楊 俊，袁 凱，張國(guó)棟，唐云偉

(1.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院,湖北宜昌 443002；2.宜昌市交通運(yùn)輸局,湖北宜昌 443002)

干濕循環(huán)對(duì)風(fēng)化砂改良膨脹土回彈模量影響研究

楊 俊1，袁 凱1，張國(guó)棟1，唐云偉2

(1.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院,湖北宜昌 443002；2.宜昌市交通運(yùn)輸局,湖北宜昌 443002)

以湖北宜昌弱膨脹土為研究對(duì)象,通過(guò)摻砂改良后的室內(nèi)回彈模量試驗(yàn),研究了改良膨脹土的回彈模量與干濕循環(huán)次數(shù)、風(fēng)化砂摻量之間的關(guān)系。結(jié)果表明:①在相同的風(fēng)化砂摻量下,改良膨脹土的回彈模量隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低,回彈模量的衰減幅度在第1次干濕循環(huán)時(shí)達(dá)到最大,之后逐漸減小,當(dāng)干濕循環(huán)進(jìn)行至4～5次時(shí),回彈模量基本趨于穩(wěn)定,回彈模量與干濕循環(huán)次數(shù)可以用指數(shù)函數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬合,且相關(guān)性較好；②在經(jīng)歷相同的干濕循環(huán)后,隨著風(fēng)化砂摻量的增加,回彈模量衰減幅度以及土體微裂縫的數(shù)量逐漸減?。虎弁ㄟ^(guò)綜合考慮干濕循環(huán)次數(shù)以及風(fēng)化砂摻量的藕合影響,建立了干濕循環(huán)作用下?lián)缴案牧寂蛎浲粱貜椖Ａ康娜S非線性預(yù)估模型,該預(yù)估模型參數(shù)較少,形式簡(jiǎn)單,準(zhǔn)確性較高,具有一定的推廣價(jià)值。

膨脹土；風(fēng)化砂；干濕循環(huán)；回彈模量；預(yù)估模型

2015,32(11):40-44,51

1 研究背景

膨脹土是一種具有反復(fù)脹縮特性,并對(duì)環(huán)境濕熱變化極為敏感的高塑性黏質(zhì)土,在我國(guó)20多個(gè)省、市、自治區(qū)均有不同程度的分布[1]。膨脹土遇水后體積隨即發(fā)生膨脹,同時(shí)承載能力迅速降低；失水干燥時(shí),土體體積大幅收縮并產(chǎn)生大量的干縮裂縫,對(duì)公路、鐵路路基的安全造成了嚴(yán)重的影響[2]。因此,《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD30—2004)中規(guī)定:不允許直接將未經(jīng)改良的膨脹土用作路基填料。

在進(jìn)行膨脹土路基設(shè)計(jì)與施工監(jiān)控過(guò)程中,回彈模量是計(jì)算路面結(jié)構(gòu)層厚度以及衡量路基承載能力的重要參數(shù)之一,其反映的是路基在瞬時(shí)荷載作用下恢復(fù)變形的能力[3]?；貜椖Ａ颗c很多因素有關(guān),例如路基土的類型、應(yīng)力歷史、壓實(shí)前的初始狀態(tài)(初始含水率、初始干密度等)以及碾壓質(zhì)量等[4-7]。而對(duì)于膨脹土路基而言,大量工程實(shí)踐表明干濕循環(huán)作用是影響其路基回彈模量大小的最主要原因之一[8]。由于膨脹土的強(qiáng)度衰減性,在干濕循環(huán)作用下,路基的回彈模量并不是固定不變的。在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)層厚度計(jì)算時(shí),回彈模量取值偏小會(huì)使得結(jié)構(gòu)層厚度偏厚,工程造價(jià)提高；回彈模量取值偏大又給道路的運(yùn)營(yíng)帶來(lái)安全隱患[9]。因此,回彈模量如何取值是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于干濕循環(huán)作用對(duì)膨脹土性質(zhì)的影響研究主要集中在脹縮性方面,而對(duì)回彈模量隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律研究得相對(duì)較少[10]。

