干湿循环对风化砂改良膨胀土回弹模量影响研究

杨 俊，袁 凯，张国栋，唐云伟

(1.三峡大学土木与建筑学院,湖北宜昌 443002；2.宜昌市交通运输局,湖北宜昌 443002)

干湿循环对风化砂改良膨胀土回弹模量影响研究

杨 俊1，袁 凯1，张国栋1，唐云伟2

(1.三峡大学土木与建筑学院,湖北宜昌 443002；2.宜昌市交通运输局,湖北宜昌 443002)

以湖北宜昌弱膨胀土为研究对象,通过掺砂改良后的室内回弹模量试验,研究了改良膨胀土的回弹模量与干湿循环次数、风化砂掺量之间的关系。结果表明:①在相同的风化砂掺量下,改良膨胀土的回弹模量随着干湿循环次数的增加而逐渐降低,回弹模量的衰减幅度在第1次干湿循环时达到最大,之后逐渐减小,当干湿循环进行至4～5次时,回弹模量基本趋于稳定,回弹模量与干湿循环次数可以用指数函数关系进行拟合,且相关性较好；②在经历相同的干湿循环后,随着风化砂掺量的增加,回弹模量衰减幅度以及土体微裂缝的数量逐渐减小；③通过综合考虑干湿循环次数以及风化砂掺量的藕合影响,建立了干湿循环作用下掺砂改良膨胀土回弹模量的三维非线性预估模型,该预估模型参数较少,形式简单,准确性较高,具有一定的推广价值。

膨胀土；风化砂；干湿循环；回弹模量；预估模型

2015,32(11):40-44,51

1 研究背景

膨胀土是一种具有反复胀缩特性,并对环境湿热变化极为敏感的高塑性黏质土,在我国20多个省、市、自治区均有不同程度的分布[1]。膨胀土遇水后体积随即发生膨胀,同时承载能力迅速降低；失水干燥时,土体体积大幅收缩并产生大量的干缩裂缝,对公路、铁路路基的安全造成了严重的影响[2]。因此,《公路路基设计规范》(JTGD30—2004)中规定:不允许直接将未经改良的膨胀土用作路基填料。

在进行膨胀土路基设计与施工监控过程中,回弹模量是计算路面结构层厚度以及衡量路基承载能力的重要参数之一,其反映的是路基在瞬时荷载作用下恢复变形的能力[3]。回弹模量与很多因素有关,例如路基土的类型、应力历史、压实前的初始状态(初始含水率、初始干密度等)以及碾压质量等[4-7]。而对于膨胀土路基而言,大量工程实践表明干湿循环作用是影响其路基回弹模量大小的最主要原因之一[8]。由于膨胀土的强度衰减性,在干湿循环作用下,路基的回弹模量并不是固定不变的。在进行路面结构层厚度计算时,回弹模量取值偏小会使得结构层厚度偏厚,工程造价提高；回弹模量取值偏大又给道路的运营带来安全隐患[9]。因此,回弹模量如何取值是一个亟待解决的问题。目前,国内外关于干湿循环作用对膨胀土性质的影响研究主要集中在胀缩性方面,而对回弹模量随干湿循环次数的变化规律研究得相对较少[10]。

鉴于以上问题,本研究中采用掺风化砂对膨胀土进行改良处理,通过一系列的室内回弹模量试验,探讨了在干湿循环作用下,掺砂改良膨胀土回弹模量的变化规律。同时考虑干湿循环次数及风化砂掺量的藕合影响,建立干湿循环作用下掺砂改良膨胀土回弹模量的三维非线性预估模型,为工程实际提供参考。

2 试验仪器及材料

本文研究中的回弹模量试验采用HW-1型回弹模量测定仪进行,以湖北宜昌灰白膨胀土为研究对象,按照《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)对其进行基本物理性质分析,结果见表1。

表1 膨胀土基本性质试验结果Table 1 Basic properties of expansive soil obtained from test

由表1可以看出:该膨胀土为高液限黏土,自由膨胀率为43%,位于40%～65%范围内,属于弱膨胀土[11]。试验用膨胀土的粒度组成见表2。

表2 膨胀土粒度成分Table 2 Particle composition of expansive soil

试验所用风化砂为片麻岩经风化后所形成,天然含水率较低,颗粒呈典型的棱角状且强度较弱,其在粒度成分上主要以细粒组(0.075～0.25 mm)含量居多,级配不良。各项基本性质参数见表3及图1。

