凍融循環(huán)對(duì)風(fēng)化砂改良膨脹土回彈模量影響研究

楊 俊, 李元豐, 劉世宜

(1.三峽大學(xué) 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

凍融循環(huán)對(duì)風(fēng)化砂改良膨脹土回彈模量影響研究

楊 俊1,2, 李元豐1,2, 劉世宜1,2

(1.三峽大學(xué) 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

文章研究了風(fēng)化砂改良膨脹土的回彈模量值與風(fēng)化砂摻量、凍融循環(huán)次數(shù)之間的定性和定量關(guān)系。在膨脹土中分別摻入0、10%、20%、30%、40%、50%的風(fēng)化砂,在經(jīng)過(guò)0、1、3、6、9、12次凍融循環(huán)后,在杠桿壓力儀上進(jìn)行回彈模量值測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明:在同一摻砂比例下,風(fēng)化砂改良膨脹土的回彈模量均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大而減小,且其回彈模量隨凍融循環(huán)次數(shù)增加呈對(duì)數(shù)形式衰減,到12次凍融循環(huán)后,趨向于穩(wěn)定;在同一凍融循環(huán)次數(shù)下,風(fēng)化砂改良膨脹土的回彈模量隨摻砂比例的增大先增大后減小,總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),當(dāng)摻砂比例為10%時(shí),其回彈模量最大。

膨脹土;凍融循環(huán);風(fēng)化砂;回彈模量

0 引 言

膨脹土是一種遇水膨脹軟化、失水收縮開(kāi)裂的特殊黏性土。它具有超固結(jié)性、多裂隙性、強(qiáng)親水性等特點(diǎn),膨脹土的這些特性,導(dǎo)致其工程性質(zhì)極差,不能直接用作路基的填料。當(dāng)在膨脹土分布廣泛且土源緊張的地區(qū)修筑路基時(shí),必須對(duì)膨脹土進(jìn)行改良處理,達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)后,方可用作路基填料[1-5]。采用石灰、水泥、粉煤灰等外加劑進(jìn)行化學(xué)改良,從而抑制膨脹土的脹縮變形,是當(dāng)前工程上廣泛使用的方法。由于在湖北省宜昌市三峽庫(kù)區(qū)廣泛分布著風(fēng)化砂,其棱角分明并有一定的粒徑和硬度,本文提出一種利用風(fēng)化砂來(lái)進(jìn)行膨脹土改良的措施,依靠風(fēng)化砂顆粒之間的摩阻力來(lái)吸收膨脹土脹縮變形產(chǎn)生的應(yīng)力,從而使膨脹土的脹縮變形得到控制。一系列的室內(nèi)試驗(yàn)表明,摻風(fēng)化砂能較好地遏制膨脹土的脹縮變形。

回彈模量反映了土基彈性變形階段內(nèi),在垂直荷載作用下抵抗豎向變形的能力,是路基設(shè)計(jì)需要考慮的主要強(qiáng)度指標(biāo),在公路項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收中,路基回彈模量都是一個(gè)極其重要的指標(biāo)。在季節(jié)性的凍土地區(qū),路基土體受到凍融循環(huán)的反復(fù)作用后,不僅土顆粒之間的聯(lián)結(jié)力被破壞,使土顆粒重新排列,土體的含水率也發(fā)生變化,使土體在凍融循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生沉降變形,導(dǎo)致路基破壞。由于凍融作用使土體的強(qiáng)度降低,其回彈模量必定會(huì)受凍融循環(huán)作用的影響[6-13]。本文在膨脹土中摻入不同質(zhì)量比的風(fēng)化砂,按照試驗(yàn)規(guī)程制作標(biāo)準(zhǔn)試樣;然后再對(duì)這些試樣進(jìn)行不同次數(shù)的凍融循環(huán);最后進(jìn)行室內(nèi)回彈模量試驗(yàn),并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析,得到了風(fēng)化砂改良膨脹土在凍融循環(huán)反復(fù)作用下回彈模量的變化規(guī)律,建立了不同摻砂比例下凍融循環(huán)次數(shù)與改良膨脹土回彈模量之間的數(shù)學(xué)模型,為三峽庫(kù)區(qū)風(fēng)化砂改良膨脹土在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)和參考。

