初始干密度對(duì)天然砂礫改良紅粘土回彈模量的影響及預(yù)估模型

楊俊 劉世宜 張國(guó)棟

摘要：以摻天然砂礫改良的紅粘土為研究對(duì)象，采用室內(nèi)承載板法測(cè)定回彈模量，通過(guò)不同初始干密度下的回彈模量試驗(yàn)，深入研究了天然砂礫改良紅粘土的回彈模量隨初始干密度的變化規(guī)律，建立了不同初始干密度下回彈模量的預(yù)估模型。試驗(yàn)結(jié)果表明：在同一天然砂礫摻量下，隨著初始干密度的提高，紅粘土的回彈模量逐漸增大。當(dāng)初始干密度由低向最大干密度增大時(shí)，回彈模量增長(zhǎng)速度較快，當(dāng)初始干密度超過(guò)最大干密度繼續(xù)增大時(shí)，回彈模量增長(zhǎng)速度變緩；在同一初始干密度下，當(dāng)天然砂礫摻量從0增至30%時(shí)，回彈模量的增長(zhǎng)幅度較小，當(dāng)天然砂礫摻量超過(guò)30%而繼續(xù)增長(zhǎng)時(shí)，回彈模量增長(zhǎng)幅度較大；初始干密度由1.6 g·cm-3增長(zhǎng)至2.0 g·cm-3時(shí)，回彈模量增長(zhǎng)值隨天然砂礫摻量的增加而逐漸增大。分別建立了回彈模量隨初始干密度及天然砂礫摻量變化的預(yù)估模型，通過(guò)補(bǔ)充試驗(yàn)，驗(yàn)證了預(yù)估模型的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：紅粘土；天然砂礫；初始干密度；回彈模量；預(yù)估模型

中圖分類號(hào)：TU411.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-4764（2016）03-0021-07

Abstract：The gravel soil red clay was used to in resilient modulus test under the condition of different initial dry density and the the resilient modulus variation was studied. The prediction model of resilient modulus was established. The test results show that：（1） With the same gravel soil content， when the initial dry density increases，the resilient modulus of red clay increases. When the initial dry density increases from low to maximum dry density， resilient modulus grow faster and when the initial dry density increased after exceeding the maximum dry density， esilient modulus grow slower ；（2） With the same initial dry density， when the gravel content increases from 0 to 30%， the growth rate of resilient modulus is lower and when the gravel content continues to grow， the growth rate of resilient modulus is greater；（3） When the initial dry density increases from 1.6 g·cm-3 to 2.0 g·cm-3， resilient modulus growth values gradually increases with increasing content of gravel soil；（4） The prediction model of resilient modulus was established the and the accuracy of the prediction model was ，verified.

Keywords：red clay；gravel soil；initial dry density； resilient modulus； prediction model

紅粘土主要由碳酸鹽類巖石經(jīng)紅土化作用而形成，在中國(guó)貴州、廣西、湖北等亞熱帶地區(qū)廣泛分布[1]，是一種具有高液限、高天然含水率、多裂隙性、低壓縮性的特殊粘土，由于其路用性能較差，作為路基填料時(shí)，須進(jìn)行必要的改良處理[2]。

對(duì)紅粘土的改良處理，目前有3類方法：物理方法、化學(xué)方法、物理化學(xué)綜合方法。物理方法主要是通過(guò)摻加碎石、砂礫等材料改善紅粘土的級(jí)配，增加粗骨料的含量。莫百金等[3]在紅粘土中摻入砂礫，進(jìn)行了物理力學(xué)指標(biāo)測(cè)試，得出了最佳砂礫摻量。趙雄等[4]、崔德山[5]提出采用土壤改性劑，使水膜減薄，強(qiáng)度增大，穩(wěn)定性增強(qiáng)。Media等[6]采用磷酸對(duì)紅粘土進(jìn)行了處理；Katz等[7]采用液體離子穩(wěn)定劑，取得了良好的效果。