表3 风化砂基本性质试验结果Table 3 Basic properties of weathered sand obtained from test

图1 风化砂颗粒级配曲线Fig.1 Particle gradation curve of weathered sand

3 试验方案

试验参考《公路土工试验规程》(JTG E40—2007),进行不同干湿循环次数下的改良膨胀土回弹模量试验。试验中风化砂的掺入量依次设定为0, 10%,20%,30%,40%和50%。首先进行重型击实试验,得出每种风化砂掺量下的最佳含水率和最佳干密度,然后按照各自的最优含水率击实制备不同风化砂掺量下的回弹模量试件。试件干湿循环过程为:

(1)试件的增湿。试件的增湿过程采用CBR (California Bearing Ratio)浸水装置进行,试件制成后,在试筒上安装好附有调节杆的多孔板,在多孔板上施加4块荷载板,并用拉杆将模具拉紧。将试筒与多孔板一起放入水槽内浸水增湿,直至试样吸水饱和(通过大量试验发现试件的增湿过程约为72 h)。

(2)试件的干燥。将增湿结束后的试件取出,置于阴凉通风处,使其在室温下(25℃)自然风干,在风干过程中反复称重,待试件质量降低至初始质量时即停止干燥处理,并用塑料袋将试件密封一昼夜,使其内部水分分布均匀。

重复上述操作,将试件分别进行1～5次干湿循环,每次干湿循环后采用承压板法测定其回弹模量值。干湿循环过程及回弹模量试验装置如图2所示。

图2 干湿循环过程及回弹模量试验装置Fig.2 The process of wetting-drying cycles and apparatus of resilience modulus test

4 成果分析

4.1 重型击实试验

按照重型击实(98击)的标准对试验土样进行了5种风化砂掺量(10%,20%,30%,40%和50%)下的击实试验,击实结果如图3所示。

图3 掺砂改良膨胀土的重型击实曲线Fig.3 Curves of heavy compaction test on expansive soil improved by weathered sand

图3表明:该膨胀土经掺砂改良后最优含水率随着掺量的增大而减小,而最大干密度则随掺量的增大先增加后减小。产生这一现象的主要原因是由于风化砂粒的相对密度要大于膨胀土,故随着风化砂的掺量增加,最大干密度会越来越大；当掺砂比例超过30%后,继续加大风化砂的掺量,会导致风化砂掺量过多而难以击实,存在较大的孔隙率,故继续再增大风化砂掺量后,会导致最大干密度越来越小。

4.2 回弹模量试验

第i次干湿循环后,风化砂改良膨胀土的回弹模量Ei按式(1)进行计算。

式中:P为承载板上的单位压力(kPa)；D为承压板直径(cm)；l为相应于单位压力的回弹变形(cm)；μ为土的泊松比,本文取0.35。

不同干湿循环次数后风化砂改良膨胀土的回弹模量试验结果见表4。

表4 不同干湿循环次数下改良膨胀土回弹模量试验结果Table 4 Test results of resilient modulus of improved expansive soil under different wetting-drying cycles

根据表4中回弹模量的试验结果,以干湿循环次数i为横坐标,以回弹模量Ei为纵坐标,得到了回弹模量随干湿循环次数的变化曲线,如图4所示,图中λ表示风化砂掺量。

图4 回弹模量随干湿循环次数的变化曲线Fig.4 Variation of resilience modulus with wetting-drying cycles

分析表4和图4可以得出:

(1)掺砂改良膨胀土的回弹模量随着干湿循环次数的增加而逐渐降低,干湿循环4次后,回弹模量趋于稳定。

(2)在风化砂掺量相等的情况下,第1次干湿循环后回弹模量的衰减幅度最大,各风化砂掺量下的回弹模量降低幅度均达到了各自相应总降低幅度的30%以上。产生这一现象的原因是:在经历初次干湿交替后,试样内部即开始产生大量的微裂缝,造成土颗粒间的黏结作用变弱,土团粒分散成小的土颗粒,孔隙率增加,颗粒间的间距变大[12-13],故在外荷载作用下,土体抵抗变形的能力迅速降低。其中当风化砂掺量为10%时,回弹模量的衰减量最大,达到了30.45 MPa,约为总衰减量的46%。随着干湿循环的继续进行,回弹模量的衰减幅度逐渐减小,这是因为在试验过程中发现土体的微裂缝大都是在第1次干湿循环后产生的,当干湿循环次数进一步增加时,微裂缝数量的增长速度逐渐变缓,因此,干湿循环作用对土体抵抗变形能力的影响逐渐减小。

(3)4～5次干湿循环后,掺砂改良膨胀土的回弹模量逐渐趋于稳定,产生这一现象的原因是:在经历多次干湿循环后,土体的微裂缝数量、孔隙率大小及土颗粒间的间距已基本达到稳定,内部微观颗粒结构达到了新的平衡状态[14],此时土体的回弹模量特性趋于稳定。在干湿循环0～5次的过程中,随着风化砂掺量的增加,回弹模量衰减幅度逐渐减小:风化砂掺量为0时,回弹模量降低了62.78 MPa,衰减幅度为71%；当风化砂掺量增至50%时,回弹模量降低了20.73 MPa,衰减幅度为45%。这是因为经掺砂改良后,在干湿循环作用下,土体的裂隙数量显著减少,能够抑制由于水分的反复进出所导致的回弹模量的衰减。

(4)当干湿循环次数相同时,随着风化砂掺量的增加,改良膨胀土的回弹模量先逐渐增大,当风化砂掺量超过10%后,回弹模量反而急剧降低。这是因为掺入适当比例的风化砂之后,土体的干密度增加,孔隙率及颗粒间的间距减小,抵抗变形的能力增加,但是所掺入的风化砂颗粒强度较弱,当掺入量过大时,会造成土体整体的强度降低,因此,导致了回弹模量急剧降低。不同风化砂掺量下干湿循环后的试件如图5所示。

图5 干湿循环后的试件Fig.5 Specimens after wetting-drying cycling

5 干湿循环作用下回弹模量预估模型的建立

5.1 回弹模量公式的建立

分析表4中回弹模量的试验结果可知,在相同的风化砂掺量下,改良膨胀土的回弹模量Ei与干湿循环次数i呈指数函数关系,拟合曲线如图6所示。

图6 不同风化砂掺量的膨胀土回弹模量与干湿循环次数的拟合曲线Fig.6 Fitting curves of wetting-drying cycles and resilient modulus for expansive soil with different contents of weathered sand

从图6中可以看出,回弹模量Ei与干湿循环次数i之间的关系可以用指数函数很好地加以描述,且相关性较好。故回弹模量Ei可用下式来表示:

式中:A,B均为与风化砂掺量有关的系数。

表5为不同风化砂掺量下的回归参数。分别将回归参数A,B与风化砂掺量λ进行回归分析,结果如图7所示。

表5 不同风化砂掺量下的回归参数Table 5 Regression parameters under differentweathered sand contents

由图7可见,回归参数A与风化砂掺量λ呈良好的指数函数关系；回归参数B自然对数的负值-lnB与风化砂掺量的自然对数lnλ呈较好的线性关系,即

将式(3)、式(4)代入式(2),化简得

故不同干湿循环次数后风化砂改良膨胀土的回弹模量计算公式为

图7 回归参数A，B随风化砂掺量λ的变化曲线(原状土除外)Fig.7 Curves of the variation of regression parameters A and B with weathered sand content λ (exclusive of intact soil)

5.2 回弹模量计算模型的验证

为了检验回弹模量模型的准确性,将相应的风化砂掺量λ、干湿循环次数i代入式(6)中,利用已建模型计算出不同干湿循环次数、不同风化砂掺量下试件的回弹模量。分别以回弹模量实测值与计算值为横、纵坐标,绘制出回弹模量实测值与计算值的散点图,如图8所示。可以发现,大部分的散点都集中分布在直线y=x周围,因此,根据预估模型得出的回弹模量计算值具有较强的代表性,该模型精确度较高。

