干濕循環(huán)條件下粉砂土路基填料強(qiáng)度特性研究

邱文利，董佳佳，王鋒斌

（河北雄安京德高速公路有限公司，河北 保定 071700）

0 引言

我國修建了大量的蓄滯洪區(qū)用于應(yīng)對洪水災(zāi)害。隨著我國高速公路建設(shè)的飛速發(fā)展，通車總里程已達(dá)16萬km。四通八達(dá)的高速公路不可避免地會經(jīng)過蓄滯洪區(qū)。蓄滯洪區(qū)內(nèi)水的浸入和排出會影響高速公路路基的沉降與穩(wěn)定性，這些都與路基填料的強(qiáng)度特性密切相關(guān)。

學(xué)者們針對干濕循環(huán)條件下路基的強(qiáng)度特性開展了諸多研究。劉禹陽等[1]對黃土開展了三軸剪切和掃描電鏡試驗，研究了干濕循環(huán)路徑下黃土強(qiáng)度與微觀結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律，指出干濕循環(huán)幅度越大，黃土劣化效應(yīng)越明顯。陳銳等[2]采用地聚合物對黃土進(jìn)行固化，通過三軸試驗研究了干濕循環(huán)條件下地聚合物固化黃土抗剪強(qiáng)度的劣化規(guī)律，并提出了固化土強(qiáng)度劣化的經(jīng)驗公式。馬學(xué)寧等[3]對經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)的重塑非飽和黃土開展了三軸試驗，指出隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，黃土抗剪強(qiáng)度參數(shù)明顯降低。郝延周等[4]對壓實(shí)黃土開展了固結(jié)排水三軸剪切試驗，研究了干濕循環(huán)條件對壓實(shí)黃土結(jié)構(gòu)性本構(gòu)關(guān)系的影響。楊繼凱等[5]利用土壤水分特征曲線儀測試了干濕循環(huán)對煤系土土水特征曲線的影響，指出干濕循環(huán)作用使煤系土孔隙率增大，土體持水能力減弱。方瑾瑾等[6]對經(jīng)歷干濕循環(huán)的膨脹土開展了脫濕試驗，研究了干濕循環(huán)和體積變化對膨脹土土水特征曲線的影響。鐘榕芳[7]通過三軸試驗，研究了處于季節(jié)性浸水地區(qū)的路基填料強(qiáng)度的變化規(guī)律，得到了填料強(qiáng)度與前四次干濕循環(huán)作用密切相關(guān)，經(jīng)過四次干濕循環(huán)后趨于穩(wěn)定的結(jié)論。由以上分析可知，既有研究主要關(guān)注了黃土、膨脹土等特殊土以及不同改良土在干濕循環(huán)條件下的強(qiáng)度特性，對高速公路路基常用的粉砂土路基填料在干濕循環(huán)條件下的強(qiáng)度特性研究仍然較少。為了掌握蓄滯洪區(qū)內(nèi)高速公路路基的力學(xué)特性，針對粉砂土路基填料開展干濕循環(huán)試驗并分析其強(qiáng)度特性十分必要。

本文主要針對粉砂土路基填料開展干濕循環(huán)試驗和強(qiáng)度特性試驗，研究粉砂土在干濕循環(huán)條件下的強(qiáng)度特性，并對干濕循環(huán)前后粉砂土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為蓄滯洪區(qū)內(nèi)高速公路路基的強(qiáng)度特性分析提供參考。

1 室內(nèi)試驗

1.1 粉砂土路基填料基本物理參數(shù)

北京至德州高速公路是《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》中“四縱三橫”區(qū)域高速公路網(wǎng)的重要組成部分，對促進(jìn)京津冀一體化具有重要的作用。粉砂土填料取自京德高速公路文安洼蓄滯洪區(qū)路基段。根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430—2020）對粉砂土路基填料開展篩分試驗、界限含水率試驗和擊實(shí)試驗，獲得其基本物理參數(shù)。

