季冻区路基填料基质吸力及平衡湿度

魏海斌, 栾晓寒, 韩雷雷

(吉林大学交通学院，长春 130022)

实际工程中路基主要以非饱和土的形式存在，在道路工程设计阶段，需要采用一定的指标量化地下水位、降雨量、蒸发量、温度等因素对路基湿度的影响，确定路基基质吸力的预估模型[1]。根据基质吸力预估模型和土水特性曲线(soil-water characteristic curve,SWCC)，可以对不同条件下路基平衡湿度进行预测。SWCC表示土壤相对于基质吸力变化的持水能力，包含了描述非饱和土力学行为所需的基本信息[2]。SWCC的测定是岩土工程中的渗流分析和土壤的平衡状态下湿度预估的重要环节，也是岩土分析数值模拟的关键性输入[3]。

油页岩工业固体废物(OSW)是矿物燃烧或干馏后的废渣产物，随着油页岩资源的开发和利用，大量废渣占用宝贵的土地资源，其内部含有可溶解固体、硫化物等，处理不当会对土地和水资源造成污染[4-5]。粉煤灰(FA)，是煤粉经高温燃烧后形成的一种似火山灰质混合材料[6]。吉林省是中国东北地区最重要的能源生产和消费地区之一。OSW和FA的累积量逐年增加，已成为亟待解决的问题[7]。

将OSW和FA应用于道路路基工程中具有利用率高、加工成本低、适用性强等优点。Turner[8]、Mymrin等[9]通过对OSW物理及力学特性的全面研究，表明将其用于路基填料在无侧限抗压强度，回弹模量，干湿冻融稳定性方面均满足规范标准，用于道路施工无需再添加黏合剂。对于粉煤灰土，魏海斌等[10-12]对它的物理特性，静力动力特性，冻胀量等路基材料性能进行了全面细致评价，粉煤灰土的性能满足道路材料要求。Wei等[13]通过大量试验提出油页岩废渣粉煤灰土路基填料最佳配比，并以加州承载比(CBR)、动回弹模量及冻融损伤度等为指标，对冻融循环后的油页岩废渣粉煤灰土进行定量预测。

油页岩废渣粉煤灰土的基质吸力和平衡湿度仍尚待研究，系统研究油页岩废渣粉煤灰土路基填料的SWCC对其在平衡状态下的湿度预估以及岩土分析都有重要意义。现考虑季冻区的气候状况，对0、1、3、5次冻融循环后的油页岩废渣粉煤灰土路基填料(MC)及粉质黏土(SC)进行不同含水率下的基质吸力测量，系统分析冻融前后两种填料的SWCC，并结合TMI指数(标准状态下的路基模量湿度调整系数)对两种填料在吉林地区平衡湿度范围提出预测，为实际工程提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 材料配合比确定

已有研究表明[9]，当油页岩废渣以总质量30%～45%掺量改良粉质黏土时会获得最优越的物理力学性能。粉质黏土在30%～40%时对油页岩废渣的强度提升效果最好。根据本课题组研究基础，2∶1∶2(油页岩∶粉煤灰∶粉质黏土，质量比)质量配合比下击实特性较好、具有最大且最稳定的CBR承载力。粉煤灰与粉质黏土比例1∶2时具有更好的稳定性和耐久性。与原状粉质黏土相比，该比例下的路基改良土压实性和CBR明显提高，液塑限参数略有降低。故本研究中采用油页岩废渣粉煤灰粉质黏土配合比为质量比2∶1∶2。

1.2 试验材料与制备

试验所用粉质黏土取自长春南湖附近某大型工地10 m深基坑均质土层。土质比较均匀，呈淡黄色。油页岩废渣取自吉林省汪清县，渣块表面粗糙内部颗粒大小不一，有层状节理，锤击后会碎裂成粉末状灰渣及若干小块。粉煤灰取自长春市第二热电厂煤炭产热废渣，根据《粉煤灰混凝土应用技术规范》GB/T 50146—2014[14]，试验用粉煤灰为F级类Ⅱ级，有良好的工程特性。

选取粒径小于10 mm的油页岩废渣、粉煤灰和原状粉质黏土，用自动振筛机对三种试样进行筛分实验，称取每一级粒径筛上的土样质量，以横坐标为筛孔直径，纵坐标为小于某粒径颗粒的质量百分数，绘制实验材料级配曲线。三种材料各自级配曲线如图1所示。原材料液塑限指标见表1。

将原材料过2 mm筛后烘干冷却，按预设配合比拌匀，混合MC基本物理指标见表2，颗粒分析曲线如图2所示。

表1 原材料的液塑限指标

表2 SC与MC的基本物理性质

图1 原材料的颗粒曲线

图2 SC与MC的颗粒曲线

配置含水率分别为20%、25%、30%、35%、40%的试样，每种含水率土样压实度均为98%，制件过程采用LD189型制件脱模机压实和脱模，再将不同含水率的土样切成环刀大小的圆柱体试样。

1.3 冻融循环试验方法

冻结过程用冰柜进行，设定冻结温度为-20 ℃，持续24 h，再将试样置于室温(24 ℃)融化，融化过程24 h，整个过程为一个循环， 冻融温度及时间参考文献[15]。为了在冻融循环期间保持样品的水分含量不变，将试样紧密包裹在防水薄膜中。每种含水率的试样分别进行0、1、3、5次循环，然后测定试样在冻融循环后的基质吸力。

