞引起的。劉帥等[7]發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)次數(shù)相同的紅砂巖試樣,隨圍壓增大,峰值應(yīng)變減小,峰值強度、彈性模量增加。朱彥鵬等[8]對不同配合比下的試驗數(shù)據(jù)進行分析,建立回歸方程預(yù)測紅砂巖改良土的黏聚力和內(nèi)摩擦角。諸如以上現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，針對干濕循環(huán)條件下水泥改良紅砂巖各項力學(xué)指標(biāo)變化研究較少，故研究干濕循環(huán)對水泥改良紅砂巖土的力學(xué)性能影響具有一定實際意義與價值。

基于上述原因與研究現(xiàn)狀，以湘西懷芷高速公路紅砂巖路基填料作為試驗用土，通過對現(xiàn)有干濕循環(huán)試驗研究的改良，設(shè)計了符合現(xiàn)場工況的水泥改良紅砂巖土試件干濕循環(huán)過程并進行三軸試驗。分析紅砂巖土在各階段的受力特點，進一步完善了關(guān)于紅砂巖土的路用性能，對減少干濕循環(huán)條件下路基的病害具有重要意義。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗選取湘西懷芷高速公路工程沿線取土場紅砂巖路基填料作為試驗用土。地質(zhì)勘查資料顯示該填料為白堊紀(jì)鈣泥質(zhì)粉砂巖，呈紅褐色，巖質(zhì)軟，結(jié)構(gòu)較為松散，且粒徑分布不均，土樣不均勻系數(shù)為4.1，曲率系數(shù)為0.9，紅砂巖土顆粒級配曲線如圖1所示，根據(jù)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50145—2007)，土樣為粉土質(zhì)砂。依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)的方法，通過液塑限、擊實等試驗對紅砂巖土進行基本工程性質(zhì)分析。紅砂巖土的基本工程性質(zhì)如表1所示。

圖1 紅砂巖土顆粒級配曲線

表1 紅砂巖土基本工程性質(zhì)

1.2 試驗方案

1.2.1 試驗儀器及制件

試驗儀器采用英國產(chǎn)GDS三軸試驗系統(tǒng)，如圖2所示。改良劑采用普通硅酸鹽水泥P.O.32.5。將所取的紅砂巖土放入烘箱內(nèi)烘干，控制壓實度為96%，按最佳含水率9.37%加水，分別制成未改良與分別摻入3%、4%和5%水泥劑量的試件，試件呈圓柱形，高8 cm，直徑為3.91 cm，將摻入水泥的試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)生7 d，為下一步試驗做準(zhǔn)備。

圖2 GDS三軸試驗儀器

1.2.2 干濕循環(huán)試驗設(shè)計

一個完整的干濕循環(huán)過程包括試件的吸水與失水兩個部分[1]。由于相關(guān)研究中，土的種類、性質(zhì)與研究背景各不相同，還沒有一套統(tǒng)一的干濕循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)。目前中外提出了多種干濕循環(huán)過程[9-11]。如文獻[9]先將試件在105 ℃烘箱干燥12 h后，再放入水中浸泡12 h，以此為一次干濕循環(huán)。文獻[10]將試件放在加濕噴霧器下模擬自然降雨，然后將試件用薄膜密封24 h為一次干濕循環(huán)。文獻[11]參考美國ASTMD559—44和AASHTOT136—45“壓實水泥土干濕循環(huán)試驗標(biāo)準(zhǔn)方法”的規(guī)定，先將試件養(yǎng)護7 d，再泡水2 d，然后取出稱重，自然干燥2 d，再稱重，以此為一次循環(huán)。參照文獻[11]的方法并加以修改，將養(yǎng)生7 d的試件分為5組進行，分為0次(“0次”指不進行干濕循環(huán))、1次、3次、5次、7次干濕循環(huán)。與現(xiàn)有試驗研究中干濕循環(huán)過程不同，為模擬真實公路路基吸水飽和后向下滲水狀況，將制備好的試件壓入三軸試驗專用橡皮膜內(nèi)，試件上下兩端分別放入濾紙和透水石，將按最佳含水率制成的試件放在自制的塑料臺架上，塑料臺架頂端使用經(jīng)過密集打孔后的塑料片支撐試件，并進行滲水干燥，如圖3所示。為避免干濕循環(huán)后試件處于不同含水率對試驗結(jié)果的影響，試驗通過干濕循環(huán)前后稱重將試件的含水率控制在最佳含水率附近；將制作好的試件連同臺座稱重，之后放入水池中浸泡2 d，再拿出放入恒溫養(yǎng)護室內(nèi)干燥滲水，時間為24 h左右可以將試件和臺座質(zhì)量控制為未放入水中時的質(zhì)量，并以此為經(jīng)過1次干濕循環(huán)作用的過程。試驗采用常規(guī)三軸壓縮試驗(CTC)，即設(shè)置一定的圍壓進行等壓固結(jié)，之后保持圍壓不變，增加軸向壓力直至試件破壞，圍壓分別控制為50、100、150 kPa；剪切設(shè)置為固結(jié)不排水剪(CU)，剪切速率設(shè)置為0.05 mm/min。

