石灰改良膨脹土工程主要特性試驗研究-以廣西南寧地區(qū)膨脹土路堤為例

王小芳, 程謙恭, 李 俊,3, 劉文方

(1.四川理工學院土木工程學院, 四川 自貢 643000; 2.西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院, 成都 610031;3.橋梁無損檢測與工程計算四川省高校重點實驗室, 四川 自貢 643000)

引 言

膨脹土路堤在降雨過程中遭浸泡后，土體產(chǎn)生體積膨脹，在表層出現(xiàn)一定厚度的蓬松層。在干燥季節(jié)，土體表層出現(xiàn)大量裂隙，當雨水通過裂隙滲入土體內(nèi)部后，使土體膨脹濕軟，造成路堤承載能力的喪失。石灰改良膨脹土路堤是指經(jīng)石灰處治的非飽和土，其漲縮性、裂隙性和超固結(jié)性遠遠低于膨脹土路堤[1-4]。由于石灰改良膨脹土路堤具有以上優(yōu)點，已被廣泛應用于修建鐵路和高速公路路堤[5-9]。雖然有研究發(fā)現(xiàn)石灰改良膨脹土的工程特性和力學強度指標較未摻加石灰改良的膨脹土有較大幅度的提高，但是在反復的干濕循環(huán)作用下，其改良效果有所下降[10-12]。崔偉等人就干濕循環(huán)對石灰改良粘質(zhì)土膨脹特性的影響進行研究，對高嶺石膨脹土的混合物以及具有高塑性粘土的土樣進行膨脹潛勢和膨脹力的測試試驗，并對添加了石灰的改良土樣經(jīng)過不同制備后進行同樣的試驗，發(fā)現(xiàn)在遭受干濕循環(huán)的作用后，石灰穩(wěn)定膨脹土喪失了控制膨脹潛勢的有利效果[13-16]。Rao S.M等人也發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)條件下，石灰改良土樣喪失了部分有用的改良效果，在浸水壓力作用下發(fā)生顯著的崩塌[17-20]。

如何定性分析多次干濕循環(huán)作用下石灰改良膨脹土的工程主要特性是急需解決的重大工程問題。本文試以廣西南寧鐵路樞紐動車運用所的石灰改良膨脹土路堤為研究對象，以室內(nèi)離心模型試驗為研究手段，設(shè)計離心機加載過程中的降雨—加熱系統(tǒng)，通過三次干濕循環(huán)試驗，研究多次干濕循環(huán)作用下石灰改良膨脹土的的土壓力、含水率、吸力及溫度等工程主要特性變化，分析影響石灰改良膨脹土路堤長期穩(wěn)定性的因素，這對石灰改良膨脹土的工程應用具有重要價值。

1 試驗材料和方法

模型土樣取自南寧屯里動車運用所的鐵路路塹邊坡上，土樣與現(xiàn)場路堤土樣一致。土樣呈灰綠色、灰黃或棕紅色，呈塊狀，內(nèi)部摻雜有少量黑色結(jié)核。取土斷面下部土層中夾雜厚度約為10 cm的黑色煤炭夾層。土體表面發(fā)育有密集的網(wǎng)狀裂隙。土體在干燥狀態(tài)下較堅硬，遇水迅速軟化。室內(nèi)離心模型僅填筑半幅路堤，模擬原型半幅路堤內(nèi)相關(guān)特性的變化情況。原型半幅路堤尺寸為：長30 m×寬1 m×高12 m。根據(jù)模型箱的尺寸(長0.8 m×寬0.7 m×高0.7 m)和原型的模擬條件，模型相似比尺確定為1∶40。路堤地基土層厚度為10 cm，長度為76.5 cm，路堤填筑高度為30 cm，按1∶1.75放坡，路堤頂面寬度為24 cm。

取回的土料摻入5%石灰改良后，填筑模型路堤、進行離心模型試驗。在制模過程中以原型路堤(即南寧鐵路樞紐動車運用所膨脹土路堤)的填筑要求來控制模型填筑。離心模型試驗的相似比尺N=40。模型的填料采用從工程施工現(xiàn)場運回的原地膨脹土，由于試驗土料的顆粒較小，故不考慮粒徑對試驗的影響。離心模型試驗構(gòu)造圖如圖1所示，其中圖1(a)為離心機和路堤模型箱的平面圖，圖1(b)為路堤模型箱降雨器裝置，圖1(c)為帶溫控的硅膠加熱裝置。圖1(b)和圖1(c)組成的降雨-蒸發(fā)系統(tǒng)可模擬反復干濕循環(huán)條件。

