干湿循环对豫东路基粉土无侧限抗压强度的影响

姜　彤, 李艳会, 张俊然， 李汶亚

(华北水利水电大学 资源与环境学院,河南 郑州 450045)



干湿循环对豫东路基粉土无侧限抗压强度的影响

姜彤, 李艳会, 张俊然， 李汶亚

(华北水利水电大学 资源与环境学院,河南 郑州 450045)

摘要：以3种压实度的豫东路基粉土为研究对象,通过室内无侧限抗压强度试验,研究了在干湿循环作用下,3种压实度的粉土的无侧限抗压强度的变化规律.结果表明:随着干湿循环次数的增加,3种不同压实度粉土的无侧限抗压强度均呈指数函数形式衰减;粉土的无侧限抗压强度随干湿循环次数增加的衰减幅度随着压实度的增大而逐渐减小.根据上述试验规律,用MATLAB中的Lsqcurvefit函数对试验数据进行拟合，得到与干湿循环次数相关的参数,同时用Origin软件建立拟合参数与压实度有关的函数,最后提出了干湿循环作用与压实度耦合影响下的无侧限抗压强度预估模型.

关键词：豫东路基粉土;干湿循环;无侧限抗压强度;预测方法

豫东区域为黄河冲积平原,粉土分布广泛.该区域良性筑路材料缺乏,常以粉土作为公路的路基填筑料.该类土塑性指数低、黏性小,具有松散、透水、黏聚力低的特点,工程性质较差[1].在该区域,气候上存在明显的干湿交替变化的特点,这种干湿循环作用是造成粉土路基强度衰减、沉降量增大,进而导致路基及路面毁损的主要原因之一.

无侧限抗压强度试验[2-3],通俗地讲，是试样在无侧向压力的条件下,抵抗轴向压力的极限强度.关于干湿循环对无侧限抗压强度的影响已有很多学者进行了深入研究.如:杨俊等[4]通过系统的室内无侧限抗压强度试验,研究了掺砂改良膨胀土在干湿循环作用下的无侧限抗压强度的变化规律;杨成斌等[5]以改良的典型合肥膨胀土为对象,研究了无侧限抗压强度随干湿循环次数的变化规律;崔可锐等[6]通过模拟土体季节性的干缩湿胀,探讨了干湿循环效应对膨胀土无侧限抗压强度的影响.

目前已经认识到干湿循环对无侧限抗压强度的影响,但对于干湿循环条件下豫东区域路基粉土的无侧限抗压强度的试验还未开展.笔者通过室内试验进行了一系列无侧限抗压强度试验研究,并用MATLAB软件对试验数据进行了拟合[7-8],并对拟合参数进行了分析,提出了干湿循环作用与压实度耦合作用下预测无侧限抗压强度的实用方法.

1土样的基本性质与试样制备

1.1　土样的基本性质

本次试验所用的土样取自豫东地区,取土深度约为6 m,最大干密度ρd=1.72 g/cm3,土粒相对密度Gs=2.70,液限、塑限分别为24.5%和17.3%,最优含水率wopt=12.7%.豫东地区粉土的颗粒分布曲线如图1所示.按照《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)[9]的分类,试验用的土属于低液限砂质粉土.

图1　豫东粉土的粒径分布曲线

1.2 土样的制备

将土样碾压后经过孔径为2.0 mm的筛,然后在烘箱110 ℃的温度下烘干24 h,放入干燥器中冷却,配置成目标含水率的土样,再用塑料袋包裹密闭24 h后,用静压实法[10]压制成标准三轴试样,直径39 mm,高度80 mm,制成的粉土试样如图2所示.最后用真空泵进行抽真空饱和,达到试验的初始状态.

图2　豫东粉土无侧限三轴试样

2试验方案

2.1　试验仪器与方案设计

试验所用仪器为应变控制式无侧限三轴压缩仪(型号ww-3).试验过程中,轴向剪切速率控制在(1%～3%)/min,剪切至轴向应变为20%结束,各个试验应于8～10 min完成.

试验方案:进行试样压实度分别为90%,93%,96%的3组试验,每组4个试样,每组试验对4个试样分别进行不同循环次数(0，1，3，5次)的干湿循环过程.

2.2　试样的干湿循环过程

为更好地模拟豫东地区实际环境条件,试验根据该区域年平均降水、蒸发量选定试样干湿循环所经历的最大、最小含水率分别为:wmax=ws(ws为试样的饱和含水率),wmin=10%,控制实验室温度为17～18 ℃.具体操作如下所述.

