凍融作用下生石灰處置過濕粘土動態(tài)回彈模量試驗研究

張文思,趙國君

(1.大眾卓越控股集團(tuán) 長春市 130000；2.吉林建筑大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院 長春市 130118)

動態(tài)回彈模量是路基土體抗變形能力的表征，《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30-2015)附錄A(路基土回彈模量標(biāo)準(zhǔn)試驗方法)和 附錄B(路基土動態(tài)回彈模量取值范圍)對路基設(shè)計指標(biāo)與試驗方法提出了新的要求，由于吉荒高速公路沿線可借鑒的生石灰處置過濕土的動態(tài)回彈模量的研究內(nèi)容尚處于空白，因此，使用DTS-30多功能氣壓伺服路面材料動態(tài)測試系統(tǒng)對5%和7%生石灰摻量條件下過濕粘土的動態(tài)回彈模量進(jìn)行試驗研究，分析不同應(yīng)力狀態(tài)、凍融作用、生石灰摻量以及含水率對生石灰處置過濕粘土路基動態(tài)回彈模量的影響規(guī)律，結(jié)合路基實際圍壓工作范圍，給出生石灰處置過濕粘土動態(tài)回彈模量建議值。

1 原材料試驗

按照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)對原材料進(jìn)行了相關(guān)基本物理性質(zhì)試驗，試驗結(jié)果表明：試驗用土液限為38.4%，塑限為21%，塑性指數(shù)為17.4%，依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》為粘土。土樣最佳含水率為14.8%，最大干密度為1.834g/cm3，土顆粒以粒徑小于0.075mm粉粒和粘粒為主，占總比例的97.7%。試驗使用的生石灰鈣鎂含量為70.5%，為鈣質(zhì)III級生石灰。

2 動態(tài)回彈模量試驗

2.1 試驗儀器

試驗采用多功能氣壓伺服路面材料動態(tài)測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)由DTS-30加載系統(tǒng)、CADS數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)和TestLab測試軟件組成。

2.2 試件制備

采用濕土法和二次摻灰的方法制備試件，即先在土中加入水，拌和后密封放置一夜使其均勻，第二天進(jìn)行第一次摻灰，燜料24h后進(jìn)行第二次摻灰，再燜料24h靜壓成圓柱形試件，試件的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為直徑10cm、高度20cm。在試件靜壓過程中，若試件含水率過高，土?xí)脑嚹Ｖ袛D出，此時試件無法滿足壓實度要求。經(jīng)過反復(fù)試驗，5%生石灰摻量時含水率上限為ωopt+6%，7%生石灰摻量時含水率上限為ωopt+8%。

2.3 試驗方案

試驗選取應(yīng)力狀態(tài)、生石灰摻量、含水率和凍融作用作為變量，探究生石灰處置過濕粘土動態(tài)回彈模量的演化規(guī)律。應(yīng)力狀態(tài)的選取參考羅志剛給出的路基細(xì)粒土試件加載序列，見表1；5%生石灰摻量試件的含水率分別為ωopt、ωopt+4%、ωopt+6%，7%生石灰摻量試件的含水率分別為ωopt、ωopt+4%、ωopt+6%、ωopt+8%，素土不考慮過濕狀態(tài),試件的壓實度為94%。試件在20℃溫度、95%濕度條件下養(yǎng)生7d，然后進(jìn)行7次凍融循環(huán)，每種工況進(jìn)行3個平行試驗。

試驗采用DTS-30加載重復(fù)循環(huán)半正矢脈沖荷載，施加荷載的頻率為1Hz，持續(xù)時間為0.8s，間歇時間為0.2s，每個序列的循環(huán)荷載加載100次，為避免加載初期試件變形不穩(wěn)定帶來的影響，取最后5次加載得到的應(yīng)力應(yīng)變平均值來計算動態(tài)回彈模量。三軸室壓力采用壓力傳感器進(jìn)行檢測，位移傳感器使用LVDT，試件垂直永久應(yīng)變上限為5%，超過5%應(yīng)立即停止試驗。

在正式進(jìn)行試驗之前對試件進(jìn)行預(yù)加載，加載次數(shù)為1000次。進(jìn)行預(yù)加載主要基于以下原因：模擬路基在施工時所處的應(yīng)力狀態(tài)；消除試件在初始加載階段不穩(wěn)定的影響，提高試驗精度。