通過篩分法和密度計法測得粉砂土粒徑級配累積曲線，粉砂土粒徑級配累積曲線見圖1。由圖1可知，粉砂土d10=0.0025mm，d30=0.012mm，d60=0.046mm，不均勻系數(shù)Cu=18.4≥5，曲率系數(shù)Cc=1.25，1＜Cc＜3。因此，粉砂土路基填料顆粒級配良好。

采用液塑限測定儀測試粉砂土路基填料的液塑限，塑限為19%，液限為30%，塑性指數(shù)為11%。

通過擊實(shí)試驗測試粉砂土路基填料的最優(yōu)含水率和最大干密度，粉砂土路基填料擊實(shí)曲線見圖2。由圖2可知，粉砂土路基填料最優(yōu)含水率為10.5%，最大干密度為1.83g/cm3。

圖1 粉砂土粒徑級配累積曲線

圖2 粉砂土路基填料擊實(shí)曲線

1.2 粉砂土干濕循環(huán)試驗

通過對粉砂土試樣開展干濕循環(huán)試驗，研究蓄滯洪區(qū)水位的升降對粉砂土路基填料強(qiáng)度特性的影響。首先將粉砂土試樣進(jìn)行風(fēng)干，然后按照最優(yōu)含水率配置粉砂土干濕循環(huán)試樣。采用直徑61.8mm，厚度20mm的環(huán)刀制備12組試樣。將制備的試樣進(jìn)行稱重，然后進(jìn)行浸水，使試樣達(dá)到飽和狀態(tài)，飽和狀態(tài)的粉砂土試樣見圖3。試樣飽和24h后放入烘箱，在70±2℃下烘干，烘箱烘干試樣見圖4。對烘干過程中的試樣進(jìn)行稱重，當(dāng)試樣質(zhì)量與最初試樣質(zhì)量相同時，結(jié)束干燥過程。由此，完成一次飽和干燥過程。在每次飽和干燥過程完成后，測試試樣的強(qiáng)度特性，然后繼續(xù)進(jìn)行干濕循環(huán)試驗，直至試樣強(qiáng)度特性達(dá)到穩(wěn)定為止。

1.3 粉砂土強(qiáng)度特性試驗

根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430—2020）對干濕循環(huán)后的粉砂土試樣開展直剪試驗，分別施加100kPa、200kPa、300kPa和400kPa 4個等級的垂向荷載，測試和分析粉砂土試樣抗剪強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。此外，對干濕循環(huán)后的試樣開展固結(jié)試驗，測試和分析粉砂土試樣的壓縮模量隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。

圖3 飽和狀態(tài)的粉砂土試樣

圖4 烘箱烘干試樣

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律

干濕循環(huán)條件下粉砂土抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律見圖5。由圖5可知，粉砂土抗剪強(qiáng)度隨垂向荷載的增大近似呈直線增大。在前4次干濕循環(huán)中，隨循環(huán)次數(shù)的增加，同一垂向荷載下粉砂土的抗剪強(qiáng)度明顯降低，4次干濕循環(huán)作用后，同一垂向荷載下粉砂土的抗剪強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)的變化不再明顯。未經(jīng)歷干濕循環(huán)時，隨著垂向荷載的增大，粉砂土抗剪強(qiáng)度由80.7kPa增大至227.5kPa。經(jīng)歷4次干濕循環(huán)后，隨著垂向荷載的增大，粉砂土抗剪強(qiáng)度由42.2kPa增大至126.2kPa。

圖5 干濕循環(huán)條件下粉砂土抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律

6次干濕循環(huán)作用下粉砂土抗剪強(qiáng)度擬合公式見表1。粉砂土的抗剪強(qiáng)度與垂向荷載具有較強(qiáng)的線性關(guān)系，由擬合公式可知粉砂土在不同干濕次數(shù)時對應(yīng)的黏聚力與內(nèi)摩擦角值。

