潮濕路基水泥改良細(xì)粒土動(dòng)態(tài)回彈模量試驗(yàn)研究

黃崇偉，朱寶兵，章毅，孫瑜*，郭丹丹

（1.上海理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程系，上海市 200093；2.浙江明德建設(shè)有限公司，浙江 杭州 311202；3.上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200125）

0 引言

路基土回彈模量MR是國內(nèi)外路基設(shè)計(jì)的重要參數(shù)［1-2］，這一概念最初是在路基土與瀝青路面疲勞損壞關(guān)系的研究基礎(chǔ)上引入的，定義為瞬時(shí)動(dòng)態(tài)脈沖荷載下動(dòng)態(tài)偏應(yīng)力與回彈或可恢復(fù)應(yīng)變的比值［3-4］。隨著中國公路設(shè)計(jì)理念與方法的發(fā)展，近幾年的公路設(shè)計(jì)與運(yùn)營實(shí)踐表明，動(dòng)態(tài)回彈模量更能反映行車荷載對(duì)路基的作用［5］。因此，動(dòng)態(tài)回彈模量已被規(guī)范“作為過渡”采用［6］。

已有研究表明：路基土動(dòng)態(tài)回彈模量受多種因素的影響，如土的類型、含水率、壓實(shí)度、應(yīng)力狀況等［4，7］。對(duì)于中國南方地區(qū)的潮濕路基而言，其動(dòng)態(tài)回彈模量受這些因素的影響規(guī)律往往與一般路基存在差異，且在實(shí)際施工中發(fā)現(xiàn)潮濕路基土壓實(shí)困難，易出現(xiàn)“彈簧”現(xiàn)象。因此，需要對(duì)潮濕路基細(xì)粒土開展改良處置以滿足工程需要。目前，基于路基土無機(jī)結(jié)合料改良處置技術(shù)［8-9］，中國先后開展了“高等級(jí)公路潮濕路基綜合穩(wěn)定技術(shù)”“過濕土加固處理技術(shù)”等研究。在各種無機(jī)結(jié)合料中，水泥水化產(chǎn)物強(qiáng)度較高、穩(wěn)定性較好、適用性較強(qiáng)、施工較便捷，因此在實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。

綜上，面向設(shè)計(jì)與施工，對(duì)于潮濕路基水泥改良細(xì)粒土的研究值得進(jìn)一步探索，其中潮濕路基水泥改良細(xì)粒土的動(dòng)態(tài)回彈模量影響因素分析尤為關(guān)鍵。鑒于此，本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，選擇粉土、黏土和淤泥質(zhì)土3 種典型的潮濕路基細(xì)粒土，基于水泥處置改良技術(shù)，通過室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)，探究含水率、壓實(shí)度、水泥摻量、養(yǎng)生齡期和應(yīng)力狀態(tài)對(duì)潮濕路基細(xì)粒土動(dòng)態(tài)回彈模量的影響，以期為今后潮濕細(xì)粒土路基設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

3 種典型的潮濕路基細(xì)粒土樣本取自上海崇明生態(tài)大道新建公路路基，其物理力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 3 種典型潮濕路基細(xì)粒土物理力學(xué)性能指標(biāo)

試驗(yàn)采用的水泥為42.5 號(hào)水泥，其技術(shù)性質(zhì)如表2 所示。

表2 水泥技術(shù)性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 影響因素

水泥改良細(xì)粒土本質(zhì)上為土體，其動(dòng)態(tài)回彈模量會(huì)受土體本身材料性質(zhì)和物理狀況（含水率和壓實(shí)度）的影響［10］。其次，由于它是水、土體、水泥3 種物質(zhì)耦合的結(jié)構(gòu)，其中水泥與水產(chǎn)生水化反應(yīng)，生成水化產(chǎn)物并在土體中相互交織搭配，將土顆粒包覆起來，隨著時(shí)間的增加，水化產(chǎn)物也會(huì)增加，這種耦合結(jié)構(gòu)逐漸堅(jiān)固。因此，除了受含水率的影響，水泥改良細(xì)粒土還受到水泥摻量和養(yǎng)生齡期的影響。