表1 生石灰處置過濕粘土動態(tài)回彈模量試驗加載序列

2.4 試驗結(jié)果分析

試驗數(shù)據(jù)見表2、表3。

凍融作用下應(yīng)力狀態(tài)與動態(tài)回彈模量的關(guān)系以素土和生石灰摻量為5%條件下的ωopt、ωopt+6%處置土為例，如圖1、圖2、圖3。

2.4.1應(yīng)力狀態(tài)對動態(tài)回彈模量的影響

(1)動態(tài)回彈模量與圍壓的關(guān)系

整體上看，動態(tài)回彈模量隨著圍壓的增大而增大。由圖1(a)，素土的動態(tài)回彈模量趨勢線由下至上、由左到右越來越密，說明素土的動態(tài)回彈模量在低圍壓和低偏應(yīng)力條件下變化較大，隨著圍壓和偏應(yīng)力的增加，動態(tài)回彈模量受到的影響逐漸減小。生石灰處置過濕粘土在不同工況條件下，動態(tài)回彈模量受到不同圍壓和偏應(yīng)力的影響差異不大。

表2 素土和5%生石灰處置過濕粘土

表3 7%生石灰處置過濕粘土動態(tài)回彈模量(單位：MPa)

(2)動態(tài)回彈模量與偏應(yīng)力的關(guān)系

由圖1(a)所示，素土的動態(tài)回彈模量隨著偏應(yīng)力的增大而降低。凍融前，降低趨勢為線性降低；凍融后，隨著偏應(yīng)力的增大，降低趨勢逐漸減緩，說明低偏應(yīng)力對素土的動態(tài)回彈模量影響較大，偏應(yīng)力增大后，動態(tài)回彈模量受偏應(yīng)力的影響逐漸變小。生石灰處置土不論是凍融前還是凍融后，在最佳含水率條件下，動態(tài)回彈模量隨著偏應(yīng)力的增大緩慢增大；在過濕條件下，偏應(yīng)力對動態(tài)回彈模量的影響減弱很多,隨著偏應(yīng)力的增大呈現(xiàn)緩慢減小的趨勢，甚至還有所增加，是因為重復(fù)加載使試件的壓實度略有增加以及試驗時間較長導(dǎo)致的試件水分損失。

圖1 素土

圖2 生石灰5%，ωopt

圖3 生石灰5%，ωopt+6%

(3)動態(tài)回彈模量與體應(yīng)力的關(guān)系

體應(yīng)力是各項主應(yīng)力之和，即θ=σ1+σ2+σ3，而偏應(yīng)力σd=σ1-σ3，在動態(tài)回彈模量試驗中σ2=σ3，所以θ=σd+σ3+σ2+σ3=σd+3σ3，即體應(yīng)力在數(shù)值上等于偏應(yīng)力與3倍圍壓之和，所以體應(yīng)力對動態(tài)回彈模量的影響可以視作偏應(yīng)力與圍壓共同對動態(tài)模量的影響。在相同圍壓條件下，體應(yīng)力對動態(tài)回彈模量的影響與偏應(yīng)力對其的影響基本一致，此時由于圍壓為定值，所以體應(yīng)力對動態(tài)回彈模量的影響程度不如偏應(yīng)力。同理在相同偏應(yīng)力條件下，體應(yīng)力對動態(tài)回彈模量的影響與圍壓的影響一樣，但影響程度不如圍壓。試驗得到的動態(tài)模量與體應(yīng)力的關(guān)系圖，與上面得到的分析結(jié)果一樣，參考圍壓、偏應(yīng)力對動態(tài)回彈模量的影響，這里不再重復(fù)。

2.4.2凍融作用對動態(tài)回彈模量的影響

由上述分析可知動態(tài)回彈模量隨著圍壓的增大而增大，隨著偏應(yīng)力的增大而減小，據(jù)此選取最不利的應(yīng)力狀態(tài)，即σ1=120kPa、σ3=15kPa，以最不利應(yīng)力狀態(tài)下的動態(tài)回彈模量來探究凍融作用對其的影響，各個工況下動態(tài)回彈模量的凍融折減值見表4。

表4 最不利應(yīng)力狀態(tài)條件下動態(tài)回彈模量(單位：MPa)

