石灰改良路基紅黏土的動(dòng)態(tài)回彈模量影響因素分析

歐陽衛(wèi)鋒，馮小雨

(新疆交通科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

紅黏土主要分布于我國的西南、中南和華東地區(qū)，其中在廣西和云南、貴州地區(qū)分布較為廣泛，是一種液限較高的塑性黏土，其天然含水率、液塑限、塑性指數(shù)、孔隙比都比較高。在干燥狀態(tài)下，其力學(xué)強(qiáng)度比較高，壓縮性低，但在含水率增高的情況下，開始顯著變軟，成為軟塑甚至流塑狀態(tài)，性能變差，作為特殊性巖土在公路填筑路基材料使用中受限[1-2]。

公路作為一個(gè)線型工程，不同地區(qū)很難避讓紅黏土地區(qū)，也會(huì)遇到紅黏土填筑路堤的情況。紅黏土作為一種特殊性黏土，填筑路基時(shí)，遇水承載力急劇降低，失水硬度較高，用于填筑路基存在一系列不利問題。路基紅黏土由于自身的性能特征，作為路基填料性能較差。由于液限高，承載能力低、穩(wěn)定性能差的原因，紅黏土不能滿足公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范中填料的填筑要求。如果采用換填墊層而不能有效利用本地紅黏土，將大大增加工程造價(jià)，同時(shí)造成環(huán)境破壞。而通過改良的路基紅黏土，性能往往會(huì)有較大的改善。常見的改良方法有石灰、水泥改良，摻入沙或碎石對(duì)其改性，充分對(duì)紅黏土進(jìn)行改良利用是一種必然趨勢。

路基土動(dòng)態(tài)回彈模量是公路設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，路基設(shè)計(jì)中以路床頂面回彈模量為設(shè)計(jì)指標(biāo)，同時(shí)為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要參數(shù)。在公路的設(shè)計(jì)中，要求路基頂有足夠的路基回彈模量從而可以保證路基承載力要求，而過高回彈模量取值又會(huì)造成不必要的資源浪費(fèi)。路基回彈模量影響因素主要有圍壓、偏應(yīng)力、含水率、壓實(shí)度等因素。本文主要研究石灰改良紅黏土的力學(xué)性能，對(duì)壓實(shí)度和含水率等參數(shù)不做深入研究，主要考慮石灰劑量、圍壓、偏應(yīng)力三個(gè)因素對(duì)路基紅黏土的回彈模量影響。

本文采用動(dòng)三軸儀進(jìn)行重復(fù)加載三軸試驗(yàn)，在未摻加石灰、石灰摻量5%、石灰摻量10%三種工況條件下，對(duì)試件施加不同的圍壓和不同的偏應(yīng)力，分析石灰劑量、圍壓、偏應(yīng)力三個(gè)變量對(duì)紅黏土材料的動(dòng)態(tài)回彈模量的影響。

1 試驗(yàn)過程

1.1 土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)

本文以湖南紅黏土地區(qū)的一條公路為研究對(duì)象，通過室內(nèi)重型擊實(shí)、液塑限等試驗(yàn)方法確定了樣品的基本物理力學(xué)參數(shù)：最大干密度為1.60 g/cm3，最佳含水率為23.5%，液限為56.8%，塑限為36.2%，塑性指數(shù)為20.6%。

1.2 試件成型與加載波形

室內(nèi)試驗(yàn)采用重型擊實(shí)試驗(yàn)確定紅黏土的最大干密度和最佳含水率：最大干密度為1.60 g/cm-3，最佳含水率為23.5%。本文采用93%的壓實(shí)度時(shí)，測定不同石灰劑量條件下回彈模量的變化規(guī)律。試驗(yàn)采用尺寸為φ100 mm×200 mm的圓柱形試件，采用靜壓成型法加工試件。

試驗(yàn)采用動(dòng)三軸儀進(jìn)行紅黏土的重復(fù)加載三軸試驗(yàn)，將試件包裹橡膠膜后放入三軸壓力室，施加預(yù)壓后，開始分別施加圍壓和偏應(yīng)力。軸線加載波形為半正弦波，一次加載循環(huán)周期為1 s(加載期為0.2 s，間歇期為0.8 s)，加載作用次數(shù)為150次，加載前進(jìn)行預(yù)載次數(shù)為1 500次。

1.3 試驗(yàn)加載方案

采用雙圓均布荷載作用下的連續(xù)彈性層狀體系力學(xué)分析模型，根據(jù)相關(guān)力學(xué)參數(shù)的分析計(jì)算，結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者的研究成果，并參考國外相關(guān)規(guī)范[3-4]，本試驗(yàn)依據(jù)路基實(shí)際運(yùn)行中的受力狀態(tài)范圍，圍壓采用10 kPa、20 kPa、30 kPa和40 kPa，偏應(yīng)力采用10 kPa、20 kPa、30 kPa和40 kPa，研究不同應(yīng)力狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)回彈模量變化規(guī)律。試驗(yàn)加載方案采用的圍壓和偏應(yīng)力組合加載序列方案如表1所示。

表1 重復(fù)加載試驗(yàn)方案表

經(jīng)過1 500次預(yù)壓和150次正式加壓，試件軸向變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定，取最后五次重復(fù)加載下軸向重復(fù)應(yīng)力峰值與軸向回彈應(yīng)變峰值的比值(146次、147次、148次、148次、150次)的平均值作為該應(yīng)力狀態(tài)下的回彈模量。如式(1)所示[5]：

