冻融作用下生石灰处置过湿粘土动态回弹模量试验研究

2019-10-19张文思赵国君

北方交通 2019年9期

张文思,赵国君

(1.大众卓越控股集团长春市 130000；2.吉林建筑大学交通科学与工程学院长春市 130118)

动态回弹模量是路基土体抗变形能力的表征，《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)附录A(路基土回弹模量标准试验方法)和附录B(路基土动态回弹模量取值范围)对路基设计指标与试验方法提出了新的要求，由于吉荒高速公路沿线可借鉴的生石灰处置过湿土的动态回弹模量的研究内容尚处于空白，因此，使用DTS-30多功能气压伺服路面材料动态测试系统对5%和7%生石灰掺量条件下过湿粘土的动态回弹模量进行试验研究，分析不同应力状态、冻融作用、生石灰掺量以及含水率对生石灰处置过湿粘土路基动态回弹模量的影响规律，结合路基实际围压工作范围，给出生石灰处置过湿粘土动态回弹模量建议值。

1 原材料试验

按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)对原材料进行了相关基本物理性质试验，试验结果表明：试验用土液限为38.4%，塑限为21%，塑性指数为17.4%，依据《岩土工程勘察规范》为粘土。土样最佳含水率为14.8%，最大干密度为1.834g/cm3，土颗粒以粒径小于0.075mm粉粒和粘粒为主，占总比例的97.7%。试验使用的生石灰钙镁含量为70.5%，为钙质III级生石灰。

2 动态回弹模量试验

2.1 试验仪器

试验采用多功能气压伺服路面材料动态测试系统，该系统由DTS-30加载系统、CADS数据采集控制系统和TestLab测试软件组成。

2.2 试件制备

采用湿土法和二次掺灰的方法制备试件，即先在土中加入水，拌和后密封放置一夜使其均匀，第二天进行第一次掺灰，焖料24h后进行第二次掺灰，再焖料24h静压成圆柱形试件，试件的标准尺寸为直径10cm、高度20cm。在试件静压过程中，若试件含水率过高，土会从试模中挤出，此时试件无法满足压实度要求。经过反复试验，5%生石灰掺量时含水率上限为ωopt+6%，7%生石灰掺量时含水率上限为ωopt+8%。

2.3 试验方案

试验选取应力状态、生石灰掺量、含水率和冻融作用作为变量，探究生石灰处置过湿粘土动态回弹模量的演化规律。应力状态的选取参考罗志刚给出的路基细粒土试件加载序列，见表1；5%生石灰掺量试件的含水率分别为ωopt、ωopt+4%、ωopt+6%，7%生石灰掺量试件的含水率分别为ωopt、ωopt+4%、ωopt+6%、ωopt+8%，素土不考虑过湿状态,试件的压实度为94%。试件在20℃温度、95%湿度条件下养生7d，然后进行7次冻融循环，每种工况进行3个平行试验。

试验采用DTS-30加载重复循环半正矢脉冲荷载，施加荷载的频率为1Hz，持续时间为0.8s，间歇时间为0.2s，每个序列的循环荷载加载100次，为避免加载初期试件变形不稳定带来的影响，取最后5次加载得到的应力应变平均值来计算动态回弹模量。三轴室压力采用压力传感器进行检测，位移传感器使用LVDT，试件垂直永久应变上限为5%，超过5%应立即停止试验。

在正式进行试验之前对试件进行预加载，加载次数为1000次。进行预加载主要基于以下原因：模拟路基在施工时所处的应力状态；消除试件在初始加载阶段不稳定的影响，提高试验精度。

表1 生石灰处置过湿粘土动态回弹模量试验加载序列

2.4 试验结果分析

试验数据见表2、表3。

冻融作用下应力状态与动态回弹模量的关系以素土和生石灰掺量为5%条件下的ωopt、ωopt+6%处置土为例，如图1、图2、图3。

2.4.1应力状态对动态回弹模量的影响

(1)动态回弹模量与围压的关系

整体上看，动态回弹模量随着围压的增大而增大。由图1(a)，素土的动态回弹模量趋势线由下至上、由左到右越来越密，说明素土的动态回弹模量在低围压和低偏应力条件下变化较大，随着围压和偏应力的增加，动态回弹模量受到的影响逐渐减小。生石灰处置过湿粘土在不同工况条件下，动态回弹模量受到不同围压和偏应力的影响差异不大。

表2 素土和5%生石灰处置过湿粘土

表3 7%生石灰处置过湿粘土动态回弹模量(单位：MPa)