此外，在路基動(dòng)態(tài)回彈模量本構(gòu)模型［11］中，NCHRP1-28A 模型對(duì)于動(dòng)態(tài)模量的預(yù)測(cè)效果較好，且被《AASHTO 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南（2002 版）》所采用［12］，如式（1）所示。由此可知：應(yīng)力狀態(tài)是影響路基土動(dòng)態(tài)回彈模量的原因之一。

式中：MR為回彈模量；θ為體應(yīng)力，θ=σ1+σ2+σ3，σ1、σ2、σ3為 主 應(yīng) 力；τoct為 八 面 體 剪 應(yīng) 力，τoct=；ki為 回 歸 常數(shù)，k1、k2≥0，k3≤0；pa為大氣壓力。

1.2.2 方案設(shè)計(jì)

（2）生產(chǎn)管控集成化，建立一體化集成化的全流程的數(shù)字化管理體系，并與智能硬件進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生命周期管理（PLM）、企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、供應(yīng)鏈管理（SCM）和智能機(jī)器聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)和硬件的數(shù)據(jù)集成和整合，達(dá)成快速響應(yīng)市場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造體系，實(shí)現(xiàn)在客戶定制化需求下達(dá)按需按時(shí)按量的規(guī)?；a(chǎn)。

依據(jù)既有研究提出的路基土室內(nèi)試驗(yàn)應(yīng)力加載序列［13］，潮濕路基水泥改良細(xì)粒土動(dòng)態(tài)回彈模量試驗(yàn)選擇圍壓應(yīng)力為15～60 kPa，以15 kPa 為間隔，循環(huán)偏應(yīng)力為30 kPa、55 kPa、75 kPa 和105 kPa。根據(jù)3 種土樣物理力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)有研究、現(xiàn)場(chǎng)施工需求和規(guī)范［6］要求，并考慮影響因素，上述3種典型土樣動(dòng)態(tài)回彈模量試驗(yàn)方案如表3 所示。

表3 3 種典型土樣動(dòng)態(tài)回彈模量試驗(yàn)方案

1.2.3 試件制備與測(cè)試

試驗(yàn)采用直徑100 mm、高200 mm 的圓柱形試件。試件養(yǎng)護(hù)溫度為（20±2）℃，相對(duì)濕度90%以上。

采用動(dòng)態(tài)三軸壓力室測(cè)試裝置進(jìn)行測(cè)試，如圖1所示，測(cè)試條件及步驟均與《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）的要求一致，并在測(cè)試結(jié)束后按照規(guī)范規(guī)定計(jì)算動(dòng)態(tài)回彈模量。

圖1 動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)測(cè)試裝置

2 結(jié)果分析與討論

2.1 壓實(shí)度對(duì)動(dòng)態(tài)回彈模量的影響

保持粉土和黏土含水率為13%、淤泥質(zhì)土含水率為20%不變，分析不同水泥摻量的3 種土樣或改良土壓實(shí)度對(duì)其動(dòng)態(tài)回彈模量的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同水泥摻量改良細(xì)粒土的壓實(shí)度與動(dòng)態(tài)回彈模量關(guān)系

