季凍區(qū)路基填料基質(zhì)吸力及平衡濕度

魏海斌, 欒曉寒, 韓雷雷

(吉林大學(xué)交通學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

實(shí)際工程中路基主要以非飽和土的形式存在，在道路工程設(shè)計(jì)階段，需要采用一定的指標(biāo)量化地下水位、降雨量、蒸發(fā)量、溫度等因素對(duì)路基濕度的影響，確定路基基質(zhì)吸力的預(yù)估模型[1]。根據(jù)基質(zhì)吸力預(yù)估模型和土水特性曲線(soil-water characteristic curve,SWCC)，可以對(duì)不同條件下路基平衡濕度進(jìn)行預(yù)測(cè)。SWCC表示土壤相對(duì)于基質(zhì)吸力變化的持水能力，包含了描述非飽和土力學(xué)行為所需的基本信息[2]。SWCC的測(cè)定是巖土工程中的滲流分析和土壤的平衡狀態(tài)下濕度預(yù)估的重要環(huán)節(jié)，也是巖土分析數(shù)值模擬的關(guān)鍵性輸入[3]。

油頁(yè)巖工業(yè)固體廢物(OSW)是礦物燃燒或干餾后的廢渣產(chǎn)物，隨著油頁(yè)巖資源的開(kāi)發(fā)和利用，大量廢渣占用寶貴的土地資源，其內(nèi)部含有可溶解固體、硫化物等，處理不當(dāng)會(huì)對(duì)土地和水資源造成污染[4-5]。粉煤灰(FA)，是煤粉經(jīng)高溫燃燒后形成的一種似火山灰質(zhì)混合材料[6]。吉林省是中國(guó)東北地區(qū)最重要的能源生產(chǎn)和消費(fèi)地區(qū)之一。OSW和FA的累積量逐年增加，已成為亟待解決的問(wèn)題[7]。

將OSW和FA應(yīng)用于道路路基工程中具有利用率高、加工成本低、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。Turner[8]、Mymrin等[9]通過(guò)對(duì)OSW物理及力學(xué)特性的全面研究，表明將其用于路基填料在無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，回彈模量，干濕凍融穩(wěn)定性方面均滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，用于道路施工無(wú)需再添加黏合劑。對(duì)于粉煤灰土，魏海斌等[10-12]對(duì)它的物理特性，靜力動(dòng)力特性，凍脹量等路基材料性能進(jìn)行了全面細(xì)致評(píng)價(jià)，粉煤灰土的性能滿足道路材料要求。Wei等[13]通過(guò)大量試驗(yàn)提出油頁(yè)巖廢渣粉煤灰土路基填料最佳配比，并以加州承載比(CBR)、動(dòng)回彈模量及凍融損傷度等為指標(biāo)，對(duì)凍融循環(huán)后的油頁(yè)巖廢渣粉煤灰土進(jìn)行定量預(yù)測(cè)。

油頁(yè)巖廢渣粉煤灰土的基質(zhì)吸力和平衡濕度仍尚待研究，系統(tǒng)研究油頁(yè)巖廢渣粉煤灰土路基填料的SWCC對(duì)其在平衡狀態(tài)下的濕度預(yù)估以及巖土分析都有重要意義。現(xiàn)考慮季凍區(qū)的氣候狀況，對(duì)0、1、3、5次凍融循環(huán)后的油頁(yè)巖廢渣粉煤灰土路基填料(MC)及粉質(zhì)黏土(SC)進(jìn)行不同含水率下的基質(zhì)吸力測(cè)量，系統(tǒng)分析凍融前后兩種填料的SWCC，并結(jié)合TMI指數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的路基模量濕度調(diào)整系數(shù))對(duì)兩種填料在吉林地區(qū)平衡濕度范圍提出預(yù)測(cè)，為實(shí)際工程提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料配合比確定

