干濕循環(huán)對(duì)粉煤灰改良黃土路基的動(dòng)強(qiáng)度影響規(guī)律分析

黃文寧，萬春浪

(廣西長長路橋建設(shè)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不斷提速和西部大開發(fā)戰(zhàn)略決策的落實(shí)，西部地區(qū)交通工程建設(shè)不斷推進(jìn)，涉及黃土路基分布段落的高等級(jí)公路建設(shè)工程也愈發(fā)常見。黃土屬于典型的第四紀(jì)沉積物，在半干旱或干旱氣候作用下逐漸演變而成[1]。黃土的動(dòng)力易損及水敏特性明顯，具備特殊的力學(xué)和結(jié)構(gòu)特征，在車輛荷載及干濕循環(huán)綜合作用下易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，從而引發(fā)營運(yùn)公路路面開裂及路基沉降變形等病害問題，嚴(yán)重影響公路通行安全性，甚至有可能造成駕乘人員傷亡，造成經(jīng)濟(jì)損失并導(dǎo)致不良社會(huì)影響。

已有研究成果及工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)不良路基土質(zhì)進(jìn)行針對(duì)性改良處治能夠高效解決路基土的沉降及變形問題，從而增強(qiáng)路基穩(wěn)定性。熱力發(fā)電站在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉煤灰固態(tài)廢棄物，有較強(qiáng)的吸水能力和吸附活性，現(xiàn)作為改性材料廣泛投入房建、公路、鐵路等基層改良工程中，可以實(shí)現(xiàn)廢棄物再生利用，從而降低環(huán)境污染，同時(shí)節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。21世紀(jì)初，陳存禮等[2]嘗試在黃土中摻配粉煤灰、石灰以及水泥等改良材料，控制其摻配比例并研究對(duì)改良后路基土力學(xué)性能的影響規(guī)律，在得出規(guī)律性結(jié)論的同時(shí)推薦了黃土摻配改良方案；張向東等[3]在路基素土中摻配不同比例二灰改良材料制備二灰改良土試樣，與素土進(jìn)行對(duì)比，開展動(dòng)力特性試驗(yàn)，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性準(zhǔn)則確定了合理的配合比方案，認(rèn)為二灰摻配比例應(yīng)控制在40%以下；祝艷波等[4]通過室內(nèi)試驗(yàn)，利用粉煤灰、石灰以及水泥等改良材料對(duì)高速公路泥巖路基土開展改良試驗(yàn)，通過水土特性試驗(yàn)和微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)試驗(yàn)對(duì)改良后土體的力學(xué)特性和改良原理進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)改良后泥巖路基土的強(qiáng)度、水穩(wěn)定性和耐崩解性能顯著提升，并推薦了11%以上的粉煤灰摻配比例；王峻等[5]利用粉煤灰改良黃土路基動(dòng)力特性，研究其摻配比例對(duì)改良土阻尼比、動(dòng)彈性模量及動(dòng)本構(gòu)關(guān)系的影響規(guī)律，并推薦了15%～20%的摻配比例。

西部地區(qū)降雨較少，屬干旱地區(qū)，氣候周期性變化規(guī)律明顯，在雨季降雨及蒸發(fā)干濕循環(huán)作用下，路基土體在非飽和及飽和狀態(tài)間交替變化，多次干濕循環(huán)作用會(huì)逐漸改變土體結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)而導(dǎo)致路基土強(qiáng)度和穩(wěn)定性發(fā)生變化，最終出現(xiàn)路基和路面病害。對(duì)此，也有專家學(xué)者對(duì)路基改良土體在干濕循環(huán)作用下的變化規(guī)律展開研究。其中，多項(xiàng)研究[6-7]針對(duì)黃土土水特征曲線變化規(guī)律進(jìn)行探討，通過控制干濕循環(huán)作用及初始干密度指標(biāo)，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，提出了黃土在干濕循環(huán)作用下的滯回性規(guī)律；劉文化和涂義亮等[8-9]對(duì)粉質(zhì)黏土在干濕循環(huán)作用下的變形及強(qiáng)度變化規(guī)律展開研究，發(fā)現(xiàn)粉質(zhì)黏土粘聚力及強(qiáng)度均隨干濕循環(huán)作用次數(shù)增加而迅速下降，認(rèn)為裂隙發(fā)展是其劣化的主要原因。