圖3 干濕循環(huán)三軸試件

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 干濕循環(huán)對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響

對三軸壓縮試驗所得的數(shù)據(jù)進行處理，以偏應(yīng)力為縱坐標(biāo)，軸向應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)，不同水泥劑量下不同圍壓、不同干濕循環(huán)次數(shù)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4～圖7所示。

圖4 未摻入水泥的紅砂巖土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 水泥含量為3%的紅砂巖改良土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6 水泥含量為4%的紅砂巖改良土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7 水泥含量為5%的紅砂巖改良土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

如圖4所示，未改良的紅砂巖土試件在加載過程中，應(yīng)力達(dá)到峰值點后出現(xiàn)了軟化現(xiàn)象，此時軸向應(yīng)變增加而軸向應(yīng)力減小，應(yīng)力-應(yīng)變曲線為應(yīng)變軟化型。從圖4可以看出，未改良紅砂巖試件在干濕循環(huán)條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致可以分為：①壓密階段，這是由于巖土介質(zhì)間細(xì)微裂隙受壓閉合造成的，此時偏差應(yīng)力和應(yīng)變都不大，試件體積略微縮小，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈凹型；②彈性變形階段，此時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似于直線，偏差應(yīng)力逐漸增大，軸向應(yīng)變也隨之增加，該階段表現(xiàn)出一定的線彈性。當(dāng)應(yīng)力增加到一定值后，試件體積開始膨脹，此時試件中的裂隙不斷發(fā)展、累積，當(dāng)偏差應(yīng)力達(dá)到最大值時，發(fā)生破壞，該處的偏差應(yīng)力值為峰值應(yīng)力；③峰后階段，當(dāng)試件的所受的軸向應(yīng)力超過峰值點后，此時應(yīng)變增加，應(yīng)力降低，試件中的裂隙快速發(fā)展，逐漸形成斷面。該階段試件的強度大幅減小，此時的強度為殘余強度。

未改良試件干濕循環(huán)0次時壓密階段較短，干濕循環(huán)數(shù)次后出現(xiàn)了較為明顯的壓密階段，表明紅砂巖顆粒在受到干濕循環(huán)的影響下出現(xiàn)了進一步的破碎；“0”次循環(huán)的試件彈性階段較為明顯，此時試件有一定的彈性；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，彈性階段逐漸縮短，彈性減弱，試件開始出現(xiàn)一定的塑性，試件的偏應(yīng)力峰值隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而降低，峰值應(yīng)變隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而提高。在峰后階段軸向應(yīng)力僅有較小的下降，應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化較為平緩，殘余強度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小，在這個階段表現(xiàn)出一定的塑性，且經(jīng)過多次干濕循環(huán)后，這種塑性越明顯。

