石灰改良路基红黏土的动态回弹模量影响因素分析

欧阳卫锋，冯小雨

(新疆交通科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

红黏土主要分布于我国的西南、中南和华东地区，其中在广西和云南、贵州地区分布较为广泛，是一种液限较高的塑性黏土，其天然含水率、液塑限、塑性指数、孔隙比都比较高。在干燥状态下，其力学强度比较高，压缩性低，但在含水率增高的情况下，开始显著变软，成为软塑甚至流塑状态，性能变差，作为特殊性岩土在公路填筑路基材料使用中受限[1-2]。

公路作为一个线型工程，不同地区很难避让红黏土地区，也会遇到红黏土填筑路堤的情况。红黏土作为一种特殊性黏土，填筑路基时，遇水承载力急剧降低，失水硬度较高，用于填筑路基存在一系列不利问题。路基红黏土由于自身的性能特征，作为路基填料性能较差。由于液限高，承载能力低、稳定性能差的原因，红黏土不能满足公路路基设计规范中填料的填筑要求。如果采用换填垫层而不能有效利用本地红黏土，将大大增加工程造价，同时造成环境破坏。而通过改良的路基红黏土，性能往往会有较大的改善。常见的改良方法有石灰、水泥改良，掺入沙或碎石对其改性，充分对红黏土进行改良利用是一种必然趋势。

路基土动态回弹模量是公路设计中的一个重要参数，路基设计中以路床顶面回弹模量为设计指标，同时为路面结构设计提供重要参数。在公路的设计中，要求路基顶有足够的路基回弹模量从而可以保证路基承载力要求，而过高回弹模量取值又会造成不必要的资源浪费。路基回弹模量影响因素主要有围压、偏应力、含水率、压实度等因素。本文主要研究石灰改良红黏土的力学性能，对压实度和含水率等参数不做深入研究，主要考虑石灰剂量、围压、偏应力三个因素对路基红黏土的回弹模量影响。

本文采用动三轴仪进行重复加载三轴试验，在未掺加石灰、石灰掺量5%、石灰掺量10%三种工况条件下，对试件施加不同的围压和不同的偏应力，分析石灰剂量、围压、偏应力三个变量对红黏土材料的动态回弹模量的影响。

1 试验过程

1.1 土样基本物理性质指标

本文以湖南红黏土地区的一条公路为研究对象，通过室内重型击实、液塑限等试验方法确定了样品的基本物理力学参数：最大干密度为1.60 g/cm3，最佳含水率为23.5%，液限为56.8%，塑限为36.2%，塑性指数为20.6%。

1.2 试件成型与加载波形

室内试验采用重型击实试验确定红黏土的最大干密度和最佳含水率：最大干密度为1.60 g/cm-3，最佳含水率为23.5%。本文采用93%的压实度时，测定不同石灰剂量条件下回弹模量的变化规律。试验采用尺寸为φ100 mm×200 mm的圆柱形试件，采用静压成型法加工试件。

试验采用动三轴仪进行红黏土的重复加载三轴试验，将试件包裹橡胶膜后放入三轴压力室，施加预压后，开始分别施加围压和偏应力。轴线加载波形为半正弦波，一次加载循环周期为1 s(加载期为0.2 s，间歇期为0.8 s)，加载作用次数为150次，加载前进行预载次数为1 500次。

1.3 试验加载方案

采用双圆均布荷载作用下的连续弹性层状体系力学分析模型，根据相关力学参数的分析计算，结合国内外学者的研究成果，并参考国外相关规范[3-4]，本试验依据路基实际运行中的受力状态范围，围压采用10 kPa、20 kPa、30 kPa和40 kPa，偏应力采用10 kPa、20 kPa、30 kPa和40 kPa，研究不同应力状态下的动态回弹模量变化规律。试验加载方案采用的围压和偏应力组合加载序列方案如表1所示。

表1 重复加载试验方案表

经过1 500次预压和150次正式加压，试件轴向变形已经趋于稳定，取最后五次重复加载下轴向重复应力峰值与轴向回弹应变峰值的比值(146次、147次、148次、148次、150次)的平均值作为该应力状态下的回弹模量。如式(1)所示[5]：