總體來說，現(xiàn)有針對(duì)粉煤灰改良黃土路基的研究，多以靜力學(xué)研究為主，動(dòng)力學(xué)相關(guān)研究則主要集中在膨脹土體及粉質(zhì)黏土方面[10-12]，尤其是涉及干濕循環(huán)作用下的動(dòng)強(qiáng)度分析研究還較為薄弱。本文依托貴州省烏當(dāng)至長順高速公路建設(shè)項(xiàng)目，針對(duì)黃土路基段土質(zhì)改良方案展開探究。在原路基黃土素土內(nèi)摻配一定比例的粉煤灰，以靜壓方案制備不同粉煤灰摻配比例的改良黃土試件，在室內(nèi)模擬多種干濕循環(huán)作用條件并開展三軸試驗(yàn)，以此分析粉煤灰改良黃土路基在干濕循環(huán)作用下的動(dòng)強(qiáng)度及動(dòng)殘余變形演變規(guī)律，獲取模擬干濕循環(huán)作用次數(shù)、粉煤灰摻配比例及循環(huán)剪切次數(shù)等指標(biāo)的影響，最后推薦粉煤灰改良黃土路基方案的合理粉煤灰摻配比例。

1 工程背景

貴州烏當(dāng)至長順高速公路總建設(shè)長度為128.82 km，其中，本研究項(xiàng)目TJ-8標(biāo)段(K112+300～K129+820)線路總長為17.52 km。該路線途經(jīng)羊昌(平壩)，止于長順縣廣順鎮(zhèn)的曹擺，與花安高速公路交叉并順接在建的貴安支線。K124+200～K129+820段為黃土分布區(qū)域，擬采用摻配粉煤灰方案進(jìn)行路基土質(zhì)改良。

2 原材料及試驗(yàn)方案

2.1 原材料檢測(cè)及試件制備

試驗(yàn)所用路基原狀素土取自黃土分布段工程現(xiàn)場(chǎng)，取土深度擬定為5.0 m，判斷其屬于Q3黃土。對(duì)取樣的素土進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

粉煤灰取自國家電網(wǎng)當(dāng)?shù)啬碂犭姽荆瑢?duì)其進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表1 土樣土工試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表

表2 粉煤灰化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果表

通過橡皮錘將取樣的原狀素土碾碎，將碾碎后的土體用2 mm方孔篩過篩，將其置于105.0 ℃的烘箱中烘干。同樣，粉煤灰也進(jìn)行烘干處理備用。粉煤灰的摻配比例指的是摻配的粉煤灰質(zhì)量與黃土素土質(zhì)量間的比例，并將其換算為百分?jǐn)?shù)。本文在試驗(yàn)中擬定的粉煤灰摻配比例范圍為0%～30%，步長為5%，共7組試件，其中0粉煤灰摻配比例指的是未摻加粉煤灰的黃土素土。

為了確保粉煤灰與黃土間能夠充分拌和均勻以有針對(duì)性地進(jìn)行性能對(duì)比分析，稱取經(jīng)計(jì)算得到質(zhì)量精確的烘干粉煤灰和烘干黃土，將二者充分干拌，隨后按照黃土素土測(cè)得的16.7%最佳含水率，計(jì)算所得試件加水量，均勻?yàn)⑺髮⑵湓俅纬浞謹(jǐn)嚢?，填入薄膜袋中并置于密封設(shè)備中靜置48 h。按照黃土素土測(cè)得的1.72 g/cm3最大干密度依照兩段靜壓方案重塑，選取0.94的壓實(shí)系數(shù)。至此，各組粉煤灰改良黃土試件制備完成，將其置于恒定溫濕環(huán)境中養(yǎng)護(hù)28 d進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.2 干濕循環(huán)作用模擬方案