圖1 離心模型試驗構(gòu)造圖

模型箱監(jiān)測儀器布置圖如圖2所示，其中圖2(a)為剖面圖，圖2(b)為平面圖。模型箱監(jiān)測儀器主要用于實時監(jiān)測模型工程主要特性變化過程，如土壓力、含水率、吸力和溫度等的演化規(guī)律。模型削坡完成后進行監(jiān)測儀器埋設(shè)。各類儀器的埋設(shè)位置見圖2(b)，其中TP1～TP6為土壓力盒編號，XP1～XP3為水勢傳感器編號，TT1～TT2為含水率傳感器編號。儀器埋設(shè)步驟如下所述：(1)土壓力盒埋設(shè)：當路堤填筑至埋設(shè)位置以上兩層土體后，再回挖至目標位置進行土壓力盒埋設(shè)。(2)含水率探頭和水勢傳感器探頭埋設(shè)：在模型路堤填筑完畢后，再開挖溝槽到埋設(shè)層，埋設(shè)含水率探頭和水勢傳感器探頭，然后回填壓實至路堤高度。由于含水率探頭較薄，且水勢傳感器探頭的陶瓷頭較易碎，在埋設(shè)過程中應進行適當保護。

注：TP1～TP6為土壓力盒編號，XP1～XP3為水勢傳感器編號，TT1～TT2為含水率傳感器編號
圖2 模型箱監(jiān)測儀器布置圖

現(xiàn)場監(jiān)測石灰改良膨脹土路堤的固結(jié)時間約為1個月，根據(jù)離心機固結(jié)相似比尺，可計算出模型在離心試驗中的固結(jié)時間為30 min。根據(jù)實際固結(jié)數(shù)據(jù)，分梯度設(shè)計了三次干濕循環(huán)試驗，其中每次離心試驗蒸發(fā)-降雨作用下固結(jié)時間分別為實際固結(jié)時間的2.6、2.7和3倍。以上設(shè)計確保三次干濕循環(huán)試驗作用下土體能夠充分固結(jié)，使試驗具有代表性，得到的實驗結(jié)果能代表多次干濕循環(huán)條件下的工程主要特性。本次離心模型試驗中，第一次干濕循環(huán)加熱30 min、降雨入滲60 min，相當于原型以1.95 mm/d的蒸發(fā)強度(以下同)連續(xù)蒸發(fā)11.3天后，以24.08 mm/d的降雨強度(以下同)連續(xù)降雨66.6天。第二次干濕循環(huán)加熱40 min、降雨入滲60 min，相當于原型連續(xù)蒸發(fā)15天后，連續(xù)降雨66.6天。第三次干濕循環(huán)加熱60 min，降雨60 min，相當于原型連續(xù)蒸發(fā)22.5天后，連續(xù)降雨66.6天。

2 工程主要特性試驗結(jié)果分析

2.1 路堤邊坡表面的變化

第一次干濕循環(huán)后，坡面并沒有出現(xiàn)明顯變形。第二次蒸發(fā)結(jié)束時，出現(xiàn)土體與有機玻璃脫離的現(xiàn)象，且在坡面上出現(xiàn)了較少的細小裂縫。第二次降雨后，裂縫消失。第三次蒸發(fā)結(jié)束后，坡面出現(xiàn)了貫通性較好的長裂縫，但開口寬度較小。由此說明經(jīng)過三次干濕循環(huán)后，路堤邊坡并沒有發(fā)生明顯變形損壞。

2.2 土壓力的變化

三次干濕循環(huán)中，不同深度土壓力時程曲線如圖3所示。

圖3 不同深度土壓力時程曲線

從圖3可知，土壓力在加熱蒸發(fā)階段隨時間降低，在降雨入滲階段隨時間增大，且兩階段的變化速率均先快后慢。蒸發(fā)階段土壓力的降低主要是由蒸發(fā)導致改良土含水率減小和濕密度降低所致；降雨入滲階段土壓力的增大主要是由雨水滲入使改良土含水率增加、濕密度增大引起，同時雨水入滲導致膨脹土產(chǎn)生的膨脹力也使土壓力增大。土壓力的平均變化速率隨著深度的增加而降低，這說明大氣對石灰改良膨脹土路堤的影響具有局限性，測點越靠近路堤表面，受大氣影響越劇烈。經(jīng)三次干濕循環(huán)后，土壓力在埋深5 cm處僅增大19.2 kPa，變幅值處較10 cm和15 cm處兩個深度小，其原因主要是該處的土體離表面較近，受氣候改變影響最大，降雨滲入的水在加熱條件下容易被蒸發(fā)，又因土體厚度較小，膨脹力較小，故其土壓力變化幅度不大；10 cm處土壓力增大38.9 kPa，增幅為最大，其主要原因是雨水進入土體內(nèi)部后，在蒸發(fā)階段不能完全被蒸發(fā)，導致坡體的濕密度和土體重度增大，且雨水進入土體導致其膨脹力增大。15 cm處土壓力的增幅為36.4 kPa，增幅大于5 cm處而小于10 cm，這是由于該處的土體受大氣影響較前其他兩處小，膨脹力影響小，但又因有一定雨水滲入且不易被蒸發(fā)而使得其濕密度和土體重度增加。

