干濕循環(huán)對風化砂改良膨脹土回彈模量影響研究

楊 俊，袁 凱，張國棟，唐云偉

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

干濕循環(huán)對風化砂改良膨脹土回彈模量影響研究

楊 俊1，袁 凱1，張國棟1，唐云偉2

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

以湖北宜昌弱膨脹土為研究對象,通過摻砂改良后的室內回彈模量試驗,研究了改良膨脹土的回彈模量與干濕循環(huán)次數(shù)、風化砂摻量之間的關系。結果表明:①在相同的風化砂摻量下,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)時達到最大,之后逐漸減小,當干濕循環(huán)進行至4～5次時,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)關系進行擬合,且相關性較好；②在經歷相同的干濕循環(huán)后,隨著風化砂摻量的增加,回彈模量衰減幅度以及土體微裂縫的數(shù)量逐漸減小；③通過綜合考慮干濕循環(huán)次數(shù)以及風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非線性預估模型,該預估模型參數(shù)較少,形式簡單,準確性較高,具有一定的推廣價值。

膨脹土；風化砂；干濕循環(huán)；回彈模量；預估模型

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

1 研究背景

膨脹土是一種具有反復脹縮特性,并對環(huán)境濕熱變化極為敏感的高塑性黏質土,在我國20多個省、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,同時承載能力迅速降低；失水干燥時,土體體積大幅收縮并產生大量的干縮裂縫,對公路、鐵路路基的安全造成了嚴重的影響[2]。因此,《公路路基設計規(guī)范》(JTGD30—2004)中規(guī)定:不允許直接將未經改良的膨脹土用作路基填料。

在進行膨脹土路基設計與施工監(jiān)控過程中,回彈模量是計算路面結構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荷載作用下恢復變形的能力[3]?；貜椖Ａ颗c很多因素有關,例如路基土的類型、應力歷史、壓實前的初始狀態(tài)(初始含水率、初始干密度等)以及碾壓質量等[4-7]。而對于膨脹土路基而言,大量工程實踐表明干濕循環(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。在進行路面結構層厚度計算時,回彈模量取值偏小會使得結構層厚度偏厚,工程造價提高；回彈模量取值偏大又給道路的運營帶來安全隱患[9]。因此,回彈模量如何取值是一個亟待解決的問題。目前,國內外關于干濕循環(huán)作用對膨脹土性質的影響研究主要集中在脹縮性方面,而對回彈模量隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律研究得相對較少[10]。

鑒于以上問題,本研究中采用摻風化砂對膨脹土進行改良處理,通過一系列的室內回彈模量試驗,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。同時考慮干濕循環(huán)次數(shù)及風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非線性預估模型,為工程實際提供參考。

2 試驗儀器及材料

本文研究中的回彈模量試驗采用HW-1型回彈模量測定儀進行,以湖北宜昌灰白膨脹土為研究對象,按照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)對其進行基本物理性質分析,結果見表1。

表1 膨脹土基本性質試驗結果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,屬于弱膨脹土[11]。試驗用膨脹土的粒度組成見表2。

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

試驗所用風化砂為片麻巖經風化后所形成,天然含水率較低,顆粒呈典型的棱角狀且強度較弱,其在粒度成分上主要以細粒組(0.075～0.25 mm)含量居多,級配不良。各項基本性質參數(shù)見表3及圖1。

表3 風化砂基本性質試驗結果Table 3 Basic properties of weathered sand obtained from test

圖1 風化砂顆粒級配曲線Fig.1 Particle gradation curve of weathered sand

3 試驗方案

試驗參考《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007),進行不同干濕循環(huán)次數(shù)下的改良膨脹土回彈模量試驗。試驗中風化砂的摻入量依次設定為0, 10%,20%,30%,40%和50%。首先進行重型擊實試驗,得出每種風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)含水率擊實制備不同風化砂摻量下的回彈模量試件。試件干濕循環(huán)過程為:

(1)試件的增濕。試件的增濕過程采用CBR (California Bearing Ratio)浸水裝置進行,試件制成后,在試筒上安裝好附有調節(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浸水增濕,直至試樣吸水飽和(通過大量試驗發(fā)現(xiàn)試件的增濕過程約為72 h)。

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

重復上述操作,將試件分別進行1～5次干濕循環(huán),每次干濕循環(huán)后采用承壓板法測定其回彈模量值。干濕循環(huán)過程及回彈模量試驗裝置如圖2所示。

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

4 成果分析

4.1 重型擊實試驗

按照重型擊實(98擊)的標準對試驗土樣進行了5種風化砂摻量(10%,20%,30%,40%和50%)下的擊實試驗,擊實結果如圖3所示。

圖3 摻砂改良膨脹土的重型擊實曲線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。產生這一現(xiàn)象的主要原因是由于風化砂粒的相對密度要大于膨脹土,故隨著風化砂的摻量增加,最大干密度會越來越大；當摻砂比例超過30%后,繼續(xù)加大風化砂的摻量,會導致風化砂摻量過多而難以擊實,存在較大的孔隙率,故繼續(xù)再增大風化砂摻量后,會導致最大干密度越來越小。

