煤渣改良路基填料凍融力學(xué)行為的機(jī)理分析

彭 成,莫 彪,傅中志,劉宵凌,胡澤源,李佳寶

(1.南華大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001;2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210000;3.水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210000)

0 引 言

紅黏土是廣泛分布在我國(guó)云貴高原、兩湖兩廣等地區(qū)的一類(lèi)特殊性土體[1]，在青藏地區(qū)也有分布。紅黏土微觀結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)單元可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的復(fù)合多孔性單元，另一類(lèi)是占少量的由鐵質(zhì)膠結(jié)或殘余碎屑顆粒組成的剛性單元[2]。紅黏土工程特性敏感、不穩(wěn)定，易發(fā)生收縮開(kāi)裂及強(qiáng)度劣化現(xiàn)象[1]，而又常在路基工程中充當(dāng)路基填料使用，因此有必要對(duì)其進(jìn)行改良優(yōu)化。

同時(shí)，在青藏季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)路基路面施工中存在或長(zhǎng)或短的凍脹及融化過(guò)程，土體在經(jīng)歷凍融后其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其物理和力學(xué)性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)的改變[3]。很多學(xué)者對(duì)各類(lèi)土進(jìn)行了凍融循環(huán)試驗(yàn)探究其物理及力學(xué)特性[4-7]，也有涉及紅黏土的凍融循環(huán)作用后的物理力學(xué)性質(zhì)影響試驗(yàn)研究[8]，但對(duì)于季凍區(qū)的改良土的研究還可以進(jìn)一步加深。

此外，土體經(jīng)歷凍融過(guò)程中，土顆粒間的相對(duì)位置以及接觸方式會(huì)發(fā)生變化，對(duì)于研究這種微觀結(jié)構(gòu)變化的各種新技術(shù)層出不窮。目前，通常采用的微觀研究的試驗(yàn)方法有：CT掃描、核磁共振試驗(yàn)、掃描電鏡(scanning electron microscopy,SEM)試驗(yàn)、X射線衍射、壓汞測(cè)孔測(cè)試等等[9-14]。

綜上所述，本研究旨在通過(guò)對(duì)煤渣改良路基填料開(kāi)展凍融循環(huán)試驗(yàn)、常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)(consolidation undrained triaxial test，CU)、電鏡掃描以及微觀定量分析,探究?jī)鋈谘h(huán)作用下路基填料的力學(xué)特性及微觀結(jié)構(gòu)變化，期為季凍區(qū)的路基工程的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣材料

試驗(yàn)選用的紅黏土取自青藏地區(qū)某在建道路工程，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)進(jìn)行室內(nèi)物理試驗(yàn)測(cè)得其相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)，如表1所示。

表1 紅黏土物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of red clay

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)過(guò)程用到的儀器設(shè)備如圖1所示。

1.3 試樣制備及試驗(yàn)步驟

首先，將取樣回來(lái)的原狀土2 mm篩分，與過(guò)5 mm篩的煤渣按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、5%、10%和15%混合，密封靜置24 h后用三瓣飽和器分五層擊實(shí)，每層從同一高度無(wú)初始速度錘擊30下，逐層刮毛處理，并確保試樣的密度相同，制作成標(biāo)準(zhǔn)試樣。將制作好的試樣放入保濕缸中養(yǎng)護(hù)7 d，盡可能的恢復(fù)其原狀結(jié)構(gòu)。測(cè)量試樣的質(zhì)量及幾何尺寸，并記錄，然后將試樣用保鮮膜密封，并貼上標(biāo)簽，將試樣放置在凍融循環(huán)測(cè)試機(jī)中開(kāi)展凍融循環(huán)試驗(yàn)，溫度控制在-20～20 ℃，溫度從20 ℃下降到-20 ℃再上升到20 ℃為一次凍融循環(huán)，一次循環(huán)為24 h。凍融0、1、3、6和9次后取出試樣再次測(cè)量質(zhì)量、直徑、高度、記錄，然后進(jìn)行100 kPa、150 kPa和200 kPa圍壓下的固結(jié)不排水試驗(yàn)(CU)，最后對(duì)試樣進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)以及圖像分析。試驗(yàn)流程如圖2所示。