鑒于以上問(wèn)題,本研究中采用摻風(fēng)化砂對(duì)膨脹土進(jìn)行改良處理,通過(guò)一系列的室內(nèi)回彈模量試驗(yàn),探討了在干濕循環(huán)作用下,摻砂改良膨脹土回彈模量的變化規(guī)律。同時(shí)考慮干濕循環(huán)次數(shù)及風(fēng)化砂摻量的藕合影響,建立干濕循環(huán)作用下?lián)缴案牧寂蛎浲粱貜椖Ａ康娜S非線性預(yù)估模型,為工程實(shí)際提供參考。

2 試驗(yàn)儀器及材料

本文研究中的回彈模量試驗(yàn)采用HW-1型回彈模量測(cè)定儀進(jìn)行,以湖北宜昌灰白膨脹土為研究對(duì)象,按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)對(duì)其進(jìn)行基本物理性質(zhì)分析,結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 膨脹土基本性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Basic properties of expansive soil obtained from test

由表1可以看出:該膨脹土為高液限黏土,自由膨脹率為43%,位于40%～65%范圍內(nèi),屬于弱膨脹土[11]。試驗(yàn)用膨脹土的粒度組成見(jiàn)表2。

表2 膨脹土粒度成分Table 2 Particle composition of expansive soil

試驗(yàn)所用風(fēng)化砂為片麻巖經(jīng)風(fēng)化后所形成,天然含水率較低,顆粒呈典型的棱角狀且強(qiáng)度較弱,其在粒度成分上主要以細(xì)粒組(0.075～0.25 mm)含量居多,級(jí)配不良。各項(xiàng)基本性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表3及圖1。

表3 風(fēng)化砂基本性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Basic properties of weathered sand obtained from test

圖1 風(fēng)化砂顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Particle gradation curve of weathered sand

3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)參考《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007),進(jìn)行不同干濕循環(huán)次數(shù)下的改良膨脹土回彈模量試驗(yàn)。試驗(yàn)中風(fēng)化砂的摻入量依次設(shè)定為0, 10%,20%,30%,40%和50%。首先進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn),得出每種風(fēng)化砂摻量下的最佳含水率和最佳干密度,然后按照各自的最優(yōu)含水率擊實(shí)制備不同風(fēng)化砂摻量下的回彈模量試件。試件干濕循環(huán)過(guò)程為:

(1)試件的增濕。試件的增濕過(guò)程采用CBR (California Bearing Ratio)浸水裝置進(jìn)行,試件制成后,在試筒上安裝好附有調(diào)節(jié)桿的多孔板,在多孔板上施加4塊荷載板,并用拉桿將模具拉緊。將試筒與多孔板一起放入水槽內(nèi)浸水增濕,直至試樣吸水飽和(通過(guò)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)試件的增濕過(guò)程約為72 h)。

(2)試件的干燥。將增濕結(jié)束后的試件取出,置于陰涼通風(fēng)處,使其在室溫下(25℃)自然風(fēng)干,在風(fēng)干過(guò)程中反復(fù)稱重,待試件質(zhì)量降低至初始質(zhì)量時(shí)即停止干燥處理,并用塑料袋將試件密封一晝夜,使其內(nèi)部水分分布均勻。

重復(fù)上述操作,將試件分別進(jìn)行1～5次干濕循環(huán),每次干濕循環(huán)后采用承壓板法測(cè)定其回彈模量值。干濕循環(huán)過(guò)程及回彈模量試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 干濕循環(huán)過(guò)程及回彈模量試驗(yàn)裝置Fig.2 The process of wetting-drying cycles and apparatus of resilience modulus test

4 成果分析

4.1 重型擊實(shí)試驗(yàn)

按照重型擊實(shí)(98擊)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)土樣進(jìn)行了5種風(fēng)化砂摻量(10%,20%,30%,40%和50%)下的擊實(shí)試驗(yàn),擊實(shí)結(jié)果如圖3所示。