1.4 基质吸力试验方法

采用Whatman-42型无灰定量滤纸测量基质吸力，试验标准参照ASTM-D5298-16[16]。将滤纸分为上中下三层，其中中间层滤纸为测定滤纸，上下两层保证中间层测定滤纸不受污染。把它们置于两相同条件圆柱土样之间夹紧而后以电工胶带缠紧用保鲜膜紧密包裹避免水分蒸发，置于密闭恒温容器内平衡吸力7 d后进行吸力测定。7 d后取出中间层滤纸，利用精度为0.000 1 g的电子天平对其含水率进行精确称量。所有称取过程在5 s之内完成称重以减小滤纸在空气中吸、脱湿造成的误差。

2 试验结果讨论

在SWCC中进气值是曲线上的一个突变点[2]，突变点前为边界效应段，在此阶段几乎所有土中的孔隙都充满水，当吸力达到了进气值后，含水量就会随着吸力的增加而大幅度下降，此阶段为过渡段。在过渡阶段，随着吸力增大，水呈液相流动随吸力增加而迅速消散，孔隙中水的连通性随着吸力值的增大而持续降低，达到残余含水率θr。可以认为是当液相开始变得不连续时的含水量值，当脱湿到这个值后，土样中的水会越来越难于通过吸力的增大而排出，此阶段成为残余段。

Fredlund等[17-18]通过对实验数据的归纳分析建立的描述吸力与土壤孔隙特性的关系方程，因为它广泛适用于多种土壤并在全吸力范围有着较好的拟合效果。为直观体现SWCC冻融循环中的变化趋势，采用Fredlund模型对试验数据点进行线性拟合。

(1)

式(1)中：θ为含水率,%；Ψ为基质吸力，kPa；θs为代表Fredlund拟合曲线的起始位置的饱和含水量系数，%；a为曲线左起首个拐点(曲线由缓入陡)处的吸力值，kPa；m、n是影响土水特征曲线的土性参数，与拟合曲线形状相关，无实际物理意义。此模型拟合曲线在半对数坐标系中呈类似S形状态。

2.1 冻融循环后粉质黏土SWCC

经过0、1、3、5次冻融循环后粉质黏土试样的基质吸力与含水率变化规律如图3所示，为更直观体现随着含水率变化的吸力变化趋势，本节采用普通坐标系。采用Fredlund模型拟合后的参数见表3。

图3 冻融循环后的SC土水特征曲线

表3 SC 模型拟合参数表

2.2 冻融循环后油页岩废渣粉煤灰土SWCC

采用Fredlund模型拟合后的拟合参数见表4。经过0、1、3、5次冻融循环后的MC试样的基质吸力与含水率变化规律如图4所示，同样采用普通坐标系。

图4 冻融循环后的MC土水特征曲线

表4 MC 模型拟合参数表

2.3 平衡湿度分析与对比

《公路路基设计规范》[19]推荐的平衡湿度预估方法为区域分类预估法，潮湿类路基平衡湿度通常直接以路基相对于地下水位高度基质吸力预估模型直接预估基质吸力，再结合SWCC进行平衡湿度预估。基质吸力与地下水间预估表达式为

hm=γwy

(2)

式(2)中：hm为计算吸力值；y为计算点与地下水位间的距离；γw为水的重度。

干燥类路基平衡湿度主要受气候影响，要根据TMI-wPI基质吸力预估模型结合SWCC进行预估，吸力与TMI指数间预估表达式为

hm=αeβ/(TMI+γ)+δ

(3)

式(3)中：TMI为湿度指数，受降雨量蒸发量平均温度等影响；α、β、δ和γ是通过大量现场测量数据得到的回归参数，无物理意义，已有研究表明它们主要受P200(通过0.074 mm筛的土粒含量)和塑性指数(PI)影响，用P200与PI的乘积来表征土组物理性质，记为wPI。曹长伟[20]通过大量现场数据以wPI为指标对土组参数进行差分分析，给出土组参数依据wPI范围回归的参考值，结果表明该方法误差显著低于地下水位预估误差。本文研究对文献[20]中大量现场数据进行了重新回归，依据试验土样性质得到修正后的两种土样土组参数见表5。

表5 试验材料的液塑限指标

从规范中获取，吉林省TMI指数范围为8.7～35.1。hml(SC)=1 535 kPa，hmh(SC)=3 678 kPa，hml(MC)=938 kPa，hmh(MC)=1 360 kPa，其中下标l表示下限，h表示上限。通过冻融前后的SWCC拟合数学模型，计算两种试验土该吸力范围下的含水率范围。SC未经冻融前，湿度(体积含水率)预估范围为25.82%～30.6%，5次冻融后湿度预估范围为25.46%～29.34%。MC未经冻融前，湿度(体积含水率)预估范围为29.3%～32.45%，5次冻融后湿度预估范围为22.2%～25.34%。未经冻融前，同等条件下MC预估平衡湿度上下限均高于SC，但湿度范围小于SC。冻融循环后两种土样平衡湿度范围均发生由高至低的偏移，其中SC偏移幅度较小与冻融前较为接近，MC偏移较为明显。经历冻融后，MC平衡湿度上下限间范围仍小于SC。

3 结论

(3)根据TMI-wPI基质吸力预估模型结合SWCC进行对平衡湿度进行预估。未经冻融前，SC湿度(体积含水率)预估范围为25.82%～30.6%，MC湿度预估范围为29.3%～32.45%，5次冻融后SC湿度预估范围为25.46%～29.34%，MC湿度预估范围为22.2%～25.34%。未经冻融前，同等条件下MC预估平衡湿度上下限均高于SC，湿度范围小于SC。冻融循环后两种土样平衡湿度范围均发生由高至低的偏移，其中SC偏移幅度较小。经历冻融后，MC平衡湿度上下限间范围仍小于SC。