干濕循環(huán)作用下高液限粉土動態(tài)回彈模量試驗(yàn)研究

李長貴， 胡健坤

(1.中國路橋工程有限責(zé)任公司， 北京市 100011； 2.長沙理工大學(xué) 公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室)

路基作為道路的主體承載結(jié)構(gòu)，保證其具備足夠的耐久性和穩(wěn)定性是道路建設(shè)的基本要求，而回彈模量作為路基土強(qiáng)度的設(shè)計(jì)指標(biāo)，對路基的承載能力起到至關(guān)重要的作用。近年來，環(huán)境效應(yīng)對道路的使用性能影響逐漸成為研究的熱點(diǎn)。地下水位變動、干燥蒸發(fā)和降水入滲等多種因素使土體濕度狀態(tài)處于不斷循環(huán)變化中。不斷的干濕循環(huán)作用使路基土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)反復(fù)變化，最終造成路基剛度降低，使路面的使用性能出現(xiàn)不同程度的下降。因此，對路基土在干濕循環(huán)作用下的動態(tài)回彈模量演變規(guī)律進(jìn)行深入研究，對中國道路設(shè)計(jì)與發(fā)展具有重要意義。

針對干濕循環(huán)作用下的路基土動態(tài)回彈模量變化規(guī)律，李冬雪等采用透水石滲水、烘箱脫水的方式對上海黏土進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，探索了不同工況和不同干濕循環(huán)次數(shù)對回彈模量的影響規(guī)律；陳開圣采用烘箱脫濕和注射器加濕的方式，實(shí)施承載板試驗(yàn)探索了不同干濕路徑下回彈模量值的變化特性；王鐵行等采用真空飽和增濕和烘箱烘干脫濕的方法模擬干濕循環(huán)試驗(yàn)，對干濕循環(huán)后壓實(shí)黃土的動強(qiáng)度以及微觀結(jié)構(gòu)做了研究；李卓智等采用上部滴水和烘箱脫水的方式對江漢平原砂性土進(jìn)行了干濕循環(huán)下的路基土回彈模量試驗(yàn)研究。雖然已經(jīng)取得了一定的成果，但是現(xiàn)有對于干濕循環(huán)下路基土的力學(xué)性能試驗(yàn)方法大多采用頂部加水、噴水、或者浸水的方式進(jìn)行加濕，難以較好地模擬路基的干濕循環(huán)過程，且容易破壞試件。此外，針對高液限粉土在干濕循環(huán)作用下的動態(tài)回彈模量的衰減機(jī)制研究極少。該文針對高液限粉土試樣，探索霧化加濕和烘箱脫濕的方式實(shí)現(xiàn)路基土干濕循環(huán)的可行性。對高液限粉土在干濕循環(huán)作用下的動態(tài)回彈模量隨各因素的變化規(guī)律進(jìn)行深入分析。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選取湖南長沙高液限粉土，參照J(rèn)TG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》針對選取土樣進(jìn)行基本物理性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方案

2.1 干濕循環(huán)試驗(yàn)方案

考慮現(xiàn)場施工初始壓實(shí)時(shí)的濕度狀態(tài)，試件初始含水率設(shè)置為最佳含水率(OMC)、目標(biāo)含水率設(shè)置為0.9OMC、OMC和1.1OMC，壓實(shí)度設(shè)置為96%，進(jìn)行0、1、3、5次循環(huán)。循環(huán)過程及具體方案見表2。

表2 干濕循環(huán)試驗(yàn)過程設(shè)計(jì)

已有研究者根據(jù)干濕循環(huán)作用下土的力學(xué)特性和變形特性進(jìn)行了相關(guān)研究，其所采用的方法不盡相同，如表3所示。

表3 典型干濕循環(huán)試驗(yàn)方法

由表3可以看出：對路基土在干濕循環(huán)作用下無論是力學(xué)性能還是變形特性的研究，采用的增濕方法都是直接將液態(tài)水在試件上部由上到下進(jìn)行浸潤加濕，脫濕方法則以烘箱烘干為主。為分析不同試驗(yàn)方法的優(yōu)劣性，針對不同試驗(yàn)方案進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)施探索。研究發(fā)現(xiàn)將水直接加到試件上部或采用CBR試驗(yàn)浸泡的方式進(jìn)行增濕雖然增濕過程較快，但是會對試件造成不可逆的破壞，比如：① 試件表面的土顆粒脫落；② 反復(fù)稱重時(shí)會對試件產(chǎn)生不可逆的損傷。這些破壞將會對動態(tài)回彈模量試驗(yàn)的測定造成很大的影響。其次，使路基土的濕度狀態(tài)接近極限的真空飽和增濕方式，難以模擬路基在真實(shí)運(yùn)營期間的濕度變化，且施加的壓力會對試件有一定的力學(xué)性能影響，由此得到的干濕循環(huán)下的回彈模量衰減系數(shù)更是難以恰當(dāng)?shù)刂笇?dǎo)實(shí)際路基設(shè)計(jì)與施工?；诖耍撐膶π碌母蓾裱h(huán)試驗(yàn)方法進(jìn)行探索。