圖3 摻砂改良膨脹土的重型擊實(shí)曲線Fig.3 Curves of heavy compaction test on expansive soil improved by weathered sand

圖3表明:該膨脹土經(jīng)摻砂改良后最優(yōu)含水率隨著摻量的增大而減小,而最大干密度則隨摻量的增大先增加后減小。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是由于風(fēng)化砂粒的相對(duì)密度要大于膨脹土,故隨著風(fēng)化砂的摻量增加,最大干密度會(huì)越來(lái)越大；當(dāng)摻砂比例超過(guò)30%后,繼續(xù)加大風(fēng)化砂的摻量,會(huì)導(dǎo)致風(fēng)化砂摻量過(guò)多而難以擊實(shí),存在較大的孔隙率,故繼續(xù)再增大風(fēng)化砂摻量后,會(huì)導(dǎo)致最大干密度越來(lái)越小。

4.2 回彈模量試驗(yàn)

第i次干濕循環(huán)后,風(fēng)化砂改良膨脹土的回彈模量Ei按式(1)進(jìn)行計(jì)算。

式中:P為承載板上的單位壓力(kPa)；D為承壓板直徑(cm)；l為相應(yīng)于單位壓力的回彈變形(cm)；μ為土的泊松比,本文取0.35。

不同干濕循環(huán)次數(shù)后風(fēng)化砂改良膨脹土的回彈模量試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同干濕循環(huán)次數(shù)下改良膨脹土回彈模量試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of resilient modulus of improved expansive soil under different wetting-drying cycles

根據(jù)表4中回彈模量的試驗(yàn)結(jié)果,以干濕循環(huán)次數(shù)i為橫坐標(biāo),以回彈模量Ei為縱坐標(biāo),得到了回彈模量隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線,如圖4所示,圖中λ表示風(fēng)化砂摻量。

圖4 回彈模量隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig.4 Variation of resilience modulus with wetting-drying cycles

分析表4和圖4可以得出:

(1)摻砂改良膨脹土的回彈模量隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低,干濕循環(huán)4次后,回彈模量趨于穩(wěn)定。

(2)在風(fēng)化砂摻量相等的情況下,第1次干濕循環(huán)后回彈模量的衰減幅度最大,各風(fēng)化砂摻量下的回彈模量降低幅度均達(dá)到了各自相應(yīng)總降低幅度的30%以上。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是:在經(jīng)歷初次干濕交替后,試樣內(nèi)部即開(kāi)始產(chǎn)生大量的微裂縫,造成土顆粒間的黏結(jié)作用變?nèi)?土團(tuán)粒分散成小的土顆粒,孔隙率增加,顆粒間的間距變大[12-13],故在外荷載作用下,土體抵抗變形的能力迅速降低。其中當(dāng)風(fēng)化砂摻量為10%時(shí),回彈模量的衰減量最大,達(dá)到了30.45 MPa,約為總衰減量的46%。隨著干濕循環(huán)的繼續(xù)進(jìn)行,回彈模量的衰減幅度逐漸減小,這是因?yàn)樵谠囼?yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)土體的微裂縫大都是在第1次干濕循環(huán)后產(chǎn)生的,當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)進(jìn)一步增加時(shí),微裂縫數(shù)量的增長(zhǎng)速度逐漸變緩,因此,干濕循環(huán)作用對(duì)土體抵抗變形能力的影響逐漸減小。