已有研究表明[9]，當(dāng)油頁(yè)巖廢渣以總質(zhì)量30%～45%摻量改良粉質(zhì)黏土?xí)r會(huì)獲得最優(yōu)越的物理力學(xué)性能。粉質(zhì)黏土在30%～40%時(shí)對(duì)油頁(yè)巖廢渣的強(qiáng)度提升效果最好。根據(jù)本課題組研究基礎(chǔ)，2∶1∶2(油頁(yè)巖∶粉煤灰∶粉質(zhì)黏土，質(zhì)量比)質(zhì)量配合比下?lián)魧?shí)特性較好、具有最大且最穩(wěn)定的CBR承載力。粉煤灰與粉質(zhì)黏土比例1∶2時(shí)具有更好的穩(wěn)定性和耐久性。與原狀粉質(zhì)黏土相比，該比例下的路基改良土壓實(shí)性和CBR明顯提高，液塑限參數(shù)略有降低。故本研究中采用油頁(yè)巖廢渣粉煤灰粉質(zhì)黏土配合比為質(zhì)量比2∶1∶2。

1.2 試驗(yàn)材料與制備

試驗(yàn)所用粉質(zhì)黏土取自長(zhǎng)春南湖附近某大型工地10 m深基坑均質(zhì)土層。土質(zhì)比較均勻，呈淡黃色。油頁(yè)巖廢渣取自吉林省汪清縣，渣塊表面粗糙內(nèi)部顆粒大小不一，有層狀節(jié)理，錘擊后會(huì)碎裂成粉末狀灰渣及若干小塊。粉煤灰取自長(zhǎng)春市第二熱電廠煤炭產(chǎn)熱廢渣，根據(jù)《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》GB/T 50146—2014[14]，試驗(yàn)用粉煤灰為F級(jí)類Ⅱ級(jí)，有良好的工程特性。

選取粒徑小于10 mm的油頁(yè)巖廢渣、粉煤灰和原狀粉質(zhì)黏土，用自動(dòng)振篩機(jī)對(duì)三種試樣進(jìn)行篩分實(shí)驗(yàn)，稱取每一級(jí)粒徑篩上的土樣質(zhì)量，以橫坐標(biāo)為篩孔直徑，縱坐標(biāo)為小于某粒徑顆粒的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，繪制實(shí)驗(yàn)材料級(jí)配曲線。三種材料各自級(jí)配曲線如圖1所示。原材料液塑限指標(biāo)見(jiàn)表1。

將原材料過(guò)2 mm篩后烘干冷卻，按預(yù)設(shè)配合比拌勻，混合MC基本物理指標(biāo)見(jiàn)表2，顆粒分析曲線如圖2所示。

表1 原材料的液塑限指標(biāo)

表2 SC與MC的基本物理性質(zhì)

圖1 原材料的顆粒曲線

圖2 SC與MC的顆粒曲線

配置含水率分別為20%、25%、30%、35%、40%的試樣，每種含水率土樣壓實(shí)度均為98%，制件過(guò)程采用LD189型制件脫模機(jī)壓實(shí)和脫模，再將不同含水率的土樣切成環(huán)刀大小的圓柱體試樣。

1.3 凍融循環(huán)試驗(yàn)方法

凍結(jié)過(guò)程用冰柜進(jìn)行，設(shè)定凍結(jié)溫度為-20 ℃，持續(xù)24 h，再將試樣置于室溫(24 ℃)融化，融化過(guò)程24 h，整個(gè)過(guò)程為一個(gè)循環(huán)， 凍融溫度及時(shí)間參考文獻(xiàn)[15]。為了在凍融循環(huán)期間保持樣品的水分含量不變，將試樣緊密包裹在防水薄膜中。每種含水率的試樣分別進(jìn)行0、1、3、5次循環(huán)，然后測(cè)定試樣在凍融循環(huán)后的基質(zhì)吸力。