2.3 吸力的變化

三次干濕循環(huán)中，不同深度處吸力隨時間變化曲線如圖4所示。

圖4 不同深度吸力時程曲線

從圖4可知，吸力在蒸發(fā)條件下隨時間而增加，在降雨條件下隨時間而降低。三個深度處吸力的起始值相差不大，這說明試驗前路堤內(nèi)部含水率分布較為均勻。無論是蒸發(fā)階段還是降雨階段，吸力變化幅度隨深度的增加而減小，5 cm處吸力的變化幅值和變化速率均比10 cm、20 cm處大，說明埋深越淺，受大氣影響越大。吸力平均變化速率在第三次干濕循環(huán)時發(fā)生驟降，說明石灰改良膨脹土的特性變化主要發(fā)生在前兩次干濕循環(huán)，而第三次干濕循環(huán)試驗后，土體強度趨于穩(wěn)定。上一次降雨結(jié)束到下一次蒸發(fā)開始時，5 cm處吸力均有所增加，而埋深10 cm、20 cm處吸力值卻降低，這主要是因為5 cm處受大氣影響較大，當停止降雨時，其土體開始蒸發(fā)，使含水率降低、吸力值增大，且由于降雨入滲具有滯后性，當停止降雨后，表層雨水繼續(xù)往路堤內(nèi)部滲入，使得10 cm、20 cm處的含水率繼續(xù)增大、吸力持續(xù)降低。第三次加熱蒸發(fā)試驗結(jié)束后，三個深度的吸力值均比試驗開始時小，這主要是在前兩次干濕循環(huán)過程中，滲入路堤中的雨水不能完全被蒸發(fā)出來，使得含水率增加所引起的。試驗結(jié)束后，三個深度處吸力值相差較大，20 cm處的吸力值最大，這是因為降雨入滲對其影響較小導致其吸力變化幅值較小，這說明外界條件對路堤內(nèi)部影響程度隨深度而減小。

2.4 含水率的變化

不同深度含水率隨時間變化曲線如圖5所示。

圖5 不同埋深含水率時程曲線

從圖5可知，含水率總是在蒸發(fā)階段隨時間而減少，降雨階段隨時間而增加。埋深5 cm處含水率時程曲線斜率均大于埋深10cm處，這說明隨著深度的增加，含水率變化速率降低。在降雨階段，兩個深度含水率的平均變化速率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化不一致。埋深5 cm處的含水率隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增加，而埋深10cm處的含水率隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小。在上一次降雨結(jié)束到下一次蒸發(fā)開始時，5 cm處含水率會迅速降低，而埋深10 cm處含水率卻先增大后再降低，這主要是因為停止降雨時，5 cm處水分繼續(xù)向下滲入，且受到外界環(huán)境的影響較大而使其土體蒸發(fā)，從而導致含水率降低，另一方面停止降雨后，表層雨水繼續(xù)往路堤內(nèi)部滲入，使得埋深10 cm處含水率會繼續(xù)增大。

2.5 溫度的變化

不同深度處溫度隨干濕循環(huán)變化曲線如圖6所示。

圖6 不同深度溫度時程曲線

從圖6可知，路堤內(nèi)部各處的溫度變化趨勢一致，均是在加熱蒸發(fā)階段升高，自然蒸發(fā)階段降低。溫度在降雨階段的變化幅度較小，說明降雨對其影響較小。三次加熱蒸發(fā)過程中，溫度隨深度減小，最大溫度均出現(xiàn)在埋深5 cm處。進入自然蒸發(fā)階段，5 cm處溫度會立即降低，這說明此處土體受外界影響較大，能較直接反應外界氣象條件的變化；而10 cm和20 cm處的溫度均先有所增加后才慢慢降低，20 cm處溫度上升時間較10 cm處長，這是由于在土體內(nèi)部存在溫度梯度，高溫會向低溫傳遞，因此出現(xiàn)加熱停止后，這兩處溫度仍在一定時間內(nèi)出現(xiàn)繼續(xù)升高的現(xiàn)象。

2.6 吸力與含水率的關(guān)系分析

吸力與土體持水能力相關(guān)，進而影響土體強度和變形。吸力與含水率的關(guān)系即土水特征曲線能反映非飽和土儲水能力，對其進行分析對非飽和土工程特性的研究極為重要。