開展粉煤灰改良黃土的室內(nèi)模擬干濕循環(huán)作用試驗(yàn)，將改良土的干濕循環(huán)次數(shù)擬定為0～5次。干濕循環(huán)的基本原理是將養(yǎng)護(hù)完成后的改良土試樣先進(jìn)行飽和處理后再進(jìn)行干燥處理，其中以抽真空方案實(shí)現(xiàn)改良土試樣的飽和處理，將其飽和處理完成后，在常溫環(huán)境下置于室內(nèi)通風(fēng)處自然干燥。為確保粉煤灰改良黃土試樣在各環(huán)節(jié)中的含水率能得到嚴(yán)格控制，應(yīng)采用稱重方案進(jìn)行含水量控制。此外，除含水量必須符合預(yù)期要求外，水分在粉煤灰改良黃土試樣中的均勻性也至關(guān)重要，因此待試樣自然干燥至初始含水率對(duì)應(yīng)的重量后，還應(yīng)將其密封24 h以確保水分可均勻分散于試樣中。

2.3 動(dòng)三軸試驗(yàn)方案

選用DYNTTS伺服電機(jī)動(dòng)三軸試驗(yàn)一體化系統(tǒng)，針對(duì)不同粉煤灰摻配比例的改良黃土試件分別進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，基于此分析粉煤灰改良黃土路基在干濕循環(huán)作用下動(dòng)強(qiáng)度及動(dòng)殘余變形演變規(guī)律，獲取模擬干濕循環(huán)作用次數(shù)、粉煤灰摻配比例及循環(huán)剪切次數(shù)等指標(biāo)對(duì)其的影響。

嚴(yán)格遵照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GT/T50123-2019)的相關(guān)要求開展試驗(yàn)，將各組粉煤灰改良黃土試樣制備成圓柱體試件，其高度為100 mm，底面圓形直徑為50 mm。試驗(yàn)分為兩個(gè)步驟，分別為固結(jié)環(huán)節(jié)和循環(huán)環(huán)節(jié)。試驗(yàn)過程中的軸向固結(jié)壓力均確定為200 kPa，固結(jié)比Kc=0.4，以改良黃土試件的軸向變形量≤0.005 mm/min為固結(jié)穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，采用等幅正弦加載作為循環(huán)剪切加載方案，其加載頻率控制為1 Hz，循環(huán)剪切次數(shù)N分別取10、50、100、200次，施加多種動(dòng)應(yīng)力，其中最大動(dòng)應(yīng)力為110 kPa。對(duì)試驗(yàn)過程中的動(dòng)應(yīng)力及動(dòng)應(yīng)變對(duì)應(yīng)變化情況進(jìn)行記錄并分析。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 循環(huán)剪切次數(shù)對(duì)動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響分析

根據(jù)上文動(dòng)三軸試驗(yàn)部分動(dòng)應(yīng)力范圍檢測(cè)數(shù)據(jù)，可以獲取各組粉煤灰改良黃土試件在4種循環(huán)剪切次數(shù)下的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖1～4所示。

圖1 N為10次時(shí)的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變對(duì)比曲線圖

圖2 N為50次時(shí)的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變對(duì)比曲線圖

圖3 N為100次時(shí)的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變對(duì)比曲線圖

圖4 N為200次時(shí)的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變對(duì)比曲線圖

從圖1～4可以發(fā)現(xiàn)，在同等循環(huán)剪切次數(shù)條件下，動(dòng)應(yīng)力水平對(duì)不同粉煤灰摻配比例改良黃土試件的動(dòng)應(yīng)變差異情況有著顯著的影響。在動(dòng)應(yīng)力水平較低時(shí)(動(dòng)應(yīng)力為10 kPa及30 kPa)，各組試件的動(dòng)應(yīng)變值基本呈線形增長趨勢(shì)，而隨著動(dòng)應(yīng)力水平的提升，動(dòng)應(yīng)變與動(dòng)應(yīng)力間的非線性程度顯著提升，曲線斜率逐漸增大。