1 試驗(yàn)所用材料及試驗(yàn)方案

1.1 膨脹土

土樣取自湖北省宜昌市某一級(jí)公路施工現(xiàn)場(chǎng),為灰白色膨脹土。按照文獻(xiàn)[14],采用篩分法和密度計(jì)法相結(jié)合測(cè)定試樣不同粒徑組的質(zhì)量分?jǐn)?shù),利用光電式液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)定試樣的界限含水率,并進(jìn)行相對(duì)密度及自由膨脹率等試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如下:試驗(yàn)所用膨脹土主要由35.11%的砂粒組、52.88%的粉粒組及12.01%的黏粒組構(gòu)成,液限wL、塑限wP和塑性指數(shù)IP分別為46.1%、18.9%、27.2%,天然含水率為29.43%,天然密度為1.89 g/cm3,重力密度為18.52 kN/m3,相對(duì)密度為2.66,活性指數(shù)為1.43,自由膨脹率為53%。

根據(jù)文獻(xiàn)[15]可以判別,該土樣液限接近50%,自由膨脹率為53%,塑性指數(shù)大于25,具有顯著的吸水膨脹和失水收縮2種變形特性,基本可定性為高液限弱膨脹土,必須經(jīng)過(guò)處理才能用作路基填料。

1.2 風(fēng)化砂

對(duì)改良所用風(fēng)化砂進(jìn)行顆粒分析及相對(duì)密度試驗(yàn),并在取料時(shí)對(duì)其天然含水率及天然密度進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)結(jié)果如下:試驗(yàn)所用風(fēng)化砂主要由0.65%的粗粒組、72.70%的中粒組及26.65%的細(xì)粒組構(gòu)成,不均勻系數(shù)為51.61,曲率系數(shù)為13.16,天然含水率為11.54%,天然密度和重力密度分別為1.65 g/cm3和16.17 kN/m3,相對(duì)密度為2.16,活性指數(shù)為0.31。由此可見(jiàn),試驗(yàn)用風(fēng)化砂顆粒尺寸比較單一,級(jí)配不良。

1.3 風(fēng)化砂改良膨脹土對(duì)膨脹指標(biāo)的影響

將風(fēng)化砂按質(zhì)量比分別為10%、20%、30%、40%、50%摻入膨脹土中,分別進(jìn)行自由膨脹率δef、有荷膨脹率δep、無(wú)荷膨脹率δe、膨脹力Pe試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1所列。

從表1可以看出,摻入風(fēng)化砂能有效地遏制膨脹土的膨脹指標(biāo),改善膨脹土的膨脹特性。

1.4 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用可控溫型冷凍箱進(jìn)行凍融;采用金屬圓形試筒制作試件,其內(nèi)徑為152 mm，高為170 mm;筒內(nèi)墊塊直徑為151 mm，高為50 mm;杠桿壓力儀的最大壓力為1 500 N;承壓板直徑為50 mm,高度為80 mm;電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的最大壓力為2 000 kN。

在膨脹土中,分別摻入質(zhì)量比為0、10%、20%、30%、40%、50%的風(fēng)化砂,質(zhì)量比為風(fēng)化砂干質(zhì)量占試樣總干質(zhì)量的百分比。采用重型擊實(shí)方法得出不同摻砂比例下各試樣的最佳含水率及最大干密度。取具有代表性的風(fēng)干土樣若干,摻入各自設(shè)計(jì)比例的風(fēng)化砂后,配至最佳含水率,并燜料24 h。