路基的回彈模量指路基填料在荷載作用下應(yīng)力與回彈應(yīng)變的比值，是表征路基承載能力的參數(shù)之一，路基回彈模量的取值對(duì)路面結(jié)構(gòu)層厚度的計(jì)算有較大的影響；初始干密度（壓實(shí)度）是衡量路基土壓實(shí)質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一，大量工程實(shí)例表明：初始干密度是影響路基回彈模量大小的重要因素，不同的初始干密度下，路基的回彈模量往往會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，而在路基實(shí)際碾壓時(shí)，路基壓實(shí)后的干密度往往不等于最大干密度，因而研究不同初始干密度下路基回彈模量的大小，對(duì)于路基承載能力的確定以及路面的結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。

目前，專家學(xué)者對(duì)于不同初始干密度下紅粘土回彈模量的變化規(guī)律進(jìn)行了大量的研究：段丹軍[8]對(duì)影響山西紅粘土回彈模量的因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)回彈模量隨著初始干密度的增大而呈冪函數(shù)的形式逐漸增長(zhǎng)；劉燕燕等[9]發(fā)現(xiàn)紅粘土的回彈模量與初始干密度間符合良好的二次函數(shù)關(guān)系；武明等[10]對(duì)云南非飽和紅粘土進(jìn)行了一系列的研究后發(fā)現(xiàn)，隨著初始干密度的增加，回彈模量逐漸增大，但當(dāng)初始干密度超過(guò)最大干密度而繼續(xù)增加時(shí)，回彈模量的增長(zhǎng)幅度逐漸減小。以上研究大多僅是針對(duì)未經(jīng)改良的紅粘土而言的，對(duì)改良后紅粘土的回彈模量隨初始干密度的變化規(guī)律研究得相對(duì)較少。

鑒于以上問(wèn)題，本文結(jié)合湖北宜昌三峽機(jī)場(chǎng)路改造工程中所遇到的高液限紅粘土路基問(wèn)題，采用當(dāng)?shù)貜V泛分布的天然砂礫對(duì)紅粘土進(jìn)行改良。根據(jù)前期的研究發(fā)現(xiàn)：摻天然砂礫在能有效降低紅粘土的液限、塑性指數(shù)及各項(xiàng)脹縮指標(biāo)的同時(shí)，還能顯著提高強(qiáng)度指標(biāo)，改良后紅粘土的各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到路用標(biāo)準(zhǔn)。在此研究基礎(chǔ)之上，通過(guò)改變?cè)囼?yàn)時(shí)的初始干密度，深入分析了天然砂礫改良紅粘土的回彈模量隨初始干密度的變化規(guī)律，建立了回彈模量隨初始干密度及天然砂礫摻量變化的預(yù)估模型，為天然砂礫改良紅粘土路基施工提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)材料

1.1 紅粘土

試驗(yàn)用土取自湖北宜昌三峽機(jī)場(chǎng)路改造工程K2+420段，呈棕紅色，天然含水率較高，干燥時(shí)裂隙發(fā)育，土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

2 試驗(yàn)方案

2.1 不同初始干密度及不同天然砂礫摻量下的回

彈模量試驗(yàn)

天然砂礫摻量（所摻天然砂礫質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比）分別為：0、10%、20%、30%、40%、50%，參照重型擊實(shí)的試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表3），不同天然砂礫摻量下的初始干密度分別控制為：1.6、1.7、18、1.9、2.0 g·cm-3。依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）規(guī)定的相關(guān)試驗(yàn)步驟進(jìn)行試驗(yàn)[6]，回彈模量采用南土公司生產(chǎn)的HW—1型回彈模量測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定（見(jiàn)圖2），試樣采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)靜壓成型，試驗(yàn)時(shí)采用5級(jí)加載，單位壓應(yīng)力分別為25、50、100、150、200 kPa。每組制備3個(gè)平行試驗(yàn)，初始干密度誤差控制在±0.5%以內(nèi)，每個(gè)平行試驗(yàn)結(jié)果與均值回彈模量相差控制在±5%以內(nèi)。