在同等循環(huán)剪切次數(shù)條件下，粉煤灰摻配比例差異帶來了動(dòng)應(yīng)變值的差別。同等動(dòng)應(yīng)力條件下，粉煤灰摻配比例越大，對(duì)應(yīng)試件的動(dòng)應(yīng)變值越低，且這一動(dòng)應(yīng)變差異隨動(dòng)應(yīng)力的增長越加明顯，即當(dāng)改良土中粉煤灰摻配比例為30%時(shí)，試件產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)變最低。

分析循環(huán)剪切次數(shù)對(duì)粉煤灰改良黃土試件的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線影響規(guī)律發(fā)現(xiàn)，隨著循環(huán)剪切次數(shù)的提升，同等動(dòng)應(yīng)力條件下，各組試件的動(dòng)應(yīng)變值整體呈上升趨勢(shì)，同時(shí)動(dòng)應(yīng)變與動(dòng)應(yīng)力間的非線性程度也隨之提升。在循環(huán)剪切次數(shù)條件較低時(shí)(循環(huán)剪切次數(shù)為10次)，動(dòng)應(yīng)變與動(dòng)應(yīng)力間的非線性程度相對(duì)較低，即曲線斜率相對(duì)平緩，而當(dāng)循環(huán)剪切次數(shù)增長后，動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變非線性程度則有了顯著增長。

3.2 粉煤灰摻配比例對(duì)動(dòng)強(qiáng)度的影響分析

在上文試驗(yàn)條件下，粉煤灰改良黃土試件的動(dòng)強(qiáng)度可定義為某循環(huán)剪切次數(shù)條件下導(dǎo)致某一動(dòng)應(yīng)變所需的臨界動(dòng)應(yīng)力值?？紤]到工程應(yīng)用中一般取0.3%作為填筑路基的變形允許值，因此在本研究中將動(dòng)殘余變形(即動(dòng)應(yīng)變)為0.3%時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界動(dòng)應(yīng)力作為粉煤灰改良黃土試件的動(dòng)強(qiáng)度取值，即在動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線上找到0.3%動(dòng)應(yīng)變對(duì)應(yīng)的動(dòng)應(yīng)力值。將不同循環(huán)剪切次數(shù)下不同粉煤灰摻配比例的改良黃土試件動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)匯總?cè)鐖D5所示。

圖5 不同改良黃土試件臨界動(dòng)應(yīng)力對(duì)比柱狀圖

從圖5可以發(fā)現(xiàn)，在同等粉煤灰摻配比例條件下，各組粉煤灰改良黃土試件對(duì)應(yīng)的動(dòng)強(qiáng)度(即臨界動(dòng)應(yīng)力)隨循環(huán)剪切次數(shù)的提升而呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，其降低速率逐步變緩呈平穩(wěn)態(tài)勢(shì)，從最初的8%～10%降低至2%，即粉煤灰摻配比例引起的改良黃土路基的動(dòng)強(qiáng)度差異隨循環(huán)剪切次數(shù)增加而逐步縮小。

當(dāng)循環(huán)剪切次數(shù)較低(循環(huán)剪切次數(shù)為10次及50次)時(shí)，改良黃土試件的動(dòng)強(qiáng)度隨粉煤灰摻配比例的提升呈現(xiàn)出波動(dòng)上升的趨勢(shì)；而當(dāng)循環(huán)剪切次數(shù)較高(循環(huán)剪切次數(shù)為100次及200次)時(shí)，改良黃土試件的動(dòng)強(qiáng)度隨粉煤灰摻配比例的提升呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)的趨勢(shì)。當(dāng)改良黃土路基在粉煤灰摻配比例為30%時(shí)，試件動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)殘余變形分別處于最大峰值和最小峰值。