4.2 回彈模量試驗

第i次干濕循環(huán)后,風化砂改良膨脹土的回彈模量Ei按式(1)進行計算。

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)后風化砂改良膨脹土的回彈模量試驗結果見表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結果Table 4 Test results of resilient modulus of improved expansive soil under different wetting-drying cycles

根據表4中回彈模量的試驗結果,以干濕循環(huán)次數(shù)i為橫坐標,以回彈模量Ei為縱坐標,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,各風化砂摻量下的回彈模量降低幅度均達到了各自相應總降低幅度的30%以上。產生這一現(xiàn)象的原因是:在經歷初次干濕交替后,試樣內部即開始產生大量的微裂縫,造成土顆粒間的黏結作用變弱,土團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。其中當風化砂摻量為10%時,回彈模量的衰減量最大,達到了30.45 MPa,約為總衰減量的46%。隨著干濕循環(huán)的繼續(xù)進行,回彈模量的衰減幅度逐漸減小,這是因為在試驗過程中發(fā)現(xiàn)土體的微裂縫大都是在第1次干濕循環(huán)后產生的,當干濕循環(huán)次數(shù)進一步增加時,微裂縫數(shù)量的增長速度逐漸變緩,因此,干濕循環(huán)作用對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,產生這一現(xiàn)象的原因是:在經歷多次干濕循環(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到穩(wěn)定,內部微觀顆粒結構達到了新的平衡狀態(tài)[14],此時土體的回彈模量特性趨于穩(wěn)定。在干濕循環(huán)0～5次的過程中,隨著風化砂摻量的增加,回彈模量衰減幅度逐漸減小:風化砂摻量為0時,回彈模量降低了62.78 MPa,衰減幅度為71%；當風化砂摻量增至50%時,回彈模量降低了20.73 MPa,衰減幅度為45%。這是因為經摻砂改良后,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進出所導致的回彈模量的衰減。

(4)當干濕循環(huán)次數(shù)相同時,隨著風化砂摻量的增加,改良膨脹土的回彈模量先逐漸增大,當風化砂摻量超過10%后,回彈模量反而急劇降低。這是因為摻入適當比例的風化砂之后,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,但是所摻入的風化砂顆粒強度較弱,當摻入量過大時,會造成土體整體的強度降低,因此,導致了回彈模量急劇降低。不同風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中回彈模量的試驗結果可知,在相同的風化砂摻量下,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)關系,擬合曲線如圖6所示。

圖6 不同風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之間的關系可以用指數(shù)函數(shù)很好地加以描述,且相關性較好。故回彈模量Ei可用下式來表示:

式中:A,B均為與風化砂摻量有關的系數(shù)。

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

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

由圖7可見,回歸參數(shù)A與風化砂摻量λ呈良好的指數(shù)函數(shù)關系；回歸參數(shù)B自然對數(shù)的負值-lnB與風化砂摻量的自然對數(shù)lnλ呈較好的線性關系,即

將式(3)、式(4)代入式(2),化簡得

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

圖7 回歸參數(shù)A，B隨風化砂摻量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 回彈模量計算模型的驗證

為了檢驗回彈模量模型的準確性,將相應的風化砂摻量λ、干濕循環(huán)次數(shù)i代入式(6)中,利用已建模型計算出不同干濕循環(huán)次數(shù)、不同風化砂摻量下試件的回彈模量。分別以回彈模量實測值與計算值為橫、縱坐標,繪制出回彈模量實測值與計算值的散點圖,如圖8所示?？梢园l(fā)現(xiàn),大部分的散點都集中分布在直線y=x周圍,因此,根據預估模型得出的回彈模量計算值具有較強的代表性,該模型精確度較高。

圖8 回彈模量實測值與計算值散點圖Fig.8 Scatter plot of measured values and calculated values of resilient modulus

6 結 論

通過室內回彈模量試驗,研究了風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,得到了以下結論:

(1)在相同的風化砂摻量下,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,回彈模量隨著風化砂摻量的增加先逐漸增大,當風化砂摻量超過10%后,回彈模量反而急劇降低。

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

(4)通過綜合干濕循環(huán)次數(shù)、風化砂摻量等因素的影響,建立了回彈模量的預估模型,并對已建模型進行了驗證,該模型參數(shù)較少、形式簡單、便于工程應用。

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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研究重點項目(D20131304)

楊 俊(1976-),男,湖北武漢人,副教授,博士,研究方向為公路特殊土路基處理、路面新材料開發(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。