表1 干濕循環(huán)條件下粉砂土抗剪強(qiáng)度擬合公式

2.2 黏聚力、內(nèi)摩擦角變化規(guī)律

粉砂土黏聚力、內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律見圖6。由圖6可知，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，粉砂土黏聚力由39.616kPa降低至17.199kPa。在前4次干濕循環(huán)中，粉砂土黏聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加明顯降低，4次干濕循環(huán)后，粉砂土的黏聚力趨于穩(wěn)定值。粉砂土的內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加由25.5°降低至15.0°。在前4次干濕循環(huán)中，內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加明顯降低，4次干濕循環(huán)后，內(nèi)摩擦角趨于穩(wěn)定值。

圖6 粉砂土黏聚力、內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

2.3 壓縮模量變化規(guī)律

干濕循環(huán)條件下粉砂土的壓縮模量變化規(guī)律見圖7。由圖7可知，粉砂土的壓縮模量隨垂向荷載的增大近似呈直線增大。同一垂向荷載作用下，粉砂土壓縮模量隨循環(huán)次數(shù)的增加降低。在前四次干濕循環(huán)中，隨循環(huán)次數(shù)的增加，同一垂向荷載下粉砂土的壓縮模量明顯降低，4次干濕循環(huán)作用后，同一垂向荷載下粉砂土的壓縮模量隨循環(huán)次數(shù)的變化不再明顯。未經(jīng)歷干濕循環(huán)時，隨垂向荷載的增大，粉砂土壓縮模量由4.36MPa增大至22.98MPa，經(jīng)歷四次干濕循環(huán)后，壓縮模量由2.83MPa增大至15.54MPa。此外，當(dāng)垂向荷載為400kPa時，粉砂土的壓縮模量在2～3次循環(huán)中降幅最大，達(dá)到18.9%。進(jìn)一步說明粉砂土路基填料經(jīng)歷干濕循環(huán)作用后的壓縮性逐漸增大，即干濕循環(huán)后的路基在外力作用下易發(fā)生變形。

圖7 干濕循環(huán)條件下粉砂土壓縮模量變化規(guī)律

3 粉砂土微觀結(jié)構(gòu)分析

為了進(jìn)一步分析干濕循環(huán)條件下粉砂土強(qiáng)度特性衰減的原因，采用掃描電鏡對經(jīng)過0次和4次干濕循環(huán)作用的粉砂土試樣進(jìn)行觀察，粉砂土試樣微觀結(jié)構(gòu)見圖8，為500倍時干濕循環(huán)試樣微觀圖像。由圖8可知，粉砂土在未經(jīng)歷干濕循環(huán)作用時，試樣表面較完整，顆粒間相互咬合、連接緊密，結(jié)構(gòu)整體性較強(qiáng)。經(jīng)歷4次干濕循環(huán)作用后，粉砂土試樣中產(chǎn)生了較大的孔隙，顆粒間的連接被斷開，大孔隙的產(chǎn)生導(dǎo)致了試樣的整體結(jié)構(gòu)性發(fā)生破壞。因此，經(jīng)歷干濕循環(huán)作用后，粉砂土試樣抗剪強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角和壓縮模量均降低。

圖8 粉砂土試樣微觀結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

本文對蓄滯洪區(qū)粉砂土路基填料開展了干濕循環(huán)試驗和強(qiáng)度特性試驗，研究了粉砂土路基填料的抗剪強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角和壓縮模量隨干濕循環(huán)作用的變化規(guī)律，并通過掃描電鏡分析了粉砂土試樣經(jīng)歷干濕循環(huán)前后的微觀結(jié)構(gòu)。主要得到以下結(jié)論：

（1）在前四次干濕循環(huán)作用下，粉砂土的抗剪強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、壓縮模量均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸降低，四次干濕循環(huán)作用后，粉砂土的強(qiáng)度參數(shù)趨于穩(wěn)定。

（2）由微觀結(jié)構(gòu)分析可知，粉砂土試樣未經(jīng)歷干濕循環(huán)作用時，顆粒間連接緊密，經(jīng)歷四次循環(huán)作用后，顆粒間出現(xiàn)較大孔隙，破壞了結(jié)構(gòu)的完整性，從而使粉砂土試樣的強(qiáng)度降低。