3.3 干濕循環(huán)作用次數(shù)對(duì)動(dòng)強(qiáng)度的影響分析

當(dāng)粉煤灰摻配比例為25%～30%時(shí),改良土體抗變形能力較好，可達(dá)到動(dòng)力穩(wěn)定狀態(tài)。為進(jìn)一步分析干濕循環(huán)作用對(duì)其動(dòng)強(qiáng)度的影響規(guī)律，針對(duì)不同模擬干濕循環(huán)作用次數(shù)及循環(huán)剪切次數(shù)下改良黃土試件動(dòng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)進(jìn)行研究。此處選擇25%粉煤灰摻配比例的試件組展開討論，檢測(cè)結(jié)果如下頁圖6所示。

圖6 動(dòng)強(qiáng)度隨干濕循環(huán)作用變化曲線圖

由圖6可知，相較于未進(jìn)行干濕循環(huán)作用的試件組，經(jīng)過模擬干濕循環(huán)作用后，各組改良黃土試件的動(dòng)強(qiáng)度迅速下降。隨著干濕循環(huán)作用次數(shù)提升至5次，粉煤灰改良黃土試件動(dòng)強(qiáng)度先降后升。

為對(duì)該現(xiàn)象產(chǎn)生原理進(jìn)行探究，通過SEM觀測(cè)試件的微觀圖像。干濕循環(huán)作用0、2、5次對(duì)應(yīng)的改良黃土試件微觀圖像分別如圖7～9所示。由圖7～9可以發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)作用0次的改良黃土顆粒間的空隙較為豐富；在干濕循環(huán)作用兩次后，黃土中起到粘結(jié)作用的易溶鹽隨干濕循環(huán)作用析出，土體顆粒內(nèi)部的接觸方式發(fā)生變化，受力結(jié)構(gòu)被破壞，微裂隙快速發(fā)展，因此其動(dòng)強(qiáng)度迅速降低；而在干濕循環(huán)作用5次后，易溶鹽成分已逐漸處于穩(wěn)定狀態(tài)，新的受力結(jié)構(gòu)框架已經(jīng)形成，顆粒間擠壓作用達(dá)到新的平衡，此外微裂隙也在干濕重復(fù)作用下被逐步填充起來，這導(dǎo)致了其動(dòng)強(qiáng)度相較于干濕循環(huán)作用兩次時(shí)有所提升。

圖7 干濕循環(huán)0次土樣 微觀示例圖

圖8 干濕循環(huán)兩次土樣 微觀示例圖

圖9 干濕循環(huán)5次土樣微觀示例圖

4 結(jié)語

本文依托貴州省烏當(dāng)至長順高速公路建設(shè)項(xiàng)目，針對(duì)黃土路基段土質(zhì)改良方案展開探究。在原路基黃土素土內(nèi)摻配一定比例粉煤灰，以靜壓方案制備不同粉煤灰摻配比例的改良黃土試件，在室內(nèi)模擬多種干濕循環(huán)作用條件開展三軸試驗(yàn)，并基于此分析粉煤灰改良黃土路基在干濕循環(huán)作用下動(dòng)強(qiáng)度及動(dòng)殘余變形演變規(guī)律，獲取模擬干濕循環(huán)作用次數(shù)、粉煤灰摻配比例及循環(huán)剪切次數(shù)等指標(biāo)的影響；推薦粉煤灰改良黃土路基方案的合理粉煤灰摻配比例。本文研究成果可為黃土路基改良工程提供一定的數(shù)據(jù)參考，得出以下主要結(jié)論。

(1)粉煤灰改良劑的摻配可有效增強(qiáng)黃土路基的動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)，并限制其動(dòng)殘余變形的發(fā)展。

(2)改良黃土路基在粉煤灰摻配比例為30%時(shí)的動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)殘余變形分別處于最大峰值和最小峰值。

(3)室內(nèi)模擬干濕循環(huán)作用會(huì)顯著降低各組改良黃土試件的動(dòng)強(qiáng)度，引起動(dòng)殘余變形的提升，在兩次模擬干濕循環(huán)作用后逐漸穩(wěn)定。

(4)應(yīng)用中考慮車輛荷載及干濕循環(huán)，推薦粉煤灰摻配比例為25%～30%。