由表4可知，素土的動態(tài)回彈模量折減為60.73%，遠(yuǎn)大于生石灰處置土的折減值。從總體上看，經(jīng)過凍融作用后5%生石灰摻量下的動態(tài)回彈模量比7%摻量對應(yīng)的模量低， 5%生石灰摻量下動態(tài)回彈模量的衰減程度比7%生石灰摻量下的衰減程度小，說明生石灰的摻入使得過濕粘土的抗凍性得到顯著改善，但過多的生石灰不利于提高過濕土的抗凍性。

2.4.3生石灰摻量對動態(tài)回彈模量的影響

總體上來看無論凍融前還是凍融后，最佳含水率條件下生石灰處置土的動態(tài)回彈模量與素土相比顯著增大。在含水率相同時，凍融前動態(tài)回彈模量隨生石灰摻量的增大而增大，凍融后5%和7%生石灰摻量條件下動態(tài)回彈模量相差不多，7%的動態(tài)回彈模量略高。在最不利應(yīng)力狀態(tài)條件下，凍融前當(dāng)含水率為ωopt+4%、ωopt+6%時，7%生石灰摻量條件下的動態(tài)回彈模量比5%分別增加了41.25%、83.71%。

2.4.4含水率對動態(tài)回彈模量的影響

在生石灰摻量相同的情況下，含水率越高，動態(tài)回彈模量越低，土體抵抗變性的能力越差。以最不利應(yīng)力狀態(tài)條件即σ1=120 kPa、σ3=15 kPa時的動態(tài)回彈模量為例，5%生石灰摻量時，ωopt+4%、ωopt+6%條件下動態(tài)回彈模量與ωopt時相比，凍融前的折減值分別為32.09%、50.18%，凍融后的折減值為24.85%、30.64%；7%生石灰摻量時，ωopt+4%、ωopt+6%、ωopt+8%的動態(tài)回彈模量與ωopt相比，凍融前的折減值分別為7.22%、11.64%、26.94%，凍融后的折減值為16.17%、31.16%、46.94%?？梢钥闯?，含水率越大，動態(tài)回彈模量的折減值越大。

2.4.5生石灰處置過濕粘土動態(tài)回彈模量建議取值

綜上，生石灰處置過濕粘土的動態(tài)回彈模量受應(yīng)力狀態(tài)的影響很大，羅志剛給出的路基中應(yīng)力變化取值范圍σ1=10～180kPa，σ3=0～60kPa，選取接近中間值的應(yīng)力組合σ1=105 kPa、σ3=30 kPa，以此應(yīng)力狀態(tài)時不同工況條件下生石灰處置過濕粘土動態(tài)回彈模量作為建議取值，見表5。

表5 生石灰處置過濕粘土動態(tài)回彈

3 結(jié)論

借助動態(tài)加載試驗方法，對生石灰處置過濕粘土在不同工況條件下的動態(tài)回彈模量進(jìn)行了試驗研究，分析了應(yīng)力狀態(tài)(圍壓、偏應(yīng)力、體應(yīng)力)、凍融作用、生石灰摻量以及含水率對生石灰處置過濕粘土動態(tài)回彈模量的影響規(guī)律，得到如下主要結(jié)論：

(1)分析應(yīng)力狀態(tài)對生石灰處置過濕粘土動態(tài)回彈模量的影響規(guī)律得出，動態(tài)回彈模量隨圍壓的增大而增大,隨偏應(yīng)力增大整體上呈現(xiàn)降低趨勢，偏應(yīng)力對生石灰處置過濕粘土動態(tài)回彈模量的影響比素土更為顯著。體應(yīng)力對生石灰處置過濕粘土動態(tài)回彈模量的影響規(guī)律與圍壓和偏應(yīng)力相似。

(2)凍融作用下生石灰處置過濕粘土動態(tài)回彈模量試驗結(jié)果得出，經(jīng)過凍融作用后動態(tài)回彈模量隨著生石灰摻量的增大而增大，生石灰有效改善了過濕粘土凍融后的抗變形能力。

(3)不同生石灰摻量、含水率條件下的試驗得出，生石灰處置過濕粘土的動態(tài)回彈模量隨著生石灰摻量的增大而增大，隨著含水率的增大而減小，含水率越大，凍融后動態(tài)回彈模量折減值越大。