圖1 主要試驗(yàn)儀器Fig.1 Main test instruments

圖2 試驗(yàn)流程圖Fig.2 Experiment flowchart

1.4 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)主要研究?jī)鋈谘h(huán)下煤渣改良路基填料的力學(xué)性能。共60個(gè)試樣，按不同煤渣摻量分為4類(lèi)，每類(lèi)中3個(gè)試樣為一組，分別進(jìn)行0、1、3、6和9次凍融循環(huán)，而后將3個(gè)試樣分別在100、150和200 kPa圍壓下進(jìn)行固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)(見(jiàn)表2)。

表2 常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)的試驗(yàn)方案Table 2 Test protocol for conventional triaxial compression test

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 三軸試驗(yàn)

2.1.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖3顯示了經(jīng)歷凍融循環(huán)下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖3(a)可以看出，隨著煤渣摻量的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線從弱應(yīng)變軟化型演變?yōu)槿鯌?yīng)變硬化型，最終呈現(xiàn)強(qiáng)應(yīng)變硬化型，這表明煤渣的摻入能夠有效改良地基填料，改良效果與煤渣摻量呈正相關(guān)性。圖3(b)選取了15%煤渣摻量?jī)鋈谘h(huán)9次后的(n=9)應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以看到不同圍壓下曲線的形態(tài)大致相同，隨著圍壓的增大，試樣的偏應(yīng)力同樣增大，曲線的初始增長(zhǎng)階段的速率也在提高，這表明圍壓大小對(duì)于土樣的承載力有提升效果。如圖3(c)所示，當(dāng)圍壓與煤渣摻量相同時(shí)(w=10%，σ3=100 kPa)，不同凍融循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀大致相似，但破壞應(yīng)力明顯降低(應(yīng)變軟化型曲線的破壞應(yīng)力為峰值處應(yīng)力值，而應(yīng)變硬化型取ε=15%對(duì)應(yīng)應(yīng)力)。這意味著凍融循環(huán)作用對(duì)改良路基填料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀影響有限，但對(duì)土樣的破壞應(yīng)力具有顯著的衰減作用。

圖3 凍融循環(huán)作用下改良路基填料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of improved subgrade packing under freeze-thaw cycle

2.1.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線繪制了摩爾應(yīng)力圓，得到了試樣的黏聚力與內(nèi)摩擦角如圖4所示。從圖4(a)可以看到，隨著凍融次數(shù)的增加，試樣的黏聚力一直在下降，凍融1、3次對(duì)試樣的黏聚力影響最大，下降最快，凍融6次后，曲線趨于平穩(wěn)；同時(shí)，隨著煤渣摻量的增加,試樣的黏聚力增大。這表明凍融循環(huán)作用對(duì)試樣劣化作用明顯，但是破壞程度有限，而煤渣的摻入對(duì)凍融循環(huán)的劣化作用有一定的改善。從圖4(b)可知，凍融循環(huán)作用對(duì)試樣的內(nèi)摩擦角影響不明顯，煤渣的摻入雖整體提高了試樣的內(nèi)摩擦角，但提高幅度較小。

圖4 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Fig.4 Shear strength index

2.2 SEM試驗(yàn)

2.2.1 不同放大倍數(shù)下試樣的掃描電鏡結(jié)果

將試驗(yàn)試樣(w=5%)分別放大1 000、3 000、5 000、8 000、10 000和20 000倍得到掃描電鏡圖像，如圖5所示。從圖像可以看到，放大10 000倍的圖像中試樣的粗糙程度以及孔隙和裂縫信息最多、最明顯，因此利用放大10 000倍的圖像進(jìn)行圖像處理，提取所需信息進(jìn)行定量分析；放大8 000倍的圖像骨架結(jié)構(gòu)更加全面，從而采取放大8 000倍圖像進(jìn)行定性分析。

圖5 不同放大倍數(shù)下試樣微觀結(jié)構(gòu)Fig.5 Microstructure of specimens at different magnifications