從以上圖表中可以看出：

1）初始干密度對(duì)天然砂礫改良紅粘土的回彈模量具有較大的影響，在同一天然砂礫摻量下，隨著初始干密度的增加，紅粘土的回彈模量也在逐漸增大，當(dāng)初始干密度從1.6 g·cm-3增長(zhǎng)至2.0 g·cm-3時(shí)，回彈模量的增長(zhǎng)幅度均超過(guò)了60%。

2）當(dāng)初始干密度由1.6 g·cm-3向最大干密度逐漸增長(zhǎng)時(shí)，回彈模量增長(zhǎng)幅度逐漸增大，但當(dāng)初始干密度超過(guò)最大干密度后，回彈模量的增長(zhǎng)幅度逐漸減小。以30%的天然砂礫摻量（最大干密度1808 g·cm-3）為例，在初始干密度由1.6 g·cm-3增長(zhǎng)至2.0 g·cm-3的過(guò)程中，初始干密度每增長(zhǎng)0.1 g·cm-3，回彈模量分別增長(zhǎng)了10.17 MPa、13.22 MPa、10.56 MPa、6.18 MPa。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：隨著初始干密度的逐漸增大，天然砂礫與紅粘土顆粒間的間距逐漸減小，顆粒間的相互摩擦及嵌擠作用逐漸增強(qiáng)[9]，因此，回彈模量逐漸增大；當(dāng)初始干密度過(guò)大時(shí)，天然砂礫中的部分顆粒在高壓作用下發(fā)生破碎，土體內(nèi)部顆粒的定向排列發(fā)生改變[11]，導(dǎo)致天然砂礫所起到的支撐作用逐漸減小，因此，回彈模量的增長(zhǎng)幅度逐漸放緩。這一現(xiàn)象表明：在路基土碾壓過(guò)程中，欠壓往往達(dá)不到設(shè)計(jì)回彈模量值，而過(guò)壓雖可以提高路基的回彈模量，但應(yīng)結(jié)合經(jīng)濟(jì)、工期等因素進(jìn)行綜合考慮[12]。

3.2 天然砂礫摻量對(duì)回彈模量的影響

為分析回彈模量隨天然砂礫摻量的變化規(guī)律，根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，繪制在同一初始干密度下，回彈模量隨天然砂礫摻量的變化曲線，見(jiàn)圖4。

1）摻天然砂礫改良對(duì)提高紅粘土的回彈模量效果較好，在同一初始干密度下，隨著天然砂礫摻量的增加，紅粘土的回彈模量逐漸增大，當(dāng)天然砂礫摻量由0增長(zhǎng)至50%時(shí)，回彈模量的增長(zhǎng)幅度均超過(guò)了60%。

2）當(dāng)天然砂礫摻量從0增大至30%時(shí)，回彈模量增長(zhǎng)幅度較小，當(dāng)天然砂礫摻量超過(guò)30%而繼續(xù)增大時(shí)，回彈模量增長(zhǎng)較為迅速，如在1.8 g·cm-3的初始干密度下，天然砂礫摻量從30%增至50%時(shí)，回彈模量的增長(zhǎng)幅度占到了總增長(zhǎng)幅度的68%。產(chǎn)生上述現(xiàn)象是的原因：一方面天然砂礫顆粒的強(qiáng)度較大，摻入后在土體中形成骨架，增強(qiáng)了土體恢復(fù)變形的能力；另一方面，由于天然砂礫顆粒自身的摩阻力較大，兩種土顆粒相互混和后，可大幅度提高顆粒間的咬合力，抑制土體的變形，因此，摻入天然砂礫后，回彈模量的提高較為顯著，當(dāng)摻入天然砂礫較少時(shí)，土體中的支撐骨架還未完全成型，顆粒間的摩阻較小，回彈模量增長(zhǎng)速度較緩，而當(dāng)天然砂礫摻量達(dá)到30%時(shí)，支撐骨架已初步成型，此時(shí)再繼續(xù)提高摻量，可大幅增加顆粒間的摩阻力，因此，回彈模量增長(zhǎng)速度較快[13]。