重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2所列。

表2 風(fēng)化砂改良膨脹土的重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)最大干密度、最佳含水率及試筒的體積計(jì)算出試件所需土樣的質(zhì)量,以上述圓形試筒為試樣成型模具,采用萬(wàn)能液壓試驗(yàn)機(jī)靜壓成型的方式制作試件,試件高度120 mm,直徑152 mm。將帶試筒的試樣用塑料薄膜密封,以防止其水分散失。

考慮到當(dāng)?shù)氐淖畹蜏囟?將凍融循環(huán)的負(fù)溫度設(shè)為-15 ℃,冷凍時(shí)間為24 h,將其取出放置在室溫條件下24 h,此為1次凍融循環(huán),整個(gè)過(guò)程需耗費(fèi)時(shí)間48 h。本次試驗(yàn)方案分別按0、1、3、6、9、12次進(jìn)行凍融循環(huán),每組制作3個(gè)平行試件。

將完成凍融循環(huán)后的試件取出,采用承載板法,利用杠桿壓力儀進(jìn)行試驗(yàn)。安裝好試樣后,需要對(duì)試件預(yù)先進(jìn)行施加壓力,再逐級(jí)加載,測(cè)出各試件土體在不同單位壓力下的回彈變形。杠桿壓力儀如圖1所示。

圖1 杠桿壓力儀

土體回彈模量的計(jì)算公式為:

其中,E為各試件土體的回彈模量值;p為施加在承載板上的單位壓力;D為回彈模量測(cè)試儀所用承載板直徑;L為試件土體在單位壓力下的回彈變形;μ為泊松比,取0.35。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同摻砂比例、不同凍融循環(huán)次數(shù)下風(fēng)化砂改良膨脹土的回彈模量見(jiàn)表3所列。

表3 凍融循環(huán)對(duì)改良膨脹土回彈模量的影響 MPa

2.1 不同摻砂比例的影響

回彈模量與摻砂比例的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 不同凍融循環(huán)次數(shù)下?lián)缴氨壤龑?duì)回彈模量的影響

圖2表明,在各次凍融循環(huán)作用下,改良膨脹土的回彈模量隨摻砂比例的增加先增大后減小,當(dāng)摻砂比例達(dá)到10%時(shí),回彈模量達(dá)到最大值。在摻砂10%狀態(tài)下,凍融循環(huán)次數(shù)分別為0、1、3、6、9、12次時(shí),試樣回彈模量相對(duì)于未摻砂改良增大的幅度分別為26.6%、31.2%、37.5%、38.8%、39.0%、40.0%;而當(dāng)摻砂比例為50%,凍融循環(huán)次數(shù)分別為0、1、3、6、9、12次時(shí),風(fēng)化砂改良膨脹土的回彈模量相對(duì)于未摻砂膨脹土降低的幅度分別為47.9%、61.4%、74.4%、86.3%、90.0%、92.6%。由此可知,風(fēng)化砂改良膨脹土的回彈模量隨摻砂比例增大的幅度僅為其降低幅度的1/2左右,增長(zhǎng)的幅度遠(yuǎn)小于降低的幅度,說(shuō)明風(fēng)化砂改良膨脹土的回彈模量總體上呈現(xiàn)為降低的趨勢(shì)。當(dāng)摻砂比例較小(0～20%)時(shí),各凍融循環(huán)次數(shù)下風(fēng)化砂改良膨脹土的回彈模量均大于30MPa,滿足文獻(xiàn)[14]中對(duì)高等級(jí)公路路基土體回彈模量的要求。這是由于風(fēng)化砂具有一定的粒徑,少量風(fēng)化砂的摻入,與膨脹土拌合后,形成骨架結(jié)構(gòu),使得其強(qiáng)度增大,隨著風(fēng)化砂的進(jìn)一步摻入,試樣顆粒之間的間距增大,導(dǎo)致試樣的孔隙率增大,壓實(shí)度降低,從而降低了風(fēng)化砂改良膨脹土的回彈模量。