2.1.1 增濕過程

采用霧化板對成型的試件進(jìn)行增濕。

試驗(yàn)每隔10 h左右對試件進(jìn)行稱重，試件第1次增濕過程含水率隨時(shí)間的變化如圖1所示。由圖1可以看出：在96%壓實(shí)度條件下，試件含水率從OMC增濕到1.3OMC只需2.5～3 d。含水率隨時(shí)間呈線性關(guān)系變化，這是因?yàn)樵陟F化加濕過程中，試件內(nèi)部的水分傳遞速度和試件表面的吸水速度大致相當(dāng)。也就是說在100%濕度狀態(tài)下，試件表面水分遷移到試件內(nèi)部和前一時(shí)刻表面開始接觸霧化水氣是一個(gè)遞進(jìn)的過程。因此，采用這種增濕方式，可以理解為增濕過程和試件水分遷移過程在同時(shí)進(jìn)行，且試件只需靜置1～2 d便可使試件內(nèi)部的含水率達(dá)到平衡。

圖1 增濕過程含水率與時(shí)間關(guān)系

2.1.2 脫濕過程

由表3可知：已統(tǒng)計(jì)文獻(xiàn)中試件干濕循環(huán)的脫濕方法，主要包括烘箱烘干脫濕和自然風(fēng)干脫濕?？紤]到自然風(fēng)干容易受到天氣的約束，使用烘箱對試件進(jìn)行脫濕。為防止試件在脫濕過程中開裂，將烘箱溫度設(shè)定為50 ℃，采用保鮮膜包裹、上下放置透水石的方式對已增濕的試件進(jìn)行脫濕試驗(yàn)。與增濕過程相似，試驗(yàn)每隔10 h對試件稱重，以評價(jià)試件的脫濕水平，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 脫濕過程含水率與時(shí)間關(guān)系

圖2表明：由1.3OMC到0.9OMC的脫濕時(shí)間為82～100 h。相較于已有研究方法，脫濕的時(shí)間較長，這是因?yàn)樵囼?yàn)采用保鮮膜包裹和上下放置透水石的方式限制了試件中水分的遷移，但是同時(shí)也對試件起到了很好的保護(hù)作用，使后續(xù)回彈模量的測定更為準(zhǔn)確。

2.2 回彈模量試驗(yàn)方案

采用圓柱形試件，試件尺寸為高度200 mm，直徑100 mm。試驗(yàn)儀器，選用意大利產(chǎn)Dynatriax100/14動三軸試驗(yàn)系統(tǒng)。動三軸試驗(yàn)采用文獻(xiàn)[13]加載序列，能較大地覆蓋道路在運(yùn)營過程中的受力特性，加載時(shí)間為0.2 s，間歇時(shí)間為0.8 s，波形取半正矢波，加載頻率為1 Hz。加載序列的詳細(xì)參數(shù)如表4所示。

表4 路基細(xì)粒土試件加載序列

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力狀態(tài)對回彈模量的影響

為分析應(yīng)力狀態(tài)對回彈模量的影響，將未經(jīng)過干濕循環(huán)的試樣，在不同含水率和應(yīng)力狀態(tài)下的回彈模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制如圖3所示。

由圖3可知:在OMC和96%壓實(shí)度的條件下：① 當(dāng)圍壓相同時(shí)，回彈模量隨偏應(yīng)力的增大而減小。偏應(yīng)力對回彈模量的消極作用可以解釋為圍壓相同，偏應(yīng)力的增大導(dǎo)致豎向變形隨之增加，而豎向應(yīng)變難以和偏應(yīng)力達(dá)到同步，豎向應(yīng)變的增長幅度大于偏應(yīng)力增加的幅度，最終導(dǎo)致回彈模量減少；② 當(dāng)偏應(yīng)力相同時(shí)，回彈模量隨圍壓增大而呈現(xiàn)非線性增加。這是因?yàn)樵谙嗤呢Q向應(yīng)力條件下，圍壓的增加對試件具有較強(qiáng)的側(cè)向約束作用。這一結(jié)論也被眾多研究者所證實(shí)。此外，偏應(yīng)力從30 kPa增大到105 kPa，回彈模量平均減小了約32%。圍壓從15 kPa增大到60 kPa, 回彈模量平均增加了約46%。這表明在高液限粉土中，圍壓對回彈模量產(chǎn)生的約束作用要大于偏應(yīng)力對回彈模量產(chǎn)生的剪切作用。