1)失水过程:将制备好的饱和试样在室内自然风干,间隔2 h称量质量并计算含水率,直至达到最小含水率wmin,完成后密闭静置24 h.

2)增湿过程:将风干后的试样用真空泵抽真空方法进行饱和,使其含水率达到ws,密闭静置24 h.

3)经过步骤①、②后试样完成一次干湿循环,重复以上步骤可完成多次干湿循环作用.

3试验结果与分析

3.1　干湿循环作用下试样的破坏特征

图3为不同循环次数下无侧限抗压强度试验的应力-应变关系曲线.由图可知:在剪切过程中,3个压实度的试样经历过0次和1次干湿循环后,试样的应力-应变关系曲线峰值强度明显;经历过3次和5次干湿循环后,试样的应力-应变关系曲线峰值强度不明显,类似于重塑试样的应力-应变关系;试样的峰值强度随着干湿循环次数的增加而减小,而残余强度随干湿循环次数的变化却不明显.

图3　各个试样无侧限抗压试验的应力-应变关系曲线

无侧限三轴试样破坏形式如图4所示.应力-应变关系曲线有峰值的破环形式为图4(a)所示的劈裂形式.应力-应变关系曲线无峰值或者峰值不明显的破环形式为图4(b)和图4(c)所示的鼓胀或者破坏面与主应力面呈(45°+φ/2)角度(φ为粉土的内摩擦角)的破坏形式.

图4　豫东粉土无侧限三轴试样破环的各种形式

3.2　干湿循环作用对豫东粉土无侧限抗压强度的影响

关于无侧限抗压试验破坏强度的选择:①当应力-应变关系曲线有峰值时,选择峰值强度为抗压强度;②当应力-应变关系曲线无峰值或者峰值不明显时,取轴向应变为15%所对应的强度为抗压强度.

在相同的压实度下,定义第n次干湿循环作用下试样的无侧限抗压强度Rci为

Rci=Pi/A，

(1)

式中:Pi为n次干湿循环后无侧限抗压强度试验时试样的极限压应力,kPa;A为试样的截面面积,m2.

试样的无侧限抗压强度试验结果见表1.

表1　各个试样的无侧限抗压强度　kPa

结合表1,以干湿循环次数为横坐标,各个试样无侧限抗压强度为纵坐标,绘制3种不同压实度条件下,试样抗压强度随干湿循环次数变化的曲线[11],如图5所示.由图5可得出以下结论.

1)压实度相同条件下,豫东粉土的无侧限抗压强度随着干湿循环次数的增加具有逐渐减小的变化规律,最后趋于一个稳定值.

2)经过首次干湿循环后，试样的无侧限抗压强度急速减小.其主要原因是,在首次干湿循环试样表面会出现一些裂隙,试样内的大颗粒分解,造成了土体内的胶凝物质破坏,黏性降低.

3)当干湿循环1～3次时,无侧限抗压强度的衰减幅度大大减小,远远小于第1次.主要原因是第1次干湿循环后,土体内的胶凝物质大部分已经遭到了破坏,所剩余的小部分胶凝物质对土体的强度影响不大.

4)当干湿循环5次时,无侧限抗压强度基本稳定,强度变化量随着干湿循环次数的增加变得较小,说明经过前面两个阶段的强度衰减后,干湿循环对无侧限抗压强度的影响很小.

5)随着压实度的增大,无侧限抗压强度随干湿循环次数的增加，衰减幅度减小.在实际工程中,为减小干湿循环对强度的衰减作用,可通过增大压实度来实现.

图5　无侧限抗压强度随干湿循环次数的变化

4无侧限抗压强度的预测方法

根据表2中所给出的无侧限抗压强度的试验结果,在同一压实度下,用MATLAB中的Lsqcurvefit函数对无侧限抗压强度Rci与干湿循环次数n进行拟合,其结果如图6—8所示.

由图6—8可以看出在同一压实度下,无侧限抗压强度Rci与干湿循环次数n之间满足下面的指数函数关系:

Rci=a+bexp(-kn).

(2)

式中参数a,b,k为受压实度d影响的系数,不同的压实度下拟合参数a,b,k取值见表2.

图6　压实度为90%时无侧限抗压强度与干湿循环次数的拟合曲线

图7　压实度为93%时无侧限抗压强度与干湿循环次数的拟合曲线

图8　压实度为96%时无侧限抗压强度与干湿循环次数的拟合曲线

表2　不同压实度下的拟合参数取值

根据拟合参数随压实度的变化规律,利用最小二乘法拟合出与压实度有关的函数,其拟合度R2均在0.97以上,具体数学表达式为:

a=0.016e7.357d，

(3)

b=-1 905d2+3 472d-1 544，

(4)

k=3.666d-2.46.