图8 回弹模量实测值与计算值散点图Fig.8 Scatter plot of measured values and calculated values of resilient modulus

6 结 论

通过室内回弹模量试验,研究了风化砂改良膨胀土的回弹模量随干湿循环次数的变化规律,得到了以下结论:

(1)在相同的风化砂掺量下,回弹模量随着干湿循环次数的增加而逐渐降低,第1次干湿循环后,回弹模量的衰减幅度最大,随着干湿循环的继续进行,回弹模量的衰减幅度逐渐减小,4～5次干湿循环之后,各风化砂掺量下的回弹模量基本趋于稳定。

(2)在相同的干湿循环次数下,回弹模量随着风化砂掺量的增加先逐渐增大,当风化砂掺量超过10%后,回弹模量反而急剧降低。

(3)掺风化砂能够抑制由于干湿交替所导致的回弹模量的衰减以及微裂缝的开展,在0～5次干湿循环过程中,随着风化砂掺量的增加,回弹模量衰减幅度逐渐减小。

(4)通过综合干湿循环次数、风化砂掺量等因素的影响,建立了回弹模量的预估模型,并对已建模型进行了验证,该模型参数较少、形式简单、便于工程应用。

[1]慕现杰,张小平.干湿循环条件下膨胀土力学性能试验研究[J].岩土力学,2008,28(增):580-582.(MU Xianjie,ZHANG Xiao-ping.Research on Mechanical Properties of Expansive Soil under Wetting-drying Cycle[J].Rock and Soil Mechanics,2008,28(Sup.):580-582.(in Chinese))

[2]郑健龙.公路膨胀土工程[M].北京:人民交通出版社, 2009:24-29.(ZHENG Jian-long.Highway Expansive Soil Engineering[M].Beijing:China Communications Press, 2009:24-29.(in Chinese))

[3]石 鸿,谷志文,王选仓.公路路基回弹模量承载板试验方法研究[J].公路,2008,9(9):118-122.(SHI Hong,GU Zhi-wen,WANG Xuan-cang.Research on Resilient Modulus of Sub-grade Bearing Plate Test Method[J].Highway,2008,9(9):118-122.(in Chinese))

[4]陈开圣,沙爱民.压实黄土回弹模量试验研究[J].岩土力学,2010,3(3):748-753.(CHEN Kai-sheng,SHA Aimin.Research on Resilient Modulus Test of Compacted Loess[J].Rock and Soil Mechanics,2010,3(3):748-753. (in Chinese))

[5]陈声凯,凌建明,罗志刚.路基土回弹模量应力依赖性分析及预估模型[J].土木工程学报,2007,40(6):95-99.(CHEN Sheng-kai,LING Jian-ming,LUO Zhi-gang. Stress-dependent Characteristics and Prediction Model of the Resilient Modulus of Subgrade Soils[J].China Civil Engineering Journal,2007,40(6):95-99.(in Chinese))

[6]戈晓明,李术才,王松根,等.非饱和粉土回弹模量的应力依赖性与水敏感性藕合分析[J].山东大学学报(工学版),2013,43(2):84-88.(YI Xiao-ming,LI Shu-cai, WANG Song-gen,et al.Coupling Analysis of Stress Dependence and Water Sensitivity for the Resilient Modulus of Unsaturated Silt Soil[J].Journal of Shangdong University(Engineering Science),2013,43(2):84-88.(in Chinese))

[7]凌建明,苏华才,谢华昌,等.路基土动态回弹模量的试验研究[J].地下空间与工程学报,2010,6(5):919-925. (LING Jian-ming,SU Hua-cai,XIE Hua-chang,et al. Laboratory Research on Dynamic Resilient Modulus of Subgrade Soil[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2010,6(5):919-925.(in Chinese))

[8]李 聪,邓卫东,崔相奎.干湿循环条件下完全扰动黄土路基回弹模量分析[J].交通科学与工程,2009, 25(2):8-12.(LI Cong,DENG Wei-dong,CUI Xiangkui.Study on Resilient Modulus of Remolded Loess in Wetting-drying Cycle Process[J].Journal of Transport Science and Engineering,2009,25(2):8-12.(in Chinese))