2.2 凍融循環(huán)次數(shù)的影響

風(fēng)化砂改良膨脹土的回彈模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)回彈模量的影響

圖3表明,當(dāng)摻砂比例相同時(shí),凍融循環(huán)次數(shù)越多,改良膨脹土的回彈模量值越小。在第1次凍融循環(huán)后,各摻砂比例下的膨脹土回彈模量降低值約為20MPa;經(jīng)過(guò)3次凍融循環(huán)之后,各摻砂比例下的膨脹土回彈模量降低值約為15MPa;經(jīng)過(guò)6次凍融循環(huán)之后,各摻砂比例下的回彈模量降低值約為10MPa;經(jīng)過(guò)9次凍融循環(huán)之后,各摻砂比例下的回彈模量降低值約為5MPa;經(jīng)過(guò)12次凍融循環(huán)之后,各摻砂比例下的回彈模量降低值約為3MPa。由此可見(jiàn),風(fēng)化砂改良膨脹土的回彈模量值減小的幅度在凍融循環(huán)前6次下降較大,經(jīng)過(guò)6次凍融循環(huán)之后,減幅趨緩,在經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)12次之后,回彈模量值基本穩(wěn)定。這說(shuō)明在多次凍融之后,風(fēng)化砂改良膨脹土的回彈模量值逐漸穩(wěn)定。分析其主要原因,土中的自由水在0 ℃時(shí)凍結(jié)呈冰晶體,隨著溫度的繼續(xù)降低,弱結(jié)合水的最外層也開(kāi)始凍結(jié),使得冰晶體周圍土中的結(jié)合水膜減薄,土粒因此產(chǎn)生剩余的分子力,在這種力的作用下,未凍結(jié)區(qū)的水分不斷向凍結(jié)區(qū)遷移聚集,使冰晶體不斷擴(kuò)大,土體體積也隨著增大,使得土體孔隙率變大,土體從致密狀態(tài)逐漸向稀疏狀態(tài)轉(zhuǎn)化,破壞了土體微觀結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致了土體強(qiáng)度的降低。繼續(xù)增加凍融循環(huán)次數(shù),之前發(fā)生的凍融循環(huán)致使土體孔隙率變大,提供了足夠的空間供再次發(fā)生凍脹縮體積增大,因此改良土體的強(qiáng)度衰減率比經(jīng)過(guò)第1次凍融循環(huán)時(shí)小,再加上由于水分遷移引起土體孔隙率的增大已經(jīng)充分發(fā)展,土體的結(jié)構(gòu)也趨向穩(wěn)定,因而多次凍融循環(huán)后土體的回彈模量變化相當(dāng)小,并逐漸趨于穩(wěn)定。

3 改良膨脹土回彈模量的數(shù)學(xué)模型

路基用土在經(jīng)受凍融循環(huán)后,回彈模量值主要受溫度、初始含水率、壓實(shí)度等因素的影響,當(dāng)這些因素差別不大時(shí),凍融循環(huán)次數(shù)則是路基土回彈模量最主要的影響因素。因此,根據(jù)表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立了凍融循環(huán)后風(fēng)化砂改良膨脹土的預(yù)估模型,而對(duì)于摻砂比例這種次要因素則可以通過(guò)模型參數(shù)來(lái)反映。其模型方程為：

E=AlnN+B

(1)

其中,A、B為與摻砂比例有關(guān)的系數(shù);E為風(fēng)化砂改良膨脹土的回彈模量;N為凍融循環(huán)次數(shù)。

不同砂礫摻量改良重黏土回彈模量與凍融次數(shù)的擬合參數(shù)見(jiàn)表4所列，表4中，R2為回歸相關(guān)參數(shù)。

表4 改良重黏土回彈模量與凍融次數(shù)的擬合參數(shù)