(1)

式中：MR——回彈模量(Pa)；

σd——軸向重復(fù)應(yīng)力峰值，即主應(yīng)力差(Pa)；

ε1R——軸向回彈應(yīng)變峰值。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

為了研究紅黏土在摻加不同劑量石灰后，路基紅黏土的動(dòng)態(tài)回彈模量變化規(guī)律，本文在最佳含水率狀態(tài)下，擬定了加入5%和10%兩種石灰劑量工況同未添加石灰的紅黏土工況進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究。紅黏土動(dòng)態(tài)回彈模量試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同石灰摻量條件下的回彈模量試驗(yàn)結(jié)果表

1.5 含水率對(duì)動(dòng)態(tài)回彈模量的影響分析

石灰摻量對(duì)紅黏土回彈模量的影響分析：在圍壓、偏應(yīng)力相同的狀況下，石灰劑量增加至5%時(shí)，回彈模量提高的幅度在5～15 MPa左右，回彈模量提高5%～15%左右；石灰劑量增加至10%時(shí)，回彈模量提高的幅度在10～25 MPa左右，回彈模量提高10%～20%左右。摻加石灰可以有效提高紅黏土回彈模量。

偏應(yīng)力對(duì)紅黏土回彈模量的影響分析：在圍壓、石灰摻量條件相同的條件下，分析偏應(yīng)力在10 kPa、20 kPa、30 kPa、40 kPa條件下回彈模量的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在圍壓相同的情況下，隨著偏應(yīng)力值的增大，回彈模量顯著降低，不同圍壓下，偏應(yīng)力由10 kPa增加至40 kPa時(shí)，回彈模量降低至初始值的75%～85%左右。隨著偏應(yīng)力的增加，土體的剪應(yīng)力不斷增加，土體更容易破壞。

圍壓對(duì)紅黏土回彈模量的影響分析：在偏應(yīng)力、石灰摻量條件相同的條件下，分析圍壓分別為10 kPa、20 kPa、30 kPa、40 kPa條件下，回彈模量的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著圍壓的增加，回彈模量顯著提升，在偏應(yīng)力為40 kPa的條件下，圍壓由10 kPa增加至40 kPa時(shí)，回彈模量提升10%～40%左右。隨著圍壓的提高，紅黏土回彈模量有了顯著的提高。

摻加石灰可以有效改善紅黏土的力學(xué)性質(zhì)[4-5]，隨著石灰加入量的不斷提高，材料的動(dòng)態(tài)回彈模量值有了更顯著的提高。紅黏土地區(qū)缺乏級(jí)配良好的礫類土作為筑路材料時(shí)，摻加石灰進(jìn)行紅黏土處置，可以有效改善其物理力學(xué)性質(zhì)與工程特性。如圖1所示。

圖1 不同石灰摻量對(duì)回彈模量的影響曲線圖

2 基于三參數(shù)本構(gòu)模型的參數(shù)擬合

公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范推薦利用三參數(shù)本構(gòu)模型進(jìn)行回彈模量值的確定，本文通過重復(fù)加載試驗(yàn)測定不同應(yīng)力狀態(tài)下的回彈模量值。依據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果，采用1stOpt軟件，對(duì)三參數(shù)模型進(jìn)行參數(shù)擬合分析，擬合結(jié)果如表3所示。

表3 三參數(shù)模型待定參數(shù)擬合結(jié)果表

(2)

式中：MR——路基回彈模量值；

k1、k2、k3——模型參數(shù)；

θ——體應(yīng)力；

pa——大氣壓強(qiáng)絕對(duì)值，近似取值100 kPa；

τoct——八面體剪應(yīng)力。

由表3可知，采用三參數(shù)模型，利用本試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該模型進(jìn)行參數(shù)擬合，擬合的判定系數(shù)在89.3%～93.6%之間。對(duì)比擬合曲線和實(shí)測曲線可知，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合數(shù)據(jù)的相關(guān)性比較高，沒有出現(xiàn)計(jì)算值和實(shí)測值嚴(yán)重偏離的現(xiàn)象，擬定的模型參數(shù)可以較好地反映不同石灰劑量下不同應(yīng)力狀態(tài)時(shí)路基紅黏土回彈模量值的大小。

3 結(jié)語

本文通過采用動(dòng)三軸儀進(jìn)行重復(fù)加載三軸測試，測定了在不同石灰摻量條件下，路基紅黏土在反軸向復(fù)荷載作用下紅黏土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。研究表明，紅黏土的回彈模量與石灰摻量、圍壓、偏應(yīng)力有顯著的關(guān)系。擬定三參數(shù)的模型參數(shù)可以為石灰改良紅黏土設(shè)計(jì)中回彈模量取值提供依據(jù)。

(1)紅黏土中摻入石灰可以有效改善紅黏土的力學(xué)性能，提高路基承載能力。石灰劑量增加至5%～10%時(shí)，回彈模量提高5%～20%左右。

(2)隨著偏應(yīng)力的增加，土體的剪應(yīng)力不斷增加，回彈模量不斷減少，土體更容易破壞；隨著圍壓的增加，回彈模量增大，可以提高路基承載力。

(3)不同石灰劑量條件下擬定的三參數(shù)模型，可以為石灰改良紅黏土回彈模量取值提供參考。