當(dāng)初始干密度由1.6 g·cm-3增長(zhǎng)至2.0 g·cm-3時(shí)，改良土的回彈模量增長(zhǎng)值隨天然砂礫摻量的增加而逐漸增大，其中，天然砂礫摻量由0增長(zhǎng)值30%時(shí)，回彈模量增長(zhǎng)值的增長(zhǎng)幅度較慢，當(dāng)天然砂礫摻量超過(guò)30%后，回彈模量增長(zhǎng)值快速增長(zhǎng)。這是因?yàn)樘烊簧暗[摻量越大時(shí)，土體中形成的支撐骨架越完整，此時(shí)再增加土體的初始干密度，會(huì)迅速激發(fā)骨架的支撐作用，同時(shí)也會(huì)使得顆粒間的摩阻力迅速增強(qiáng)，當(dāng)摻入天然砂礫較少時(shí)，土體中的支撐骨架還未完全成型，回彈模量的增長(zhǎng)大多是依賴于摩阻力的增大，當(dāng)摻量超過(guò)30%后，支撐骨架基本成型，此時(shí)增大初始干密度，回彈模量的增長(zhǎng)量開(kāi)始顯著增長(zhǎng)[14]。

4 預(yù)估模型的建立

4.1 回彈模量隨初始干密度變化的預(yù)估模型

在同一天然砂礫摻量下，對(duì)回彈模量E和初始干密度ρ二者進(jìn)行擬合分析，其結(jié)果見(jiàn)圖6。

4.2 回彈模量隨天然砂礫摻量變化的預(yù)估模型

在同一初始干密度下，對(duì)回彈模量E與天然砂礫摻量λ二者進(jìn)行擬合分析，其結(jié)果見(jiàn)圖7。

可見(jiàn)，在同一天然砂礫摻量下，補(bǔ)充的驗(yàn)證性試驗(yàn)依舊可用對(duì)數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，相關(guān)性較高，且該對(duì)數(shù)函數(shù)在形式上與模型1保持一致，因此，模型1具有較強(qiáng)的代表性，可用來(lái)對(duì)不同初始干密度下的回彈模量進(jìn)行預(yù)估。

5.2 回彈模量預(yù)估模型2的驗(yàn)證

規(guī)定相對(duì)誤差δ=模型2Ⅰ算值—Ⅱ算值模型Ⅰ算值，則不同初始干密度及不同天然砂礫摻量下的相對(duì)誤差δ的取值見(jiàn)表9。

可以看出：所建立預(yù)估模型的計(jì)算值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差較小，均控制在4%以內(nèi)，因此，該模型具有較高的精確性。當(dāng)初始干密度較小或是較大時(shí)，相對(duì)誤差較大，而當(dāng)初始干密度接近最大干密度時(shí)，相對(duì)誤差較小。這是因?yàn)楫?dāng)初始干密度較小時(shí)，在制樣過(guò)程中土樣內(nèi)部未完全壓實(shí)，孔隙分布不均勻，當(dāng)初始干密度過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致天然砂礫顆粒在高壓作用下發(fā)生破裂，顆粒間的定向排列被打亂[15]，因此初始干密度過(guò)小或過(guò)大均會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果離散性的增大，最終造成相對(duì)誤差較大。故在天然砂礫改良紅粘土路基碾壓時(shí)，應(yīng)將干密度控制在最大干密度附近，即要保證碾壓時(shí)的壓實(shí)度。

6 案例分析

湖北省宜昌市三峽機(jī)場(chǎng)路，在施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)從K1+880～K2+420段存在大量的紅粘土，采用天然砂礫來(lái)改良了紅粘土。

