干濕循環(huán)條件下紅粘土的脹縮變形特性研究

趙雄飛，陳開圣

(貴州大學土木工程學院，貴州貴陽　550025)

干濕循環(huán)條件下紅粘土的脹縮變形特性研究

趙雄飛，陳開圣*

(貴州大學土木工程學院，貴州貴陽550025)

由于紅粘土具有高含水率、高塑性、高孔隙比等特殊的工程性質，特別是路基表面失水收縮產生了開裂，使得路基產生了一些病害。論文以六盤水內環(huán)快線紅黏土基填料為研究對象，對紅粘土進行干濕循環(huán)，測量干濕循環(huán)過程中紅粘土的脹縮變形和裂縫特性，揭示了干濕循環(huán)條件下紅粘土脹縮變形和裂縫的演變規(guī)律。

干濕循環(huán)；紅粘土；脹縮變形；裂縫特性

由于紅粘土具有高含水率、高塑性、高孔隙比等特殊的工程性質，隨著公路運營時間的延續(xù)，路基路面產生了病害。如遵線、貴畢線等還出現了大量的車轍，在調查中還發(fā)現大量的路面開裂，裂塊大小不等，裂縫形態(tài)不規(guī)則，最嚴重的裂縫是沉陷產生的縱向裂縫，長度達上百米，路面產生大面積沉陷，這主要是由于路基沉陷造成的。又如在省外紅粘土地區(qū)已建成的公路來看，不少地區(qū)都遇到了不同程度的紅粘土問題。如107國道湖南末陽段，普遍出現半剛性基層、面層及水泥路面的開裂、斷板和唧泥等早期病害。京珠高速公路湖南末陽至宜章段修建時，在宜章附近曾大量采用紅粘土填筑路堤，造成路堤表面嚴重的龜裂和網裂，裂塊大小不等，最寬可達5-6cm，深度可達26cm。造成路基路面開裂的根本原因在干濕循環(huán)作用紅粘土失水產生收縮。因此研究干濕循環(huán)作用下紅粘土脹縮變形對紅粘土地區(qū)公路建設具有一定的實際意義。

1　紅粘土的基本物理性質

本試驗所采用的土樣取自六盤水內環(huán)快線3標。土料特征為:棕紅色，較濕，土質均勻，結構較致密，有少量蟲孔及植物根莖孔洞存在，從顆粒組成上講以粉質粘土為主。依據公路土工試驗規(guī)程(JTG E40-2007)方法，土料基本物理指標見表1。

表1　紅粘土基本物理指標

2　試驗方案

(1)樣品制備:采用重型擊實試驗制備壓實度為90%，初始含水量分別為23%、33.5%、54%的試樣，試樣直徑150mm，高度120mm。

(2)設置鋼針:在試樣的水平面上和豎直方向上設置鋼針，每次干濕循環(huán)后測量鋼針水平方向和豎直方向的間距，以此來反映水平方向和豎直方向的脹縮變形。

(3)干濕循環(huán)試驗方法:干的過程:在105℃條件下，將樣品放入烘箱烘干(含水率小于1%)，濕的過程:計算出需要的加水量，采用注射器將水加到初始含水率。干濕循環(huán)試驗方法見圖1。

圖1　干濕循環(huán)試驗方法

(4)悶料:將樣品放入保濕缸中，燜料 24小時。

(5)計算分析:測量每次干循環(huán)+濕循環(huán)后樣品的高度，計算絕對脹縮率和相對脹縮率，并測量裂縫的條數、最大寬度和最大長度。

(6)這樣完成一次循環(huán)，以下依次類推完成5次循環(huán)。

3　試驗指標

為定量分析干濕循環(huán)過程中膨脹土的脹縮變形變化規(guī)律，采用絕對脹縮率和相對脹縮率的概念來描述試樣的脹縮程度。

(1)第i次循環(huán)試驗的絕對脹縮率rai。

式中:zi為第i次循環(huán)試驗試樣高度(mm)；z0為試樣初始高度或直徑(mm)。rai<0表示收縮，rai> 0表示膨脹。該值絕對值越大，表明脹縮量越大。

(2)第i次循環(huán)試驗的相對脹縮率ri。

式中:zi為第i次循環(huán)試驗試樣高度或直徑(mm)；zi-1為第i-1次循環(huán)試驗試樣高度或直徑(mm)。rri<0表示收縮，rri>0表示膨脹。該值絕對值越大，表明脹縮速度越大。

4　試驗結果

從圖2-圖5可知，無論是豎直方向還是水平方向，絕對脹縮率和相對脹縮率均為負值，表明紅粘土經過干濕循環(huán)后，試樣的收縮量大于膨脹量，試樣表現為收縮，且含水率越小，收縮量越大。試樣收縮表現為3個階段，第1階段:曲線較陡，發(fā)生在第1次循環(huán)前，試樣收縮速率增大；第2階段:曲線平緩，發(fā)生在第1次循環(huán)～ 第3次循環(huán)之間，收縮速率略有下降；第3階段:曲線較陡，發(fā)生在第3次循環(huán)～第5次循環(huán)之間，收縮速下降。