如圖5～圖7所示，摻入不同水泥劑量的紅砂巖土試件在干濕循環(huán)條件下應(yīng)力-應(yīng)變曲線均為應(yīng)變軟化型，對比未改良試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，摻入不同劑量的水泥未改變紅砂巖土的應(yīng)力-應(yīng)變形式。在相同圍壓下，水泥改良的紅砂巖土試件的壓密階段短且不明顯，表明水泥改良的紅砂巖土試件經(jīng)過已經(jīng)具有一定的強度，水泥水化產(chǎn)物對紅砂巖土顆粒具有較強的膠結(jié)作用，干濕循環(huán)雖然會使紅砂巖顆粒崩解，但水泥的膠結(jié)作用抵消了大部分的崩解作用。改良的紅砂巖土試件彈性變形階段較為明顯，在相同圍壓和相同干濕循環(huán)次數(shù)條件下，摻入水泥的紅砂巖土試件峰值應(yīng)力均大于未改良的試件，且峰值應(yīng)變也在一定范圍內(nèi)波動，沒有出現(xiàn)未改良紅砂巖土試件的峰值應(yīng)變隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而增大的現(xiàn)象。摻入3%水泥劑量的紅砂巖土試件在相同圍壓下，殘余強度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而降低，而4%、5%水泥劑量的改良紅砂巖試件在相同圍壓下，殘余強度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加出現(xiàn)先降低后提高的現(xiàn)象。

2.2 紅砂巖土試件三軸試驗的破壞形式

三軸試驗試件的破壞形式可以分為壓縮破壞、塑性破壞和脆性破壞，試驗以塑性破壞和脆性破壞為主。塑性破壞面呈波浪形，周圍有裂縫，破壞面有顆粒碎屑散落，如圖8(a)所示。脆性破壞在試件上呈現(xiàn)一道貫穿式裂縫，破壞面較大，如圖8(b)所示。而不同的破壞形式在應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線形上也有所區(qū)別。如圖4～圖7所示，未改良的試件在峰后階段曲線隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，峰后階段曲線線性逐漸變坦，雖然應(yīng)變隨著應(yīng)力的增加而降低，但下降幅度并不明顯，此時試件呈塑性破壞。摻入不同水泥劑量的改良紅砂巖土在峰后階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為應(yīng)變隨應(yīng)力的增加而下降，下降幅度較為明顯，此時試件呈脆性破壞。水泥改良增加了紅砂巖土的整體強度，同時也使試件的破壞形式趨近于水泥混凝土類材料。水泥改良紅砂巖土路基在承受超過自身承載極限的行車荷載時，路基破壞可能比未經(jīng)水泥改良的紅砂巖路基更加嚴(yán)重。

圖8 紅砂巖土試件的破壞形式

2.3 干濕循環(huán)作用對峰值強度的影響

對三軸數(shù)據(jù)進行整理，σ1為軸向壓力，σ3為圍壓，(σ1-σ3)f為破壞時的峰值應(yīng)力，將峰值應(yīng)力和圍壓做莫爾圓，可以得到極限平衡條件下的抗剪強度。因此這里將未改良與改良紅砂巖土試件在不同圍壓、不同干濕循環(huán)次數(shù)下達(dá)到破壞時的峰值應(yīng)力作為評價不同條件下紅砂巖土所能承受的極限抗剪強度指標(biāo)，即將σf定義為峰值強度。

如圖9(a)所示，未經(jīng)過水泥改良的紅砂巖試件峰值強度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而降低。不同圍壓下，峰值強度從0次循環(huán)到1次循環(huán)的下降幅度較大。其中當(dāng)控制圍壓為150 kPa時，1次、3次、5次、7次循環(huán)后峰值強度相較于0次循環(huán)分別有56.8%、63.1%、68.9%和70.5%的下降，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，降幅逐漸變緩。而從5次循環(huán)開始未改良紅砂巖土試件的峰值強度受圍壓影響變小，干濕循環(huán)7次時不同圍壓下的峰值強度相近，表明紅砂巖土經(jīng)過多次干濕循環(huán)后，水對土顆粒的軟化作用愈發(fā)明顯，提高試件的圍壓也未能提高紅砂巖土抵抗剪切破壞的能力。