(3)4～5次干濕循環(huán)后,摻砂改良膨脹土的回彈模量逐漸趨于穩(wěn)定,產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是:在經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后,土體的微裂縫數(shù)量、孔隙率大小及土顆粒間的間距已基本達(dá)到穩(wěn)定,內(nèi)部微觀顆粒結(jié)構(gòu)達(dá)到了新的平衡狀態(tài)[14],此時(shí)土體的回彈模量特性趨于穩(wěn)定。在干濕循環(huán)0～5次的過(guò)程中,隨著風(fēng)化砂摻量的增加,回彈模量衰減幅度逐漸減小:風(fēng)化砂摻量為0時(shí),回彈模量降低了62.78 MPa,衰減幅度為71%；當(dāng)風(fēng)化砂摻量增至50%時(shí),回彈模量降低了20.73 MPa,衰減幅度為45%。這是因?yàn)榻?jīng)摻砂改良后,在干濕循環(huán)作用下,土體的裂隙數(shù)量顯著減少,能夠抑制由于水分的反復(fù)進(jìn)出所導(dǎo)致的回彈模量的衰減。

(4)當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)相同時(shí),隨著風(fēng)化砂摻量的增加,改良膨脹土的回彈模量先逐漸增大,當(dāng)風(fēng)化砂摻量超過(guò)10%后,回彈模量反而急劇降低。這是因?yàn)閾饺脒m當(dāng)比例的風(fēng)化砂之后,土體的干密度增加,孔隙率及顆粒間的間距減小,抵抗變形的能力增加,但是所摻入的風(fēng)化砂顆粒強(qiáng)度較弱,當(dāng)摻入量過(guò)大時(shí),會(huì)造成土體整體的強(qiáng)度降低,因此,導(dǎo)致了回彈模量急劇降低。不同風(fēng)化砂摻量下干濕循環(huán)后的試件如圖5所示。

圖5 干濕循環(huán)后的試件Fig.5 Specimens after wetting-drying cycling

5 干濕循環(huán)作用下回彈模量預(yù)估模型的建立

5.1 回彈模量公式的建立

分析表4中回彈模量的試驗(yàn)結(jié)果可知,在相同的風(fēng)化砂摻量下,改良膨脹土的回彈模量Ei與干濕循環(huán)次數(shù)i呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系,擬合曲線如圖6所示。

圖6 不同風(fēng)化砂摻量的膨脹土回彈模量與干濕循環(huán)次數(shù)的擬合曲線Fig.6 Fitting curves of wetting-drying cycles and resilient modulus for expansive soil with different contents of weathered sand

從圖6中可以看出,回彈模量Ei與干濕循環(huán)次數(shù)i之間的關(guān)系可以用指數(shù)函數(shù)很好地加以描述,且相關(guān)性較好。故回彈模量Ei可用下式來(lái)表示:

式中:A,B均為與風(fēng)化砂摻量有關(guān)的系數(shù)。

表5為不同風(fēng)化砂摻量下的回歸參數(shù)。分別將回歸參數(shù)A,B與風(fēng)化砂摻量λ進(jìn)行回歸分析,結(jié)果如圖7所示。

表5 不同風(fēng)化砂摻量下的回歸參數(shù)Table 5 Regression parameters under differentweathered sand contents

由圖7可見(jiàn),回歸參數(shù)A與風(fēng)化砂摻量λ呈良好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系；回歸參數(shù)B自然對(duì)數(shù)的負(fù)值-lnB與風(fēng)化砂摻量的自然對(duì)數(shù)lnλ呈較好的線性關(guān)系,即

將式(3)、式(4)代入式(2),化簡(jiǎn)得

故不同干濕循環(huán)次數(shù)后風(fēng)化砂改良膨脹土的回彈模量計(jì)算公式為

圖7 回歸參數(shù)A，B隨風(fēng)化砂摻量λ的變化曲線(原狀土除外)Fig.7 Curves of the variation of regression parameters A and B with weathered sand content λ (exclusive of intact soil)

5.2 回彈模量計(jì)算模型的驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)回彈模量模型的準(zhǔn)確性,將相應(yīng)的風(fēng)化砂摻量λ、干濕循環(huán)次數(shù)i代入式(6)中,利用已建模型計(jì)算出不同干濕循環(huán)次數(shù)、不同風(fēng)化砂摻量下試件的回彈模量。分別以回彈模量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值為橫、縱坐標(biāo),繪制出回彈模量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的散點(diǎn)圖,如圖8所示。可以發(fā)現(xiàn),大部分的散點(diǎn)都集中分布在直線y=x周?chē)?因此,根據(jù)預(yù)估模型得出的回彈模量計(jì)算值具有較強(qiáng)的代表性,該模型精確度較高。