[9]陈开圣,胡 鑫.高液限红黏土回弹模量试验[J].公路,2010,(4):143-147.(CHEN Kai-sheng,HU Xin.Resilient Modulus Test of High Liquid Red Clay[J].Highway,2010,(4):143-147.(in Chinese))

[10]凌建明,陈声凯,曹长伟.路基土回弹模量影响因素分析[J].建筑材料学报,2007,10(4):446-451. (LING Jian-ming,CHEN Sheng-kai,CAO Chang-wei.A-nalysis of Influence Factors on Resilient Modulus of Subgrade Soils[J].Journal of Building Materials,2007, 10(4):446-451.(in Chinese))

[11]杨 俊,黎新春,张国栋,等.风化砂不同掺入率对膨胀土特性影响的研究[J].工业建筑,2012,43(1):55-60.(YANG Jun,LI Xin-chun,ZHANG Guo-dong,et al. Research on the Influence on Expansive Soil Characteristics by Different Mixing Rates of Weathered Sand[J].Industrial Construction,2012,43(1):55-60.(in Chinese))

[12]李 聪,邓卫东,张 盛.考虑非饱和土基质吸力影响的路基回弹模量研究[J].公路交通技术,2008,(4):5 -7.(LI Cong,DENG Wei-dong,ZHANG Sheng.Research on Subgrade Rebounding Modulus Allowing for Influence of Unsaturated Soil Matric Suction[J].Technology of Highway and Transport,2008,(4):5-7.(in Chinese))

[13]吕海波,曾召田,赵艳林,等.膨胀土强度干湿循环试验研究[J].岩土力学,2009,30(12):3797-3802.(LV Hai-bo,ZENG Zhao-tian,ZHAO Yan-lin,et al.Experimental Studies in Strength if Expansive Soil in Drying and Wetting Cycle[J].Rock and Soil Mechanics,2009,30 (12):3797-3802.(in Chinese))

[14]黄 斌,何晓明,谭 凡.K0应力状态膨胀土膨胀模型试验研究[J].岩土工程学报,2011,33(增1):442-447.(HUANG Bin,HE Xiao-min,TAN Fan.Experimental Study on Expansion Model of Expansive Soil in State of K0Stress[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2011,33(Sup.1):442-447.(in Chinese))

(编辑:黄 玲)

Effect of Wetting-drying Cycle on Resilient Modulus of Expansive Soil Improved by Weathered Sand

YANG Jun1,YUAN Kai1,ZHANG Guo-dong1,TANG Yun-wei2
(1.College of Civil Engineering and Architecture,China Three Gorges University,Yichang 443002,China；2.Yichang Communications and Transportation Bureau,Yichang 443002,China)

The relationships between resilient modulus of improved expansive soil and wetting-drying cycle and dosage of weathered sand respectively were researched through testing the resilient modulus of expansive soil improved by weathered sand.The weak expansive soil in Yichang was taken as the research object.Results showed that:1) with the same dosage of weathered sand,the expansive soil's resilient modulus gradually decreased with the increasing number of wetting-drying cycles.The decay rate reached maximum at the first wetting-drying cycle,and then gradually decreased.When the wetting-drying came to the fourth to fifth cycle,the resilient modulus is basically stable.Resilient modulus and wetting-drying cycle can be fitted with exponential function,and the correlation is quite well；2)after the same wetting-drying cycles,the decay rate of resilient modulus and the amount of soil's micro-cracks decreased with the increase of weathered sand dosage；3)in consideration of the coupling effects of wetting-drying cycles and weathered sand dosage,the three-dimensional nonlinear prediction model of weathered sand improved expansive soil's resilient modulus under wetting-drying cycles was established.The prediction model is of simple form and high accuracy,hence it is worth promotion.

expansive soil；weathered sand；wetting-drying cycles；resilient modulus；prediction model

TU43

A

1001-5485(2015)11-0040-05

10.11988/ckyyb.20140324

2014-04-28；

2014-05-24

湖北省教育厅自然科学研究重点项目(D20131304)

杨 俊(1976-),男,湖北武汉人,副教授,博士,研究方向为公路特殊土路基处理、路面新材料开发与利用、建筑垃圾及工业垃圾的路用性能,(电话)15971646394(电子信箱)wangjing750301@163.com。