圖9 不同條件下紅砂巖土試件的峰值強度

如圖9(b)～圖9(d)所示，相對于未改良的紅砂巖土試件，摻入不同劑量的水泥可以提高峰值強度，即提高土體抵抗剪切破壞的能力。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，3%、4%和5%水泥劑量的試件峰值強度總體趨勢為先降低后提高；而在不同圍壓作用下，峰值強度變化規(guī)律有所不同。其中3%水泥劑量試件的峰值強度受圍壓影響較大。干濕循環(huán)1次時，圍壓100 kPa的峰值強度相對圍壓50 kPa提高了64.2%；圍壓150 kPa的峰值強度相對圍壓 100 kPa 僅提高11.82%；圍壓50 kPa和100 kPa的峰值強度干濕循環(huán)3次后緩慢提高，而圍壓150 kPa的峰值強度干濕循環(huán)5次后才有所提高。4%和5%水泥劑量試件的峰值強度受圍壓影響較小且隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，相同圍壓下峰值強度變化規(guī)律大致相似。圍壓為100 kPa時，干濕循環(huán)0次到3次，4%、5%水泥劑量試件的峰值強度分別下降13.24%、20.46%，而干濕循環(huán)3～7次時，4%、5%水泥劑量試件的峰值強度分別上升4.41%、2.26%。通過對水泥改良紅砂巖土不同條件下峰值強度的對比，3%的水泥劑量受圍壓、干濕循環(huán)次數(shù)影響，峰值強度變化不夠穩(wěn)定，改良效果不如4%和5%的水泥劑量，但5%的水泥劑量在多次干濕循環(huán)后對峰值強度的提升不如4%的水泥劑量，因此并非水泥劑量越高抵抗干濕循環(huán)的軟化作用效果越好。

2.4 干濕循環(huán)作用對彈性模量的影響

選取試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線中應(yīng)變?yōu)?%處至峰值強度點處的近似直線段進行擬合，其直線斜率即為彈性模量。彈性模量是評價土體抵抗瞬時沉降的主要指標(biāo)。未改良試件和改良試件在不同干濕循環(huán)次數(shù)和不同圍壓作用下的彈性模量值如圖10所示。彈性模量的變化規(guī)律和峰值強度大致相似。未改良的紅砂巖土試件在相同圍壓作用下，彈性模量隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加出現(xiàn)下降的趨勢，其中在進行第一次干濕循環(huán)后下降趨勢較為明顯，隨后下降幅度趨于穩(wěn)定。經(jīng)過水泥改良試件的彈性模在干濕循環(huán)0～3次時處于下降的趨勢，3%、4%和5%水泥劑量的彈性模量分別平均下降了36.24%、40.22%和48.81%；干濕循環(huán)3次后彈性模量緩慢提高，分別平均提高了11.54%、12.59%和12.21%。

圖10 不同條件下紅砂巖土的彈性模量

土體在干濕循環(huán)過程中，水的遷移與流動破壞了原有的土體骨架結(jié)構(gòu)，土顆粒間的孔隙增大，同時紅砂巖的遇水易崩解特性加快了土顆粒間孔隙的形成，土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，彈性模量迅速下降；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，細(xì)微土顆粒增多，反而對原有骨架空隙進行了一定的填充，所以干濕循環(huán)5次之后彈性模量下降幅度變緩，但彈性模量仍然處于下降的趨勢。當(dāng)試件摻入不同劑量的水泥，水泥的水化產(chǎn)物使紅砂巖土顆粒膠結(jié)緊密，提高了整體抵抗變形的能力。經(jīng)過水泥改良的試件出現(xiàn)彈性模量和峰值強度先降低后提高的主要原因是水泥改良的試件干濕循環(huán)1次和3次時，水泥中的部分硅酸鹽礦物未能完全水化，同時水對紅砂巖土體的軟化崩解作用使強度降低，到了5次干濕循環(huán)之后水泥中的硅酸鹽礦物基本完全水化，水化產(chǎn)物將土顆粒膠結(jié)成一個整體，并對土體骨架間的空隙形成填充，有效地改善了紅砂巖土試件干濕循環(huán)后強度降低現(xiàn)象，并隨著時間的推移，彈性模量和峰值強度緩慢提高。