由圖2 可知：不同水泥摻量下，壓實(shí)度的增大均能提高水泥改良土的動(dòng)態(tài)回彈模量。對(duì)于素土（水泥摻量為0），隨著壓實(shí)度的增大，3 種土樣動(dòng)態(tài)回彈模量的提升幅度分別為13.8%、20.2%和11.8%；然而，當(dāng)3 種土樣摻入水泥進(jìn)行改良時(shí)，當(dāng)粉土和黏土的水泥摻量為3%或淤泥質(zhì)土水泥摻量為10%時(shí)，其動(dòng)態(tài)回彈模量隨壓實(shí)度增大的提升幅度反而分別只有9.0%、5.9%和4.5%，只有水泥摻量進(jìn)一步增大后，其動(dòng)態(tài)回彈模量隨壓實(shí)度增大的提升幅度才有所增大，且增大趨勢(shì)與水泥摻量的增加并非嚴(yán)格遞增關(guān)系。比如粉土，當(dāng)水泥摻量從3%增至7%時(shí)，其動(dòng)態(tài)回彈模量隨壓實(shí)度增大的提升幅度分別為9.0%、19.0%、24.3%、19.0%和28.0%，其增幅并非嚴(yán)格遞增。這是因?yàn)閴簩?shí)度增大后，水泥改良土在荷載作用下的回彈變形減小，表現(xiàn)為模量增大。然而，水泥摻量較小時(shí)，水泥水化反應(yīng)還不足以將土樣內(nèi)部的水分消耗完全，殘余的水分應(yīng)在養(yǎng)生過程中從水分蒸發(fā)通道里排出，但壓實(shí)度增大后，阻斷了一部分水分蒸發(fā)通道，因此較小水泥摻量的土樣動(dòng)態(tài)回彈模量隨壓實(shí)度增大的提升幅度反而不及素土；當(dāng)水泥摻量逐漸增大后，水泥水化反應(yīng)消耗的水分更多，土樣內(nèi)殘余的水分減少，對(duì)養(yǎng)生期間水分蒸發(fā)通道的需求降低，因此土樣動(dòng)態(tài)回彈模量隨壓實(shí)度增大的提升幅度增大。此外，由于水分蒸發(fā)通道被阻斷的隨機(jī)性較大，所以該增幅并非嚴(yán)格遞增。

基于上述結(jié)果與分析，對(duì)于水泥改良土，當(dāng)水泥摻量較小時(shí)，壓實(shí)度宜控制為95%，而水泥摻量較大時(shí)，壓實(shí)度宜控制為96%。

2.2 含水率對(duì)動(dòng)態(tài)回彈模量的影響

保持壓實(shí)度為96%不變，分析不同水泥摻量的3種土樣或改良土含水率對(duì)其動(dòng)態(tài)回彈模量的影響，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同水泥摻量改良細(xì)粒土含水率與動(dòng)態(tài)回彈模量關(guān)系

由圖3 可知：隨著含水率的增大，不同水泥摻量下水泥改良土的動(dòng)態(tài)回彈模量均呈下降趨勢(shì)。對(duì)于素土，3 種土樣動(dòng)態(tài)回彈模量的最大下降幅度（最大含水率與最小含水率相比）分別為28.0%、41.8%和37.7%；而水泥摻入后，其動(dòng)態(tài)回彈模量隨含水率增加的最大下降幅度分別為21.8%、27.8%和28.1%，當(dāng)粉土或黏土水泥摻量大于3%或淤泥質(zhì)土水泥摻量大于10%時(shí)，就有較明顯幅度的下降。因此，3 種土樣中，不論是否摻加水泥，當(dāng)含水率從最佳含水率附近值增大到一定程度（粉土、黏度為13%～18%，淤泥質(zhì)土為20%～30%）時(shí)，粉土動(dòng)態(tài)回彈模量隨含水率的總變化幅度略低于黏土和淤泥質(zhì)土。