在距路堤表面5 cm和10 cm處分別埋設(shè)了水勢傳感器探頭和含水率探頭，對兩個測點的吸力和含水率進行監(jiān)測，得到吸力值和含水率值。以含水率為縱坐標、吸力為橫坐標來制作兩者的關(guān)系曲線，得到曲線圖如圖7、圖8所示，兩圖分別為埋深5 cm、10 cm處吸力與含水率的關(guān)系曲線。

圖7 埋深5 cm處吸力與含水率的關(guān)系曲線

圖8 埋深10 cm處吸力與水率關(guān)系曲線

從圖7-圖8可知，在各蒸發(fā)階段，吸力均隨含水率的降低而增加，變化速率先慢后快；在各降雨階段，吸力均隨含水率的升高而減小，變化速率先慢后快。無論在干濕循環(huán)的哪一個階段，吸力隨含水率的變化曲線都存在一個分界值，大于或小于這個分界值，曲線變化斜率發(fā)生變化。在一次完整的干濕循環(huán)試驗中，脫濕和吸濕階段形成的曲線不重合，表現(xiàn)為：相同的含水率對應不同的吸力；同一個吸力對應不同含水率，兩者之間出現(xiàn)了較大的滯回圈，其主要原因是當土體從吸濕過程中的某一點開始脫濕，或者從脫濕過程中的某一點開始吸濕時，石灰改良膨脹土含水率與吸力的關(guān)系曲線將從這一點開始發(fā)生變化，重新形成新的關(guān)系曲線。在干濕循環(huán)的各個階段形成的滯回圈大小不同，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加滯回圈逐漸減小，其主要原因是膨脹土的結(jié)構(gòu)排列隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加趨于穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

以南寧鐵路樞紐動車運用所的膨脹土高速鐵路路堤為研究對象，對氣候影響下石灰改良膨脹土路堤的工程特性進行研究。試驗以現(xiàn)場路堤填筑方法和工程處治技術(shù)為基礎(chǔ)，采用現(xiàn)場膨脹土為模擬材料，運用相似原理，設(shè)計和制作石灰改良膨脹土路堤室內(nèi)土工離心試驗模型，研究改良土路堤在蒸發(fā)-降雨形成的干濕循環(huán)條件下的工程特性，結(jié)論如下：

(1)第一次干濕循環(huán)后，坡面并沒有出現(xiàn)明顯變形；第二次蒸發(fā)結(jié)束時，出現(xiàn)土體與有機玻璃脫離的現(xiàn)象，且在坡面上出現(xiàn)了較少的細小裂縫。第二次降雨后，裂縫消失；第三次蒸發(fā)結(jié)束后，坡面出現(xiàn)了貫通性較好的長裂縫，但開口寬度較小，說明經(jīng)過三次干濕循環(huán)后，路堤邊坡并沒有發(fā)生明顯變形破壞。

(2)在三次干濕循環(huán)過程中，石灰改良膨脹土路堤的土壓力出現(xiàn)反復的增、減，在加熱蒸發(fā)階段隨時間減小，降雨入滲階段隨時間增大。

(3)石灰改良膨脹土路堤的吸力在加熱蒸發(fā)階段隨時間增大，在降雨入滲階段隨時間減小。同一深度的吸力變化幅度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小，說明在反復的干濕循環(huán)條件下膨脹土主要特性發(fā)生衰減。不同深度的吸力變化幅度隨深度的增加而減小。

(4)含水率在蒸發(fā)階段隨時間減少，降雨階段隨時間增加、漸近飽和。埋深越淺，含水率的變化幅度越大。5 cm處含水率的變化受大氣影響較大。受雨水入滲時效性和大氣影響有限性的影響，使得降雨開始前期，10 cm處含水率仍會繼續(xù)降低，直至浸潤線達到后，含水率才逐漸增大。第三次蒸發(fā)結(jié)束時，10 cm處的含水率較初始值大，說明在雨時滲入路堤內(nèi)部的雨水不會被完全蒸發(fā)。

(5)溫度在加熱蒸發(fā)階段變化較大，降雨對溫度的影響不大。不同深度的溫度在加熱蒸發(fā)階段迅速增大。而停止加熱后，10 cm、20 cm處的溫度先繼續(xù)增大后再開始下降。

(6)吸力在蒸發(fā)階段隨含水率的降低而增加，變化速率先慢后快；在降雨階段隨含水率的升高而減小，變化速率先慢后快。在一次完整的干濕循環(huán)試驗中，吸力與含水率的關(guān)系曲線在脫濕和吸濕階段不重合，表現(xiàn)為相同的含水率對應不同的吸力，同一個吸力對應不同含水率，兩者之間出現(xiàn)了較大的滯回圈。滯回圈大小在各階段不同，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小。