干湿循环条件下粉砂土路基填料强度特性研究

2022-10-16邱文利董佳佳王锋斌

交通世界 2022年25期

邱文利，董佳佳，王锋斌

（河北雄安京德高速公路有限公司，河北保定 071700）

0 引言

我国修建了大量的蓄滞洪区用于应对洪水灾害。随着我国高速公路建设的飞速发展，通车总里程已达16万km。四通八达的高速公路不可避免地会经过蓄滞洪区。蓄滞洪区内水的浸入和排出会影响高速公路路基的沉降与稳定性，这些都与路基填料的强度特性密切相关。

学者们针对干湿循环条件下路基的强度特性开展了诸多研究。刘禹阳等[1]对黄土开展了三轴剪切和扫描电镜试验，研究了干湿循环路径下黄土强度与微观结构的演化规律，指出干湿循环幅度越大，黄土劣化效应越明显。陈锐等[2]采用地聚合物对黄土进行固化，通过三轴试验研究了干湿循环条件下地聚合物固化黄土抗剪强度的劣化规律，并提出了固化土强度劣化的经验公式。马学宁等[3]对经历不同干湿循环次数的重塑非饱和黄土开展了三轴试验，指出随着干湿循环次数的增加，黄土抗剪强度参数明显降低。郝延周等[4]对压实黄土开展了固结排水三轴剪切试验，研究了干湿循环条件对压实黄土结构性本构关系的影响。杨继凯等[5]利用土壤水分特征曲线仪测试了干湿循环对煤系土土水特征曲线的影响，指出干湿循环作用使煤系土孔隙率增大，土体持水能力减弱。方瑾瑾等[6]对经历干湿循环的膨胀土开展了脱湿试验，研究了干湿循环和体积变化对膨胀土土水特征曲线的影响。钟榕芳[7]通过三轴试验，研究了处于季节性浸水地区的路基填料强度的变化规律，得到了填料强度与前四次干湿循环作用密切相关，经过四次干湿循环后趋于稳定的结论。由以上分析可知，既有研究主要关注了黄土、膨胀土等特殊土以及不同改良土在干湿循环条件下的强度特性，对高速公路路基常用的粉砂土路基填料在干湿循环条件下的强度特性研究仍然较少。为了掌握蓄滞洪区内高速公路路基的力学特性，针对粉砂土路基填料开展干湿循环试验并分析其强度特性十分必要。

本文主要针对粉砂土路基填料开展干湿循环试验和强度特性试验，研究粉砂土在干湿循环条件下的强度特性，并对干湿循环前后粉砂土的微观结构进行分析，为蓄滞洪区内高速公路路基的强度特性分析提供参考。

1 室内试验

1.1 粉砂土路基填料基本物理参数

北京至德州高速公路是《河北雄安新区规划纲要》中“四纵三横”区域高速公路网的重要组成部分，对促进京津冀一体化具有重要的作用。粉砂土填料取自京德高速公路文安洼蓄滞洪区路基段。根据《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）对粉砂土路基填料开展筛分试验、界限含水率试验和击实试验，获得其基本物理参数。

通过筛分法和密度计法测得粉砂土粒径级配累积曲线，粉砂土粒径级配累积曲线见图1。由图1可知，粉砂土d10=0.0025mm，d30=0.012mm，d60=0.046mm，不均匀系数Cu=18.4≥5，曲率系数Cc=1.25，1＜Cc＜3。因此，粉砂土路基填料颗粒级配良好。

采用液塑限测定仪测试粉砂土路基填料的液塑限，塑限为19%，液限为30%，塑性指数为11%。

通过击实试验测试粉砂土路基填料的最优含水率和最大干密度，粉砂土路基填料击实曲线见图2。由图2可知，粉砂土路基填料最优含水率为10.5%，最大干密度为1.83g/cm3。

图1 粉砂土粒径级配累积曲线

图2 粉砂土路基填料击实曲线

1.2 粉砂土干湿循环试验

通过对粉砂土试样开展干湿循环试验，研究蓄滞洪区水位的升降对粉砂土路基填料强度特性的影响。首先将粉砂土试样进行风干，然后按照最优含水率配置粉砂土干湿循环试样。采用直径61.8mm，厚度20mm的环刀制备12组试样。将制备的试样进行称重，然后进行浸水，使试样达到饱和状态，饱和状态的粉砂土试样见图3。试样饱和24h后放入烘箱，在70±2℃下烘干，烘箱烘干试样见图4。对烘干过程中的试样进行称重，当试样质量与最初试样质量相同时，结束干燥过程。由此，完成一次饱和干燥过程。在每次饱和干燥过程完成后，测试试样的强度特性，然后继续进行干湿循环试验，直至试样强度特性达到稳定为止。