2.3 水泥摻量對(duì)動(dòng)態(tài)回彈模量的影響

圖4 不同壓實(shí)度和含水率的改良土水泥摻量與動(dòng)態(tài)回彈模量關(guān)系

由圖4 可知：對(duì)不同水泥改良土，隨水泥摻量的增加，其動(dòng)態(tài)回彈模量均呈增大的趨勢(shì)，且在水泥摻量小于4%時(shí)，粉土和黏土的動(dòng)態(tài)回彈模量增大趨勢(shì)較為顯著，在水泥摻量小于14%時(shí)，淤泥質(zhì)土動(dòng)態(tài)回彈模量增大趨勢(shì)較為顯著。對(duì)于粉土和黏土而言，當(dāng)水泥摻量從0 增至4%時(shí)，在壓實(shí)度為95%和96%時(shí)粉土的動(dòng)態(tài)回彈模量最大分別增大了73.3% 和94.7%，黏土的動(dòng)態(tài)回彈模量最大分別增大了171.1% 和183.9%，而當(dāng)水泥摻量從4% 繼續(xù)增至7%時(shí)，在壓實(shí)度為95%和96%時(shí)粉土的動(dòng)態(tài)回彈模量最大分別只增大了9.0%和16.6%，黏土的動(dòng)態(tài)回彈模量最大分別只增大了18.8%和12.0%。對(duì)于淤泥質(zhì)土而言，當(dāng)水泥摻量從0 增至14%時(shí)，在壓實(shí)度為95%和96%時(shí)其動(dòng)態(tài)回彈模量最大分別增大了234.0%和282.3%，而當(dāng)水泥摻量從14%繼續(xù)增至20%時(shí)，在壓實(shí)度為95%和96%時(shí)其動(dòng)態(tài)回彈模量最大分別只增大了32.5%和18.5%。由此可見，對(duì)于3 種水泥改良土而言，水泥摻量均并非越大越好，摻加一定量的水泥即可使其動(dòng)態(tài)回彈模量有顯著提升。

水泥改良土動(dòng)態(tài)回彈模量隨水泥摻量變化的原因可能是水泥的水化反應(yīng)對(duì)土體顆粒黏結(jié)性的影響。如前所述，水分會(huì)破壞素土本身顆粒的黏結(jié)性，而水泥的摻入使得水分會(huì)與其產(chǎn)生水化反應(yīng)，消耗土體內(nèi)部的水分。若水泥摻量恰好合適，土體內(nèi)部的水分與水泥的水化反應(yīng)充分，則會(huì)與土體共同形成抵抗回彈變形的能力，提高土體的回彈模量。若水泥摻量過少，土體內(nèi)部的水分未被水泥消耗完全，土體內(nèi)部殘余的水分仍會(huì)一定程度影響土顆粒的黏結(jié)性，土體回彈模量提升有限。若水泥摻量過大，水泥與土體內(nèi)部水分發(fā)生反應(yīng)后的水化物性能欠佳，其與土體共同抵抗回彈變形的能力受限，對(duì)土體本身回彈模量的進(jìn)一步提升則不再有太大貢獻(xiàn)。

基于上述結(jié)果與分析，對(duì)于粉土和黏土，水泥摻量宜為4% 左右，而對(duì)于淤泥質(zhì)土，水泥摻量宜為14%，且水泥摻量依據(jù)含水率的大小略微浮動(dòng)。

2.4 養(yǎng)生齡期對(duì)動(dòng)態(tài)回彈模量的影響

保持粉土和黏土含水率為13%、淤泥質(zhì)土含水率為20%不變，分析不同水泥摻量的3 種土樣或改良土養(yǎng)生齡期對(duì)其動(dòng)態(tài)回彈模量的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同水泥摻量的改良土養(yǎng)生齡期與動(dòng)態(tài)回彈模量關(guān)系

保持粉土和黏土水泥摻量為4%、淤泥質(zhì)土水泥摻量為14%不變，分析不同含水率的3 種土樣養(yǎng)生齡期對(duì)其改良土的動(dòng)態(tài)回彈模量的影響，結(jié)果如圖6所示。