2.2.2 微觀定性分析

從圖6可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的內(nèi)部孔隙以及結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化。主要表現(xiàn)在土體顆粒間的黏結(jié)減弱，大塊的塊體減少，裂隙發(fā)育快，孔隙多而大；同時(shí)，其接觸方式也發(fā)生了變化，接觸形式由面-面接觸形式逐漸過(guò)渡為邊-面接觸，最后發(fā)展為邊-邊或點(diǎn)-面接觸的形式。究其原因，反復(fù)的凍脹和融縮過(guò)程導(dǎo)致試樣內(nèi)部顆粒間的咬合作用減弱，內(nèi)部團(tuán)簇體分解碎散化，顆粒間的間隙逐步增大，試樣的整體性降低，試樣的微觀破壞越來(lái)越明顯。

圖6 不同凍融循環(huán)次數(shù)試樣放大8 000倍電鏡掃描圖像(5%煤渣摻量)Fig.6 SEM images of specimens magnified 8 000 times for different freeze-thaw cycles (5% cinder admixture)

2.2.3 微觀定量分析

采用自動(dòng)分割法中的最大類(lèi)間方差法對(duì)試樣不同凍融循環(huán)次數(shù)下電鏡掃描圖像進(jìn)行二值化(如圖7)處理[15]，求取其最佳閾值分別為0.372 5、0.345 1、0.376 5、0.419 6和0.372 5；將處理后的圖像導(dǎo)入圖像處理(image pro plus，IPP)軟件，著色、統(tǒng)計(jì)其孔隙面積、孔隙周長(zhǎng)平面孔隙度等。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

圖7 圖像二值化處理Fig.7 Image binarization

從表3可以看到，凍融循環(huán)作用對(duì)于微觀結(jié)構(gòu)的影響明顯。隨著凍融循環(huán)的增加，不論是總的孔隙面積、周長(zhǎng)，還是最大的孔隙面積、周長(zhǎng)、平面孔隙度都隨之增大，從微觀角度定量分析得出結(jié)論進(jìn)一步驗(yàn)證了凍融循環(huán)作用下改良路基填料的力學(xué)特性規(guī)律。

表3 微觀結(jié)構(gòu)測(cè)量結(jié)果Table 3 Results of microstructural measurement

將平面孔隙度與凍融循環(huán)次數(shù)的數(shù)量關(guān)系繪圖，如圖8所示?？梢钥吹剑S著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，平面的孔隙度也隨之增大。凍融循環(huán)1次時(shí)，其增長(zhǎng)程度最大，往后增長(zhǎng)程度降低，凍融循環(huán)6次后，平面孔隙度增長(zhǎng)程度趨于零。同時(shí)，對(duì)平面孔隙度的變化曲線進(jìn)行非線性擬合，得到的擬合方程如式(1)。

φ=11.81+5.07×n-0.28×n2

(1)

式中：φ為平面孔隙度，n為凍融循環(huán)次數(shù)。

圖8 不同凍融循環(huán)次數(shù)下的平面孔隙度變化擬合曲線Fig.8 Fitting curve of plane porosity change under different freeze-thaw cycles

3 結(jié) 論

以煤渣改良路基填料為研究對(duì)象，開(kāi)展凍融循環(huán)試驗(yàn)與常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)(CU),分析了煤渣改良路基填料在凍融循環(huán)下的力學(xué)性能；同時(shí)對(duì)試驗(yàn)后的試樣進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)以及圖像分析，探尋了凍融循環(huán)作用對(duì)煤渣改良路基填料微觀結(jié)構(gòu)的影響，主要研究結(jié)果如下：

1)摻入煤渣能夠有效改良路基填料，改良效果與煤渣摻量呈正相關(guān)性。

2)凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)改良路基填料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀影響不大，但對(duì)土樣的破壞應(yīng)力具有顯著的衰減作用。

3)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體顆粒間的黏結(jié)減弱，大塊的塊體減少，裂隙發(fā)育快，孔隙增大增多；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，接觸方式也發(fā)生了變化，部分接觸形式由面-面接觸形式逐漸過(guò)渡為邊-面接觸，最后發(fā)展為邊-邊或點(diǎn)-面接觸的形式。

4)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不論是總的孔隙面積、周長(zhǎng)，還是最大的孔隙面積、周長(zhǎng)和平面孔隙度都增大。