根據(jù)模型方程對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,分析曲線如圖4所示。

圖4 不同摻砂比例下,回彈模量與凍融循環(huán)次數(shù)的擬合曲線

表4和圖4表明,當(dāng)摻砂比例相同時(shí),增大凍融循環(huán)作用次數(shù),改良膨脹土的回彈模量呈對(duì)數(shù)形式衰減。系數(shù)A和B都是與天然砂礫摻加比例有關(guān)的量,系數(shù)A都小于0,說(shuō)明采用風(fēng)化砂進(jìn)行改良的膨脹土回彈模量與凍融循環(huán)次數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,當(dāng)摻砂比例為10%時(shí),系數(shù)A的絕對(duì)值最大,在此摻砂比例下,風(fēng)化砂改良膨脹土的回彈模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大降低的速率最快;系數(shù)B數(shù)值上為某一摻砂比例下凍融循環(huán)次數(shù)為1次時(shí),風(fēng)化砂改良膨脹土的回彈模量值與同一條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比,兩者相差極小,基本相同。各摻砂比例下,預(yù)估模型方程的相關(guān)系數(shù)均大于0.98,接近于1,可知所選的預(yù)估模型與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的相關(guān)性,說(shuō)明所選模型具有較高的合理性和可靠性,可為季節(jié)性凍土地區(qū)膨脹土路基的設(shè)計(jì)及施工提供參考。

4 結(jié) 論

本文對(duì)經(jīng)過(guò)0、1、3、6、9、12次凍融循環(huán)后的風(fēng)化砂改良膨脹土試樣進(jìn)行側(cè)限回彈模量試驗(yàn),研究了其回彈模量與凍融循環(huán)次數(shù)、摻砂比例之間的變化關(guān)系,得出了以下結(jié)論:

(1) 當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí),增加摻砂比例,風(fēng)化砂改良膨脹土的回彈模量隨摻砂比例的增加先增大后減小,當(dāng)摻砂比例為10%時(shí),其回彈模量達(dá)到最大值。

(2) 在同一摻砂比例下,增大凍融循環(huán)作用次數(shù),改良膨脹土的回彈模量值逐漸減小,其降低的幅值亦隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小。各級(jí)摻砂比例下,前6次凍融循環(huán)降低幅值最大,在凍融循環(huán)達(dá)到12次以后,回彈模量值基本穩(wěn)定。

(3) 在同一摻砂比例下,風(fēng)化砂改良膨脹土的回彈模量值隨凍融循環(huán)次數(shù)增加呈對(duì)數(shù)形式衰減。

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(責(zé)任編輯 張淑艷)

Research on the influence of freeze-thaw cycles on resilient modulus of weathered sand improved expansive soil

YANG Jun1,2, LI Yuanfeng1,2, LIU Shiyi1,2

(1.Collaborative Innovation Center for Geo-Hazards and Eco-Environment in Three Gorges Area of Hubei Province, China Three Gorges University, Yichang 443002, China; 2.College of Civil Engineering and Architecture, China Three Gorges University, Yichang 443002, China)

The qualitative and quantitative relationships between the resilient modulus of weathered sand improved expansive soil and the weathered sand content and cycle times of freeze-thaw were researched. 0, 10%, 20%, 30%, 40%, 50% of the weathered sand was added into the expansive soil respectively. The resilient modulus test was done by using the lever pressure instrument after 0, 1, 3, 6, 9, 12 cycles of freezing and thawing. The test results showed that with the increase of cycles of freeze-thaw, the resilient modulus of weathered sand improved expansive soil decreased at the same mixed sand ratio. The resilient modulus logarithmically decayed with the increase of freeze-thaw cycles. When the cycles of freeze-thaw reached 12 times, the resilient modulus tended to be stable. With the increase of the mixed sand ratio, the resilient modulus of weathered sand improved expansive soil first increased and then decreased at the same times of freeze-thaw, showing a downward trend. When the mixed sand ratio reached 10%, the resilient modulus was maximum.

expansive soil; freeze-thaw cycle; weathered sand; resilient modulus

2015-11-16；

2017-03-20

湖北省教育廳自然科學(xué)研究重點(diǎn)資助項(xiàng)目(D20131304)

楊 俊(1976-),男,湖北武漢人,博士,三峽大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.05.022

TU411.3

A

1003-5060(2017)05-0685-05