依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)得出的參數(shù)，考慮經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，摻砂量取30%，初始干密度取1.80 g·cm-3，按這些參數(shù)進(jìn)行拌和、攤鋪、碾壓成型，在竣工后7天，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的回彈模量檢測(cè)。采用工地現(xiàn)場(chǎng)承載板法檢測(cè)施工后的路基回彈模量。取一塊剛性承載板，厚度大約20 mm，直徑大約30 cm，采用千斤頂逐級(jí)施加荷載。每隔40 m為一個(gè)檢測(cè)樁號(hào)，檢測(cè)結(jié)果如表10所示。

表10的檢測(cè)結(jié)果可看出，當(dāng)摻砂比例為30%，初始干密度為1.80g·cm-3時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)回彈模量值基本與室內(nèi)試驗(yàn)得到的結(jié)果87.55kPa相吻合。其中，現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)最大值為88.21kPa，與室內(nèi)試驗(yàn)的相對(duì)誤差為（88.21-87.55）/87.55=0.75%；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最小值為86.45kPa，與室內(nèi)試驗(yàn)的相對(duì)誤差為（87.55-86.45）/87.55=1.26%.

7結(jié)論

1）在相同天然砂礫摻量下，紅粘土的回彈模量隨著初始干密度的增加而逐漸增大，但當(dāng)初始干密度超過(guò)最大干密度而繼續(xù)增長(zhǎng)時(shí)，回彈模量的增長(zhǎng)幅度逐漸減小。

2）在同一初始干密度下，隨著天然砂礫摻量的增加，紅粘土的回彈模量逐漸增大，當(dāng)天然砂礫摻量從0增長(zhǎng)至30%時(shí)，回彈模量增長(zhǎng)幅度較小，當(dāng)天然砂礫摻量超過(guò)30%而繼續(xù)增長(zhǎng)時(shí)，回彈模量增長(zhǎng)幅度較大。

3）回彈模量增長(zhǎng)值隨著天然砂礫摻量的增加而逐漸增大，其中，當(dāng)天然砂礫摻量超過(guò)30%后，回彈模量增長(zhǎng)值快速增長(zhǎng)。

4）建立了回彈模量隨初始干密度變化的預(yù)估模型，該模型具有較強(qiáng)的代表性；建立了回彈模量隨天然砂礫摻量變化的預(yù)估模型，該模型精確性較高，相對(duì)誤差均能控制在4%以內(nèi)，初始干密度過(guò)小或過(guò)大均會(huì)造成該模型相對(duì)誤差的增大。

參考文獻(xiàn)：

[1]周遠(yuǎn)忠，劉新榮，張梁，等.紅粘土微觀結(jié)構(gòu)模型及其工程力學(xué)效應(yīng)分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2012，8（4）：726-731.

ZHOUYZ，LIUXR，ZHANGL，etal.Studyofmicro-structuremodelofredclayanditsengineeringmechanicaleffect[J].ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineering，2012，8（4）：726-731.（inChinese）

[2]方薇，劉曉紅.紅粘土路塹高邊坡加固效果的數(shù)值模擬[J].公路交通科技，2012，29（3）：22-28.

FANGW，LIUXH.Numericalsimulationofreinforcementeffectofhighredclaycuttingslope[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment，2012，29（3）：22-28.（inChinese）

[3]莫百金，李躍軍.砂礫改良高液限紅粘土的試驗(yàn)研究[J].公路，2009（8）：226-229.

MOBJ，LIYJ.Experimentalresearchofgravelimprovedhighliquidredclay[J].Highway，2009（8）：226-229.（inChinese）

[4]趙雄.化學(xué)溶蝕作用下紅粘土微細(xì)結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律[J].交通科學(xué)與工程，2015，31（3）：33-38.

ZHAOX.Thevariationofthefinestructureofredclayunderchemicalcorrosion[J].TransportationScience&Engineering;，2015，31（3）：33-38.（inChinese）

[5]崔德山，項(xiàng)偉，陳瓊等.真空冷凍干燥和烘干對(duì)滑帶土孔隙特征的影響試驗(yàn)[J].地球科學(xué)——中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，39（10）：1531-1537.