由圖5、6 可知：對(duì)于素土，養(yǎng)生齡期從7 d 到28 d，3 種土樣動(dòng)態(tài)回彈模量基本均無提升。這可能是因?yàn)椋缤翗又胁粨诫s水泥，土樣的動(dòng)態(tài)回彈模量已在養(yǎng)生初期的7 d 內(nèi)完全形成。然而，當(dāng)3 種土樣摻入水泥進(jìn)行改良時(shí)，不論何種水泥摻量或含水率下，其動(dòng)態(tài)回彈模量均隨養(yǎng)生齡期的增大而提高。這是因?yàn)?，水泥水化作用，一般?8 d 完成，而在28 d 的養(yǎng)生過程中，水泥水化反應(yīng)會(huì)持續(xù)發(fā)生。此外，不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)養(yǎng)生齡期不斷增大，不論何種水泥摻量或含水率下，3 種改良土的動(dòng)態(tài)回彈模量增幅均呈不斷減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)?，水泥水化程度?huì)隨著養(yǎng)生齡期的增長而不斷減弱，在水泥水化過程后期，土樣抵抗回彈變形的能力已趨于穩(wěn)定。

因此，不同水泥摻量或含水率下，對(duì)于3 種水泥改良土而言，均需在一定的養(yǎng)生齡期條件下，動(dòng)態(tài)回彈模量才能達(dá)到一定值，但養(yǎng)生齡期并非越長越好，14 d 的養(yǎng)生齡期為宜。

2.5 應(yīng)力狀態(tài)對(duì)動(dòng)態(tài)回彈模量的影響

保持壓實(shí)度為96%，粉土和黏土含水率為13%、水泥摻量為4%；淤泥質(zhì)土含水率為20%、水泥摻量為14%，分析不同應(yīng)力狀態(tài)下3 種改良土的動(dòng)態(tài)回彈模量變化，結(jié)果如圖7 所示。

由圖7 可知：3 種改良土的動(dòng)態(tài)回彈模量均隨圍壓的增大而增大，隨循環(huán)偏應(yīng)力的增大而減小，且動(dòng)態(tài)回彈模量隨應(yīng)力狀態(tài)變化的幅度并不小?？紤]到應(yīng)力狀態(tài)對(duì)3 種改良土動(dòng)態(tài)回彈模量的顯著影響，在動(dòng)態(tài)回彈模量設(shè)計(jì)時(shí)，若受條件限制無法估算路基土的實(shí)際受力水平時(shí)，建議不宜取高值。

3 結(jié)論

（1）壓實(shí)度對(duì)潮濕路基水泥改良細(xì)粒土的動(dòng)態(tài)回彈模量的影響不顯著。建議在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)不宜通過提高壓實(shí)度的方式提高水泥改良土的強(qiáng)度。

（2）含水率對(duì)潮濕路基改良細(xì)粒土的動(dòng)態(tài)回彈模量影響比較明顯，呈現(xiàn)出線性反比的現(xiàn)象，且只需較小摻量的水，改良土的動(dòng)態(tài)回彈模量就有較明顯的下降幅度。

（3）水泥摻量對(duì)動(dòng)態(tài)回彈模量的影響最大，但水泥摻量并非越大越好。對(duì)于粉土和黏土，水泥摻量宜為4%左右；對(duì)于淤泥質(zhì)土，14%左右的水泥摻量為宜。

（4）潮濕路基水泥改良細(xì)粒土的動(dòng)態(tài)回彈模量均隨養(yǎng)生齡期的增大而提高，且在7～14 d 的養(yǎng)生齡期內(nèi)提高更明顯，而在14 d 養(yǎng)生后提高幅度不大，建議將14 d 作為水泥改良土的養(yǎng)生齡期。

（5）潮濕路基水泥改良細(xì)粒土的動(dòng)態(tài)回彈模量隨循環(huán)偏應(yīng)力的增大而減小?？紤]到應(yīng)力狀態(tài)的顯著影響，在潮濕路基細(xì)粒土動(dòng)態(tài)回彈模量設(shè)計(jì)時(shí)，建議取保守值。