圖2　K=90%豎直方向絕對脹縮率與循環(huán)次數之間的關系

圖3　K=90%豎直方向相對脹縮率與循環(huán)次數之間的關系

圖4　K=90%水平方向絕對脹縮率與循環(huán)次數之間的關系

圖5　K=90%水平方向相對脹縮率與循環(huán)次數之間的關系

從圖6～圖8可知，水平方向的收縮量大于豎直方向的收縮量，且含水率越大，水平方向的收縮量與豎直方向的收縮量的差值越大。

圖6　K=90%，w=23%收縮量與循環(huán)次數之間的關系

圖7　K=90%，w=33.5%收縮量與循環(huán)次數之間的關系

圖8　K=90%，w=54%收縮量與循環(huán)次數之間的關系

從圖9～圖11可知，隨著循環(huán)次數的增加，裂縫條數、最大寬度和最大長度在第1次循環(huán)增加較快，然后增加緩慢，曲線比較平緩。試驗觀察到:第1次循環(huán)，土樣出現了幾條較大的裂縫，但沒有明顯的微裂縫，是由于第1次循環(huán)土體原有結構受到明顯的破壞；第2次循環(huán)，大裂縫逐漸減少，并且出現少量的微裂縫；第3次循環(huán)，沒有大裂縫，出現了大量的微裂縫。隨著干濕循環(huán)次數的增加，大裂縫減少，微裂縫發(fā)育，且多為均勻分布。

圖9　K=90%裂縫條數與循環(huán)次數之間的關系

圖10　K=90%裂縫最大寬度與循環(huán)次數之間的關系

圖11　K=90%裂縫最大長度與循環(huán)次數之間的關系

5　結論

(1)紅粘土經過干濕循環(huán)后，試樣的收縮量大于膨脹量，試樣表現為收縮，且含水率越小，收縮量越大。試樣收縮表現為3個階段，第1階段:曲線較陡，發(fā)生在第1次循環(huán)前，試樣收縮速率增大；第2階段:曲線平緩，發(fā)生在第1次循環(huán)～第3次循環(huán)之間，收縮速率略有下降；第3階段:曲線較陡，發(fā)生在第3次循環(huán)～第5次循環(huán)之間，收縮速下降。

(2)紅粘土經過干濕循環(huán)后，水平方向的收縮量大于豎直方向的收縮量，且含水率越大，水平方向的收縮量與豎直方向的收縮量的差值越大。

(3)隨著循環(huán)次數的增加，裂縫條數、最大寬度和最大長度在第1次循環(huán)增加較快，然后增加緩慢，曲線比較平緩。第1次循環(huán)，土樣出現了幾條較大的裂縫，但沒有明顯的微裂縫，是由于第1次循環(huán)土體原有結構受到明顯的破壞；第2次循環(huán)，大裂縫逐漸減少，并且出現少量的微裂縫；第3次循環(huán)，沒有大裂縫，出現了大量的微裂縫。隨著干濕循環(huán)次數的增加，大裂縫減少，微裂縫發(fā)育，且多為均勻分布。

[1]I公路土工試驗規(guī)程(JTG E40-2007).

[2]I吳勝軍.紅粘土路基水分運移規(guī)律試驗研究[D].長沙理工大學碩士學位論文，2010.4.

[3]I陶文平.南方紅粘土公路路基設計與修筑技術研究[D].長沙理工大學碩士學位論文，2010.4.

[4]I慕現杰，張小平.干濕循環(huán)條件下膨脹土力學性能試驗研究[J].巖土力學，2008，(28)增刊:580-582.

[5]I楊和平，張銳，鄭健龍.有荷條件下膨脹土的干濕循環(huán)脹縮變形及強度變化規(guī)律[J].巖土工程學報，2006，28(11):1936 -1941.

(責任編輯:王先桃)

Study on the Swell&Shrinking Deformation Characteristics of Red Clay under the Condition of Dry-wet Circulation

ZHAO Xiongfe CHEN Kaisheng*
(College of Civil Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China)

As red clay has special engineering properties such as high humidity，high plasticity；high void ratio，etc.，the water loss to the surface of roadbed may cause some damages to the roadbed.The red clay roadbed filler of Liupanshui City’s Inner Ring Expressway was taken as the research object，dry-wet circulation was carried out to investigate the swell-shrinking deformation and cracking characteristics of red clay during the circulation process.The evolution rules of the swell-shrinking deformation and cracking were revealed.

dry-wet circulation；red clay；swell-shrinking deformation；crack characteristics

U412.221

1000-5269(2016)01-0132-04DOI:10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.01.30

2016-02-20

國家自然科學基金項目(51368010)，貴州科技廳-貴州大學聯合資金項目(黔科合LH字[2014]7663)

趙雄飛(1989-)，在讀碩士，研究方向:市政工程，Email:1029102897＠qq.com.

陳開圣，Email:chen_kaisheng＠163.com.