2.5 彈性模量與峰值強度的多元非線性擬合

通過上述分析得，試驗圍壓、干濕循環(huán)次數(shù)與水泥劑量的變化會引起彈性模量和峰值強度的變化，且彈性模量與峰值強度變化規(guī)律相似。將圍壓、干濕循環(huán)次數(shù)與水泥劑量作為自變量，彈性模量與峰值強度為因變量，進行多元非線性擬合，采用ISTOPT軟件進行計算，可以得到關(guān)系式如下：

Eσf=(p3+n)ep1σ3+p2m

(1)

式(1)中：E為彈性模量；σf為峰值強度；σ3為圍壓；n為干濕循環(huán)次數(shù)；m為水泥的劑量；p1、p2、p3為參數(shù)。

通過LM(levenberg-marquardt)算法和全局優(yōu)化算法進行多次迭代運算，對式(1)中的系數(shù)值進行計算，得到彈性模量關(guān)于圍壓、干濕循環(huán)次數(shù)及水泥劑量的關(guān)系式，見式(2)。相關(guān)系數(shù)R=0.915 8，圖11(a)為圍壓100 kPa下，彈性模量與干濕循環(huán)次數(shù)和水泥劑量的關(guān)系曲面擬合效果較理想。

圖11 擬合效果圖

E=(14.153+n)e-0.018σ3+0.45m

(2)

使用同樣方法對式(1)進行計算，得到峰值強度關(guān)于圍壓、干濕循環(huán)次數(shù)及水泥劑量的關(guān)系式，見式(3)。相關(guān)系數(shù)R=0.815 9，圖11(b)為圍壓100 kPa下，峰值強度與干濕循環(huán)次數(shù)和水泥劑量的關(guān)系曲面，擬合效果較好。

σf=(17.092+n)e0.012σ3+0.298m

(3)

目前在公路路基設(shè)計與施工中，并沒有對受到干濕循環(huán)作用影響下水泥改良紅砂巖路基土的彈性模量和峰值強度結(jié)合圍壓與改良劑量進行預(yù)測分析。圍繞干濕循環(huán)作用對未改良與水泥改良紅砂巖土的彈性階段強度與抵抗剪切變形的能力進行分析并建立多元非線性公式[式(2)、式(3)]。在工程的設(shè)計與施工中，可以通過式(2)、式(3)預(yù)估紅砂巖土在不同干濕循環(huán)次數(shù)、圍壓以及不同水泥劑量條件下的峰值強度與彈性模量。進一步完善了關(guān)于紅砂巖土作為路基填料的路用性能研究。

3 結(jié)論

(1)干濕循環(huán)條件下未改良與水泥改良的紅砂巖土應(yīng)力-應(yīng)變曲線都為應(yīng)變軟化型，即摻入水泥作為改良劑不會改變試件的應(yīng)力-應(yīng)變形式。

(2)未改良紅砂巖土試件的三軸破壞形式為塑性破壞；摻入不同水泥劑量改良試件的破壞形式為脆性破壞，呈貫穿式裂縫，破壞面較大。

(3)彈性模量和峰值強度變化規(guī)律相似；未改良紅砂巖土試件的峰值強度與彈性模量隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而降低，5次干濕循環(huán)后趨于穩(wěn)定；水泥改良紅砂巖土試件的彈性模量和峰值強度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈先降低后提高的趨勢。1次干濕循環(huán)后彈性模量降幅較明顯，干濕循環(huán)3次后趨于穩(wěn)定并緩慢提高。

(4)建立彈性模量和峰值強度關(guān)于干濕循環(huán)次數(shù)、圍壓與水泥劑量的多元非線性方程，擬合效果理想。對實際工程中干濕循環(huán)條件下水泥改良紅砂巖土的峰值強度和彈性模量的推算具有一定參考意義。