圖8 回彈模量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值散點(diǎn)圖Fig.8 Scatter plot of measured values and calculated values of resilient modulus

6 結(jié) 論

通過(guò)室內(nèi)回彈模量試驗(yàn),研究了風(fēng)化砂改良膨脹土的回彈模量隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律,得到了以下結(jié)論:

(1)在相同的風(fēng)化砂摻量下,回彈模量隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低,第1次干濕循環(huán)后,回彈模量的衰減幅度最大,隨著干濕循環(huán)的繼續(xù)進(jìn)行,回彈模量的衰減幅度逐漸減小,4～5次干濕循環(huán)之后,各風(fēng)化砂摻量下的回彈模量基本趨于穩(wěn)定。

(2)在相同的干濕循環(huán)次數(shù)下,回彈模量隨著風(fēng)化砂摻量的增加先逐漸增大,當(dāng)風(fēng)化砂摻量超過(guò)10%后,回彈模量反而急劇降低。

(3)摻風(fēng)化砂能夠抑制由于干濕交替所導(dǎo)致的回彈模量的衰減以及微裂縫的開(kāi)展,在0～5次干濕循環(huán)過(guò)程中,隨著風(fēng)化砂摻量的增加,回彈模量衰減幅度逐漸減小。

(4)通過(guò)綜合干濕循環(huán)次數(shù)、風(fēng)化砂摻量等因素的影響,建立了回彈模量的預(yù)估模型,并對(duì)已建模型進(jìn)行了驗(yàn)證,該模型參數(shù)較少、形式簡(jiǎn)單、便于工程應(yīng)用。

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(編輯:黃 玲)

Effect of Wetting-drying Cycle on Resilient Modulus of Expansive Soil Improved by Weathered Sand

YANG Jun1,YUAN Kai1,ZHANG Guo-dong1,TANG Yun-wei2
(1.College of Civil Engineering and Architecture,China Three Gorges University,Yichang 443002,China；2.Yichang Communications and Transportation Bureau,Yichang 443002,China)

The relationships between resilient modulus of improved expansive soil and wetting-drying cycle and dosage of weathered sand respectively were researched through testing the resilient modulus of expansive soil improved by weathered sand.The weak expansive soil in Yichang was taken as the research object.Results showed that:1) with the same dosage of weathered sand,the expansive soil's resilient modulus gradually decreased with the increasing number of wetting-drying cycles.The decay rate reached maximum at the first wetting-drying cycle,and then gradually decreased.When the wetting-drying came to the fourth to fifth cycle,the resilient modulus is basically stable.Resilient modulus and wetting-drying cycle can be fitted with exponential function,and the correlation is quite well；2)after the same wetting-drying cycles,the decay rate of resilient modulus and the amount of soil's micro-cracks decreased with the increase of weathered sand dosage；3)in consideration of the coupling effects of wetting-drying cycles and weathered sand dosage,the three-dimensional nonlinear prediction model of weathered sand improved expansive soil's resilient modulus under wetting-drying cycles was established.The prediction model is of simple form and high accuracy,hence it is worth promotion.

expansive soil；weathered sand；wetting-drying cycles；resilient modulus；prediction model

TU43

A

1001-5485(2015)11-0040-05

10.11988/ckyyb.20140324

2014-04-28；

2014-05-24

湖北省教育廳自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(D20131304)

楊 俊(1976-),男,湖北武漢人,副教授,博士,研究方向?yàn)楣诽厥馔谅坊幚?、路面新材料開(kāi)發(fā)與利用、建筑垃圾及工業(yè)垃圾的路用性能,(電話)15971646394(電子信箱)wangjing750301@163.com。