1.4 基質(zhì)吸力試驗(yàn)方法

采用Whatman-42型無(wú)灰定量濾紙測(cè)量基質(zhì)吸力，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參照ASTM-D5298-16[16]。將濾紙分為上中下三層，其中中間層濾紙為測(cè)定濾紙，上下兩層保證中間層測(cè)定濾紙不受污染。把它們置于兩相同條件圓柱土樣之間夾緊而后以電工膠帶纏緊用保鮮膜緊密包裹避免水分蒸發(fā)，置于密閉恒溫容器內(nèi)平衡吸力7 d后進(jìn)行吸力測(cè)定。7 d后取出中間層濾紙，利用精度為0.000 1 g的電子天平對(duì)其含水率進(jìn)行精確稱量。所有稱取過(guò)程在5 s之內(nèi)完成稱重以減小濾紙?jiān)诳諝庵形?、脫濕造成的誤差。

2 試驗(yàn)結(jié)果討論

在SWCC中進(jìn)氣值是曲線上的一個(gè)突變點(diǎn)[2]，突變點(diǎn)前為邊界效應(yīng)段，在此階段幾乎所有土中的孔隙都充滿水，當(dāng)吸力達(dá)到了進(jìn)氣值后，含水量就會(huì)隨著吸力的增加而大幅度下降，此階段為過(guò)渡段。在過(guò)渡階段，隨著吸力增大，水呈液相流動(dòng)隨吸力增加而迅速消散，孔隙中水的連通性隨著吸力值的增大而持續(xù)降低，達(dá)到殘余含水率θr?？梢哉J(rèn)為是當(dāng)液相開(kāi)始變得不連續(xù)時(shí)的含水量值，當(dāng)脫濕到這個(gè)值后，土樣中的水會(huì)越來(lái)越難于通過(guò)吸力的增大而排出，此階段成為殘余段。

Fredlund等[17-18]通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的歸納分析建立的描述吸力與土壤孔隙特性的關(guān)系方程，因?yàn)樗鼜V泛適用于多種土壤并在全吸力范圍有著較好的擬合效果。為直觀體現(xiàn)SWCC凍融循環(huán)中的變化趨勢(shì)，采用Fredlund模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合。

(1)

式(1)中：θ為含水率,%；Ψ為基質(zhì)吸力，kPa；θs為代表Fredlund擬合曲線的起始位置的飽和含水量系數(shù)，%；a為曲線左起首個(gè)拐點(diǎn)(曲線由緩入陡)處的吸力值，kPa；m、n是影響土水特征曲線的土性參數(shù)，與擬合曲線形狀相關(guān)，無(wú)實(shí)際物理意義。此模型擬合曲線在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中呈類似S形狀態(tài)。

2.1 凍融循環(huán)后粉質(zhì)黏土SWCC

經(jīng)過(guò)0、1、3、5次凍融循環(huán)后粉質(zhì)黏土試樣的基質(zhì)吸力與含水率變化規(guī)律如圖3所示，為更直觀體現(xiàn)隨著含水率變化的吸力變化趨勢(shì)，本節(jié)采用普通坐標(biāo)系。采用Fredlund模型擬合后的參數(shù)見(jiàn)表3。

圖3 凍融循環(huán)后的SC土水特征曲線

表3 SC 模型擬合參數(shù)表

2.2 凍融循環(huán)后油頁(yè)巖廢渣粉煤灰土SWCC

采用Fredlund模型擬合后的擬合參數(shù)見(jiàn)表4。經(jīng)過(guò)0、1、3、5次凍融循環(huán)后的MC試樣的基質(zhì)吸力與含水率變化規(guī)律如圖4所示，同樣采用普通坐標(biāo)系。