CUIDS，XIANGW，CHENGQ，etal.Porecharacteristicsofslidingzonesoilsofhuangtupolandslidebyvacuumfreeze-driedanddriedmethods[J].JournalofChinaUniversityofGeosciences，2014，39（10）：1531-1537.（inChinese）

[6]MEDINAJ，GUIDAHN.Stabilizationoflateriticsoilswithphosphoricacid[J].Geotechnical&GeologicalEngineering;，2014，32（4）：199-216.

[7]KATZLE，RAUCHAF，LILJESTRANDHM，etal.Mechanismofsoilstabilizationwithliquidionicstabilizer[J].TransportationResearchRecord：JournaloftheTransportationResearchBoard，2013，145（1）：50-57.

[8]段丹軍.山西省黃土回彈模量影響因素的試驗(yàn)分析[J].公路，2014（3）：139-144.

DUANDJ.TestandanalysisofinfluencefactorsforresilientmodulusoflossinShanxiProvince[J].Highway，2014（3）：139-144.（inChinese）

[9]劉燕燕，李建軍，黃中文.不同壓實(shí)度條件下高液限紅粘土工程性質(zhì)研究[J].中外公路，2011，31（6）：73-76.

LIUYY，LIJJ，HUANGZW.Theengineeringcharacteristicresearchonhighliquidclayundertheconditionofdifferentcompactiondegree[J].China&ForeignHighway;，2011，31（6）：73-76.（inChinese）

[10]武明，陳正漢，姚志華，等.云南飽和紅粘土的強(qiáng)度和變形特征研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2013，9（6）：1257-1265.

WUM，CHENZH，YAOZH，etal.OnstrengthanddeformationofYunanunsaturatedredclay[J].ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineering.2013，9（6）：1257-1265.（inChinese）

[11]汪華軍，許文強(qiáng).紅粘土土水特征曲線的試驗(yàn)測(cè)試及模型參數(shù)研究[J].土工基礎(chǔ)，2013，27（4）：125-127.

WANGHJ，XUWQ.Developmentofthemoisturecharacteristiccurvesofredclayanditsmodeltesting[J].SoilEngineeringandFoundation，2013，27（4）：125-127.（inChinese）

[12]萬(wàn)智，任毅，秦敏，等.改性紅粘土的擊實(shí)特性試驗(yàn)研究[J].公路工程，2013，38（2）：6-11.

WANZ，RENY，QINM，etal.Studyoncompactioncharacteristicsofartificiallyimprovedlateriticsoil[J].HighwayEngineering，2013，38（2）：6-11.（inChinese）

[13]王桂堯，付強(qiáng)，吳勝軍.降雨條件下紅粘土路基水分運(yùn)移數(shù)值分析[J].中外公路，2011，31（3）：16-21.

WANGGY，F(xiàn)UQ，WUSJ.Thenumericalanalysisofredclaysubgrademoisturemigrationundertheconditionofrainfall[J].China&ForeignHighway;，2011，31（3）：16-21.（inChinese）

[14]王中文，洪寶寧，劉鑫等.紅粘土抗剪強(qiáng)度的水敏性研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2011，43（1）：17-22.

WANGZW，HONGBN，LIUX，etal.Thewatersensitivitystudyofshearstrengthofredclay[J].JournalofSichuanUniversity（EngineeringEdition），2011，43（1）：17-22.（inChinese）

[15]屈曉化，任毅，秦敏.擊實(shí)紅粘土的強(qiáng)度特征試驗(yàn)研究[J].湖南交通科技，2013，39（2）：5-8.

QUXH，RENY，QINM.Experimentalstudythecompactionstrengthcharacteristicsofredclay[J].HunanCommunicationScienceandTechnology，2013，39（2）：5-8.（inChinese）

（編輯胡玲）