(2)动态回弹模量与偏应力的关系

由图1(a)所示，素土的动态回弹模量随着偏应力的增大而降低。冻融前，降低趋势为线性降低；冻融后，随着偏应力的增大，降低趋势逐渐减缓，说明低偏应力对素土的动态回弹模量影响较大，偏应力增大后，动态回弹模量受偏应力的影响逐渐变小。生石灰处置土不论是冻融前还是冻融后，在最佳含水率条件下，动态回弹模量随着偏应力的增大缓慢增大；在过湿条件下，偏应力对动态回弹模量的影响减弱很多,随着偏应力的增大呈现缓慢减小的趋势，甚至还有所增加，是因为重复加载使试件的压实度略有增加以及试验时间较长导致的试件水分损失。

图1 素土

图2 生石灰5%，ωopt

图3 生石灰5%，ωopt+6%

(3)动态回弹模量与体应力的关系

体应力是各项主应力之和，即θ=σ1+σ2+σ3，而偏应力σd=σ1-σ3，在动态回弹模量试验中σ2=σ3，所以θ=σd+σ3+σ2+σ3=σd+3σ3，即体应力在数值上等于偏应力与3倍围压之和，所以体应力对动态回弹模量的影响可以视作偏应力与围压共同对动态模量的影响。在相同围压条件下，体应力对动态回弹模量的影响与偏应力对其的影响基本一致，此时由于围压为定值，所以体应力对动态回弹模量的影响程度不如偏应力。同理在相同偏应力条件下，体应力对动态回弹模量的影响与围压的影响一样，但影响程度不如围压。试验得到的动态模量与体应力的关系图，与上面得到的分析结果一样，参考围压、偏应力对动态回弹模量的影响，这里不再重复。

2.4.2冻融作用对动态回弹模量的影响

由上述分析可知动态回弹模量随着围压的增大而增大，随着偏应力的增大而减小，据此选取最不利的应力状态，即σ1=120kPa、σ3=15kPa，以最不利应力状态下的动态回弹模量来探究冻融作用对其的影响，各个工况下动态回弹模量的冻融折减值见表4。

表4 最不利应力状态条件下动态回弹模量(单位：MPa)

由表4可知，素土的动态回弹模量折减为60.73%，远大于生石灰处置土的折减值。从总体上看，经过冻融作用后5%生石灰掺量下的动态回弹模量比7%掺量对应的模量低， 5%生石灰掺量下动态回弹模量的衰减程度比7%生石灰掺量下的衰减程度小，说明生石灰的掺入使得过湿粘土的抗冻性得到显著改善，但过多的生石灰不利于提高过湿土的抗冻性。

2.4.3生石灰掺量对动态回弹模量的影响

总体上来看无论冻融前还是冻融后，最佳含水率条件下生石灰处置土的动态回弹模量与素土相比显著增大。在含水率相同时，冻融前动态回弹模量随生石灰掺量的增大而增大，冻融后5%和7%生石灰掺量条件下动态回弹模量相差不多，7%的动态回弹模量略高。在最不利应力状态条件下，冻融前当含水率为ωopt+4%、ωopt+6%时，7%生石灰掺量条件下的动态回弹模量比5%分别增加了41.25%、83.71%。

2.4.4含水率对动态回弹模量的影响

在生石灰掺量相同的情况下，含水率越高，动态回弹模量越低，土体抵抗变性的能力越差。以最不利应力状态条件即σ1=120 kPa、σ3=15 kPa时的动态回弹模量为例，5%生石灰掺量时，ωopt+4%、ωopt+6%条件下动态回弹模量与ωopt时相比，冻融前的折减值分别为32.09%、50.18%，冻融后的折减值为24.85%、30.64%；7%生石灰掺量时，ωopt+4%、ωopt+6%、ωopt+8%的动态回弹模量与ωopt相比，冻融前的折减值分别为7.22%、11.64%、26.94%，冻融后的折减值为16.17%、31.16%、46.94%。可以看出，含水率越大，动态回弹模量的折减值越大。

2.4.5生石灰处置过湿粘土动态回弹模量建议取值

综上，生石灰处置过湿粘土的动态回弹模量受应力状态的影响很大，罗志刚给出的路基中应力变化取值范围σ1=10～180kPa，σ3=0～60kPa，选取接近中间值的应力组合σ1=105 kPa、σ3=30 kPa，以此应力状态时不同工况条件下生石灰处置过湿粘土动态回弹模量作为建议取值，见表5。