圖4 凍融循環(huán)后的MC土水特征曲線

表4 MC 模型擬合參數(shù)表

2.3 平衡濕度分析與對(duì)比

《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[19]推薦的平衡濕度預(yù)估方法為區(qū)域分類預(yù)估法，潮濕類路基平衡濕度通常直接以路基相對(duì)于地下水位高度基質(zhì)吸力預(yù)估模型直接預(yù)估基質(zhì)吸力，再結(jié)合SWCC進(jìn)行平衡濕度預(yù)估?；|(zhì)吸力與地下水間預(yù)估表達(dá)式為

hm=γwy

(2)

式(2)中：hm為計(jì)算吸力值；y為計(jì)算點(diǎn)與地下水位間的距離；γw為水的重度。

干燥類路基平衡濕度主要受氣候影響，要根據(jù)TMI-wPI基質(zhì)吸力預(yù)估模型結(jié)合SWCC進(jìn)行預(yù)估，吸力與TMI指數(shù)間預(yù)估表達(dá)式為

hm=αeβ/(TMI+γ)+δ

(3)

式(3)中：TMI為濕度指數(shù)，受降雨量蒸發(fā)量平均溫度等影響；α、β、δ和γ是通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)得到的回歸參數(shù)，無(wú)物理意義，已有研究表明它們主要受P200(通過(guò)0.074 mm篩的土粒含量)和塑性指數(shù)(PI)影響，用P200與PI的乘積來(lái)表征土組物理性質(zhì)，記為wPI。曹長(zhǎng)偉[20]通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)以wPI為指標(biāo)對(duì)土組參數(shù)進(jìn)行差分分析，給出土組參數(shù)依據(jù)wPI范圍回歸的參考值，結(jié)果表明該方法誤差顯著低于地下水位預(yù)估誤差。本文研究對(duì)文獻(xiàn)[20]中大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了重新回歸，依據(jù)試驗(yàn)土樣性質(zhì)得到修正后的兩種土樣土組參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 試驗(yàn)材料的液塑限指標(biāo)

從規(guī)范中獲取，吉林省TMI指數(shù)范圍為8.7～35.1。hml(SC)=1 535 kPa，hmh(SC)=3 678 kPa，hml(MC)=938 kPa，hmh(MC)=1 360 kPa，其中下標(biāo)l表示下限，h表示上限。通過(guò)凍融前后的SWCC擬合數(shù)學(xué)模型，計(jì)算兩種試驗(yàn)土該吸力范圍下的含水率范圍。SC未經(jīng)凍融前，濕度(體積含水率)預(yù)估范圍為25.82%～30.6%，5次凍融后濕度預(yù)估范圍為25.46%～29.34%。MC未經(jīng)凍融前，濕度(體積含水率)預(yù)估范圍為29.3%～32.45%，5次凍融后濕度預(yù)估范圍為22.2%～25.34%。未經(jīng)凍融前，同等條件下MC預(yù)估平衡濕度上下限均高于SC，但濕度范圍小于SC。凍融循環(huán)后兩種土樣平衡濕度范圍均發(fā)生由高至低的偏移，其中SC偏移幅度較小與凍融前較為接近，MC偏移較為明顯。經(jīng)歷凍融后，MC平衡濕度上下限間范圍仍小于SC。

3 結(jié)論

(3)根據(jù)TMI-wPI基質(zhì)吸力預(yù)估模型結(jié)合SWCC進(jìn)行對(duì)平衡濕度進(jìn)行預(yù)估。未經(jīng)凍融前，SC濕度(體積含水率)預(yù)估范圍為25.82%～30.6%，MC濕度預(yù)估范圍為29.3%～32.45%，5次凍融后SC濕度預(yù)估范圍為25.46%～29.34%，MC濕度預(yù)估范圍為22.2%～25.34%。未經(jīng)凍融前，同等條件下MC預(yù)估平衡濕度上下限均高于SC，濕度范圍小于SC。凍融循環(huán)后兩種土樣平衡濕度范圍均發(fā)生由高至低的偏移，其中SC偏移幅度較小。經(jīng)歷凍融后，MC平衡濕度上下限間范圍仍小于SC。