圖3 未經(jīng)干濕循環(huán)作用時(shí)不同含水率條件下圍壓和偏應(yīng)力與動態(tài)回彈模量的關(guān)系

在應(yīng)力狀態(tài)相同時(shí)，動態(tài)回彈模量隨含水率的增大而逐漸減小。在96%壓實(shí)度條件下，含水率從0.9OMC增大到1.1OMC時(shí)，動態(tài)回彈模量平均減小了約52%，作用效果明顯。含水率對回彈模量的消極作用可以作如下解釋：土中水在土顆粒間具有一定的潤滑作用。當(dāng)含水率減小時(shí)，土顆粒表面的水膜較薄，土顆粒間的相對移動困難，因此試樣抵抗變形的能力就越強(qiáng)。隨著水分的增多，土顆粒間的水膜增大，土顆粒間的相對位移較為簡單，土樣抵抗變形的能力就越差。因此，含水率的增大對試件具有較強(qiáng)的軟化作用，即隨含水率的增高，回彈模量值逐漸越低。

3.2 干濕循環(huán)次數(shù)對回彈模量的影響

為探究高液限粉土在干濕循環(huán)作用下回彈模量隨干濕循環(huán)次數(shù)的衰減規(guī)律，參考張安順定義凍融損傷因子的方法。該文定義干濕損傷因子ψD-W如下：未經(jīng)干濕循環(huán)(干濕循環(huán)次數(shù)為0次)的回彈模量值MR(0)與經(jīng)歷N次干濕循環(huán)后回彈模量值MR(i)兩者的差值與未經(jīng)循環(huán)作用(干濕循環(huán)次數(shù)為0次)的回彈模量的比值，如式(1)所示：

(1)

高液限粉土動態(tài)回彈模量干濕循環(huán)損傷因子在不同含水率時(shí)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系，如圖4所示。

圖4 不同含水率下動態(tài)回彈模量損傷因子與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系

由圖4可知：試件經(jīng)歷第1次干濕循環(huán)時(shí)，回彈模量衰減最為明顯，損傷因子范圍為0.32～0.43。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，損傷因子的增速降低，最后趨于穩(wěn)定。經(jīng)歷5次干濕循環(huán)后回彈模量的損傷因子為0.63，與第3次循環(huán)相比，衰減小于5%，可以認(rèn)為在經(jīng)歷5次循環(huán)后試件的強(qiáng)度處于穩(wěn)定狀態(tài)。該文研究結(jié)果和李冬雪等的研究結(jié)果有較大區(qū)別，該文研究發(fā)現(xiàn)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加試件強(qiáng)度逐步趨于穩(wěn)定，而不是在經(jīng)歷1次干濕循環(huán)后試件的強(qiáng)度就不再變化，這可能是因?yàn)樵撐难芯坎捎玫母蓾裱h(huán)方式為霧化加濕，加濕和保濕屬于同步進(jìn)行，而類似李冬雪等的加濕和脫濕方式顯得較為粗糙，土樣內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化可能也就越快。該文方法比較符合現(xiàn)實(shí)道路運(yùn)營中干濕作用逐漸積累，而后路基強(qiáng)度逐漸變化的規(guī)律。

由圖4還可以看出：含水率對干濕損傷有較大影響。在一定壓實(shí)度條件下，隨含水率的增加，損傷因子出現(xiàn)明顯的增大。損傷因子隨偏應(yīng)力和圍壓的變化則呈現(xiàn)出不規(guī)律性，例如：有時(shí)在相同偏應(yīng)力下，損傷因子出現(xiàn)隨圍壓增大而增大的現(xiàn)象，這可能是因?yàn)閾p傷因子僅僅體現(xiàn)的是回彈模量的差值與初始回彈模量的比值，在某一應(yīng)力水平下，分子分母同時(shí)增大或減小又會出現(xiàn)分母增大或減小的程度較小，分子增大或減小的程度較大的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

該文研究探索新的干濕循環(huán)試驗(yàn)方法，通過室內(nèi)試驗(yàn)分析了高液限粉土動態(tài)回彈模量隨含水率、應(yīng)力狀態(tài)、干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

(1) 探索了新型干濕循環(huán)試驗(yàn)的可行性，并確定了含水率隨時(shí)間變化的增濕曲線和脫濕曲線。

(2) 在壓實(shí)度和含水率相同的條件下，高液限粉土動態(tài)回彈模量隨圍壓的增大而增大，隨偏應(yīng)力的增大而減小，圍壓對回彈模量的影響更為顯著。

(3) 在相同應(yīng)力狀態(tài)和壓實(shí)度下，含水率對回彈模量有較大影響。相較于其他影響因素，回彈模量隨含水率的增加而衰減的程度更為明顯。

(4) 隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，回彈模量逐漸減小。在第1次循環(huán)時(shí)衰減最為明顯，隨著循環(huán)次數(shù)的增加回彈模量的衰減程度會逐漸降低，5次循環(huán)后的回彈模量的變化幅度約為5%，趨于穩(wěn)定。