(1)

式中：MR——回弹模量(Pa)；

σd——轴向重复应力峰值，即主应力差(Pa)；

ε1R——轴向回弹应变峰值。

1.4 试验结果

为了研究红黏土在掺加不同剂量石灰后，路基红黏土的动态回弹模量变化规律，本文在最佳含水率状态下，拟定了加入5%和10%两种石灰剂量工况同未添加石灰的红黏土工况进行对比试验研究。红黏土动态回弹模量试验结果如表2所示。

表2 不同石灰掺量条件下的回弹模量试验结果表

1.5 含水率对动态回弹模量的影响分析

石灰掺量对红黏土回弹模量的影响分析：在围压、偏应力相同的状况下，石灰剂量增加至5%时，回弹模量提高的幅度在5～15 MPa左右，回弹模量提高5%～15%左右；石灰剂量增加至10%时，回弹模量提高的幅度在10～25 MPa左右，回弹模量提高10%～20%左右。掺加石灰可以有效提高红黏土回弹模量。

偏应力对红黏土回弹模量的影响分析：在围压、石灰掺量条件相同的条件下，分析偏应力在10 kPa、20 kPa、30 kPa、40 kPa条件下回弹模量的变化规律。试验结果显示，在围压相同的情况下，随着偏应力值的增大，回弹模量显著降低，不同围压下，偏应力由10 kPa增加至40 kPa时，回弹模量降低至初始值的75%～85%左右。随着偏应力的增加，土体的剪应力不断增加，土体更容易破坏。

围压对红黏土回弹模量的影响分析：在偏应力、石灰掺量条件相同的条件下，分析围压分别为10 kPa、20 kPa、30 kPa、40 kPa条件下，回弹模量的变化规律。试验结果显示，随着围压的增加，回弹模量显著提升，在偏应力为40 kPa的条件下，围压由10 kPa增加至40 kPa时，回弹模量提升10%～40%左右。随着围压的提高，红黏土回弹模量有了显著的提高。

掺加石灰可以有效改善红黏土的力学性质[4-5]，随着石灰加入量的不断提高，材料的动态回弹模量值有了更显著的提高。红黏土地区缺乏级配良好的砾类土作为筑路材料时，掺加石灰进行红黏土处置，可以有效改善其物理力学性质与工程特性。如图1所示。

图1 不同石灰掺量对回弹模量的影响曲线图

2 基于三参数本构模型的参数拟合

公路路基设计规范推荐利用三参数本构模型进行回弹模量值的确定，本文通过重复加载试验测定不同应力状态下的回弹模量值。依据本试验结果，采用1stOpt软件，对三参数模型进行参数拟合分析，拟合结果如表3所示。

表3 三参数模型待定参数拟合结果表

(2)

式中：MR——路基回弹模量值；

k1、k2、k3——模型参数；

θ——体应力；

pa——大气压强绝对值，近似取值100 kPa；

τoct——八面体剪应力。

由表3可知，采用三参数模型，利用本试验数据对该模型进行参数拟合，拟合的判定系数在89.3%～93.6%之间。对比拟合曲线和实测曲线可知，试验数据和拟合数据的相关性比较高，没有出现计算值和实测值严重偏离的现象，拟定的模型参数可以较好地反映不同石灰剂量下不同应力状态时路基红黏土回弹模量值的大小。

3 结语

本文通过采用动三轴仪进行重复加载三轴测试，测定了在不同石灰掺量条件下，路基红黏土在反轴向复荷载作用下红黏土的应力应变关系。研究表明，红黏土的回弹模量与石灰掺量、围压、偏应力有显著的关系。拟定三参数的模型参数可以为石灰改良红黏土设计中回弹模量取值提供依据。

(1)红黏土中掺入石灰可以有效改善红黏土的力学性能，提高路基承载能力。石灰剂量增加至5%～10%时，回弹模量提高5%～20%左右。

(2)随着偏应力的增加，土体的剪应力不断增加，回弹模量不断减少，土体更容易破坏；随着围压的增加，回弹模量增大，可以提高路基承载力。

(3)不同石灰剂量条件下拟定的三参数模型，可以为石灰改良红黏土回弹模量取值提供参考。