1.3 粉砂土强度特性试验

根据《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）对干湿循环后的粉砂土试样开展直剪试验，分别施加100kPa、200kPa、300kPa和400kPa 4个等级的垂向荷载，测试和分析粉砂土试样抗剪强度、黏聚力和内摩擦角随干湿循环次数的变化规律。此外，对干湿循环后的试样开展固结试验，测试和分析粉砂土试样的压缩模量随干湿循环次数的变化规律。

图3 饱和状态的粉砂土试样

图4 烘箱烘干试样

2 试验结果与分析

2.1 抗剪强度变化规律

干湿循环条件下粉砂土抗剪强度变化规律见图5。由图5可知，粉砂土抗剪强度随垂向荷载的增大近似呈直线增大。在前4次干湿循环中，随循环次数的增加，同一垂向荷载下粉砂土的抗剪强度明显降低，4次干湿循环作用后，同一垂向荷载下粉砂土的抗剪强度随循环次数的变化不再明显。未经历干湿循环时，随着垂向荷载的增大，粉砂土抗剪强度由80.7kPa增大至227.5kPa。经历4次干湿循环后，随着垂向荷载的增大，粉砂土抗剪强度由42.2kPa增大至126.2kPa。

图5 干湿循环条件下粉砂土抗剪强度变化规律

6次干湿循环作用下粉砂土抗剪强度拟合公式见表1。粉砂土的抗剪强度与垂向荷载具有较强的线性关系，由拟合公式可知粉砂土在不同干湿次数时对应的黏聚力与内摩擦角值。

表1 干湿循环条件下粉砂土抗剪强度拟合公式

2.2 黏聚力、内摩擦角变化规律

粉砂土黏聚力、内摩擦角随干湿循环次数的变化规律见图6。由图6可知，随干湿循环次数的增加，粉砂土黏聚力由39.616kPa降低至17.199kPa。在前4次干湿循环中，粉砂土黏聚力随干湿循环次数的增加明显降低，4次干湿循环后，粉砂土的黏聚力趋于稳定值。粉砂土的内摩擦角随干湿循环次数的增加由25.5°降低至15.0°。在前4次干湿循环中，内摩擦角随干湿循环次数的增加明显降低，4次干湿循环后，内摩擦角趋于稳定值。

图6 粉砂土黏聚力、内摩擦角随干湿循环次数的变化规律

2.3 压缩模量变化规律

干湿循环条件下粉砂土的压缩模量变化规律见图7。由图7可知，粉砂土的压缩模量随垂向荷载的增大近似呈直线增大。同一垂向荷载作用下，粉砂土压缩模量随循环次数的增加降低。在前四次干湿循环中，随循环次数的增加，同一垂向荷载下粉砂土的压缩模量明显降低，4次干湿循环作用后，同一垂向荷载下粉砂土的压缩模量随循环次数的变化不再明显。未经历干湿循环时，随垂向荷载的增大，粉砂土压缩模量由4.36MPa增大至22.98MPa，经历四次干湿循环后，压缩模量由2.83MPa增大至15.54MPa。此外，当垂向荷载为400kPa时，粉砂土的压缩模量在2～3次循环中降幅最大，达到18.9%。进一步说明粉砂土路基填料经历干湿循环作用后的压缩性逐渐增大，即干湿循环后的路基在外力作用下易发生变形。

图7 干湿循环条件下粉砂土压缩模量变化规律

3 粉砂土微观结构分析

为了进一步分析干湿循环条件下粉砂土强度特性衰减的原因，采用扫描电镜对经过0次和4次干湿循环作用的粉砂土试样进行观察，粉砂土试样微观结构见图8，为500倍时干湿循环试样微观图像。由图8可知，粉砂土在未经历干湿循环作用时，试样表面较完整，颗粒间相互咬合、连接紧密，结构整体性较强。经历4次干湿循环作用后，粉砂土试样中产生了较大的孔隙，颗粒间的连接被断开，大孔隙的产生导致了试样的整体结构性发生破坏。因此，经历干湿循环作用后，粉砂土试样抗剪强度、黏聚力、内摩擦角和压缩模量均降低。