(5)

式中d为压实度.

将式(3),(4)和(5)代入式(2)中,化简得到:

Rci=0.016e7.357d+(-1 905d2+3 472d-1 544)·

e(-(3.666d-2.46)n)，

(6)

其中n=0,1,3,5.

因此,通过公式(6)可预测豫东粉土干湿循环多次后的无侧限抗压强度,即简单实用的预测模型.本文提出的预测模型仅适用于豫东路基粉土,还有待在今后的使用和实践中进一步探索和改进.

5结语

1)压实度相同条件下,豫东粉土的无侧限抗压强度随着干湿循环次数的增加，其衰减幅度逐渐减小,5次干湿循环后无侧限抗压强度趋于稳定.

2)随着干湿循环次数的增加,3种不同压实度下的豫东粉土的无侧限抗压强度均呈指数函数形式衰减.

3)豫东粉土的无侧限抗压强度随干湿循环次数增加的衰减幅度随着压实度的增大而逐渐减小.因此，在实际工程中,可以通过增大压实度来提高路基土的强度.

4)根据试验数据得到的无侧限抗压强度随干湿循环次数和压实度的变化规律,建立了考虑压实度和干湿循环次数耦合作用的豫东粉土无侧限抗压强度的简单、实用的预估模型.

参考文献

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[2]陈伟东,陈伟,刘运兰.水泥稳定碎石无侧限抗压强度影响因素试验研究[J].施工技术,2014,43(11):72-75.

[3]姜彤,张俊然,陈宇.非饱和膨胀土剪切强度参数对比试验研究[J].华北水利水电学院学报,2013,34(4):1-6.

[4]杨俊,童磊张,国栋,等.干湿循环对风化砂改良膨胀土无侧限抗压强度的影响[J].武汉大学学报(工学版), 2014,47(4):532-536.

[5]杨成斌,查甫生,崔可锐.改良膨胀土的干湿循环特性试验研究[J].工业建筑,2012,42(1):98-102.

[6]崔可锐,郑永龙,赵星玮.干湿循环效应对合肥工业大学南区膨胀土强度特性的影响[J].地基与基础,2010,24(6):810-812.

[7]谭晓慧,李丹,沈梦芬,等.土水特征曲线参数的概率统计及敏感性分析[J].土木建筑与环境工程,2012,34(6):97-103.

[8]PhoonKK,SantosoA,QuekST.Probablisticanalysisofsoil-watercharacteristiccurves[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,2010,136(3):445-455.

[9]交通部公路科学研究院.JTGE40—2007公路土工试验规程[S].北京:人民交通出版社,2007.

[10]沙庆林.公路压实与压实标准[M].北京:人民交通出版社,1998.

[11]秦彩虹,宋剑.粉煤灰改良膨胀土无侧限抗压强度试验[J].重庆科技学院学报(自然科学版),2013,15(5):113-115.

(责任编辑：乔翠平)

Influences of Drying-wetting Cycle on the Unconfined Compressive Strength of Silt of Subgrade in the Eastern Part of Henan Province

JIANG Tong, LI Yanhui, ZHANG Junran, LI Wenya

(School of Resources and Environment, North China University of Water Resources and

Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Abstract:For silt of subgrade with three kinds of compaction degrees in the eastern part of Henan Province, the variation rules of their unconfined compressive strength were researched under drying-wetting cycle and indoor tests. The results show that with the increase of the times of drying-wetting cycle, the unconfined compressive strength of silt of three compaction degrees decays in the form of exponential function, and the attenuation amplitude of unconfined compressive strength decreases with the increase of compaction degree. According to the laws of the above tests, Lsqcurvefit function in MATLAB was adopted to fit the parameters, the relevant parameters with drying-wetting cycle were obtained, then Origin software was used to establish the functions between fitting parameters and compaction degrees. At last, a prediction model of unconfined compressive strength considering the influence of coupling of drying-wetting cycles and compaction degrees was proposed.

Keywords:silt of subgrades in the eastern part of Henan Province; drying-wetting cycles; unconfined compressive strength; prediction method

中图分类号：TU411

文献标识码：A

文章编号：1002-5634(2015)02-0044-05

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.02.010

作者简介：姜彤(1973—)，男，浙江天台人，教授，博导，博士，主要从事岩土工程方面的研究.

基金项目：河南省基础与前沿研究计划项目(132300410021).

收稿日期:2014-12-23