干湿循环对粉煤灰改良黄土路基的动强度影响规律分析

黄文宁，万春浪

(广西长长路桥建设有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

随着我国经济发展的不断提速和西部大开发战略决策的落实，西部地区交通工程建设不断推进，涉及黄土路基分布段落的高等级公路建设工程也愈发常见。黄土属于典型的第四纪沉积物，在半干旱或干旱气候作用下逐渐演变而成[1]。黄土的动力易损及水敏特性明显，具备特殊的力学和结构特征，在车辆荷载及干湿循环综合作用下易出现失稳现象，从而引发营运公路路面开裂及路基沉降变形等病害问题，严重影响公路通行安全性，甚至有可能造成驾乘人员伤亡，造成经济损失并导致不良社会影响。

已有研究成果及工程应用经验表明，对不良路基土质进行针对性改良处治能够高效解决路基土的沉降及变形问题，从而增强路基稳定性。热力发电站在生产过程中产生的粉煤灰固态废弃物，有较强的吸水能力和吸附活性，现作为改性材料广泛投入房建、公路、铁路等基层改良工程中，可以实现废弃物再生利用，从而降低环境污染，同时节约经济成本。21世纪初，陈存礼等[2]尝试在黄土中掺配粉煤灰、石灰以及水泥等改良材料，控制其掺配比例并研究对改良后路基土力学性能的影响规律，在得出规律性结论的同时推荐了黄土掺配改良方案；张向东等[3]在路基素土中掺配不同比例二灰改良材料制备二灰改良土试样，与素土进行对比，开展动力特性试验，结合经济性准则确定了合理的配合比方案，认为二灰掺配比例应控制在40%以下；祝艳波等[4]通过室内试验，利用粉煤灰、石灰以及水泥等改良材料对高速公路泥岩路基土开展改良试验，通过水土特性试验和微观结构观测试验对改良后土体的力学特性和改良原理进行分析，发现改良后泥岩路基土的强度、水稳定性和耐崩解性能显著提升，并推荐了11%以上的粉煤灰掺配比例；王峻等[5]利用粉煤灰改良黄土路基动力特性，研究其掺配比例对改良土阻尼比、动弹性模量及动本构关系的影响规律，并推荐了15%～20%的掺配比例。

西部地区降雨较少，属干旱地区，气候周期性变化规律明显，在雨季降雨及蒸发干湿循环作用下，路基土体在非饱和及饱和状态间交替变化，多次干湿循环作用会逐渐改变土体结构特征，进而导致路基土强度和稳定性发生变化，最终出现路基和路面病害。对此，也有专家学者对路基改良土体在干湿循环作用下的变化规律展开研究。其中，多项研究[6-7]针对黄土土水特征曲线变化规律进行探讨，通过控制干湿循环作用及初始干密度指标，应用数学模型对试验数据进行拟合，提出了黄土在干湿循环作用下的滞回性规律；刘文化和涂义亮等[8-9]对粉质黏土在干湿循环作用下的变形及强度变化规律展开研究，发现粉质黏土粘聚力及强度均随干湿循环作用次数增加而迅速下降，认为裂隙发展是其劣化的主要原因。

总体来说，现有针对粉煤灰改良黄土路基的研究，多以静力学研究为主，动力学相关研究则主要集中在膨胀土体及粉质黏土方面[10-12]，尤其是涉及干湿循环作用下的动强度分析研究还较为薄弱。本文依托贵州省乌当至长顺高速公路建设项目，针对黄土路基段土质改良方案展开探究。在原路基黄土素土内掺配一定比例的粉煤灰，以静压方案制备不同粉煤灰掺配比例的改良黄土试件，在室内模拟多种干湿循环作用条件并开展三轴试验，以此分析粉煤灰改良黄土路基在干湿循环作用下的动强度及动残余变形演变规律，获取模拟干湿循环作用次数、粉煤灰掺配比例及循环剪切次数等指标的影响，最后推荐粉煤灰改良黄土路基方案的合理粉煤灰掺配比例。

1 工程背景

贵州乌当至长顺高速公路总建设长度为128.82 km，其中，本研究项目TJ-8标段(K112+300～K129+820)线路总长为17.52 km。该路线途经羊昌(平坝)，止于长顺县广顺镇的曹摆，与花安高速公路交叉并顺接在建的贵安支线。K124+200～K129+820段为黄土分布区域，拟采用掺配粉煤灰方案进行路基土质改良。

2 原材料及试验方案

2.1 原材料检测及试件制备

试验所用路基原状素土取自黄土分布段工程现场，取土深度拟定为5.0 m，判断其属于Q3黄土。对取样的素土进行室内土工试验检测，检测结果如表1所示。

粉煤灰取自国家电网当地某热电公司，对其进行化学成分检测，检测结果如表2所示。

表1 土样土工试验检测结果表

表2 粉煤灰化学成分检测结果表

通过橡皮锤将取样的原状素土碾碎，将碾碎后的土体用2 mm方孔筛过筛，将其置于105.0 ℃的烘箱中烘干。同样，粉煤灰也进行烘干处理备用。粉煤灰的掺配比例指的是掺配的粉煤灰质量与黄土素土质量间的比例，并将其换算为百分数。本文在试验中拟定的粉煤灰掺配比例范围为0%～30%，步长为5%，共7组试件，其中0粉煤灰掺配比例指的是未掺加粉煤灰的黄土素土。

为了确保粉煤灰与黄土间能够充分拌和均匀以有针对性地进行性能对比分析，称取经计算得到质量精确的烘干粉煤灰和烘干黄土，将二者充分干拌，随后按照黄土素土测得的16.7%最佳含水率，计算所得试件加水量，均匀洒水后将其再次充分搅拌，填入薄膜袋中并置于密封设备中静置48 h。按照黄土素土测得的1.72 g/cm3最大干密度依照两段静压方案重塑，选取0.94的压实系数。至此，各组粉煤灰改良黄土试件制备完成，将其置于恒定温湿环境中养护28 d进行后续试验。

2.2 干湿循环作用模拟方案

开展粉煤灰改良黄土的室内模拟干湿循环作用试验，将改良土的干湿循环次数拟定为0～5次。干湿循环的基本原理是将养护完成后的改良土试样先进行饱和处理后再进行干燥处理，其中以抽真空方案实现改良土试样的饱和处理，将其饱和处理完成后，在常温环境下置于室内通风处自然干燥。为确保粉煤灰改良黄土试样在各环节中的含水率能得到严格控制，应采用称重方案进行含水量控制。此外，除含水量必须符合预期要求外，水分在粉煤灰改良黄土试样中的均匀性也至关重要，因此待试样自然干燥至初始含水率对应的重量后，还应将其密封24 h以确保水分可均匀分散于试样中。

2.3 动三轴试验方案

选用DYNTTS伺服电机动三轴试验一体化系统，针对不同粉煤灰掺配比例的改良黄土试件分别进行动三轴试验，基于此分析粉煤灰改良黄土路基在干湿循环作用下动强度及动残余变形演变规律，获取模拟干湿循环作用次数、粉煤灰掺配比例及循环剪切次数等指标对其的影响。

严格遵照《土工试验方法标准》(GT/T50123-2019)的相关要求开展试验，将各组粉煤灰改良黄土试样制备成圆柱体试件，其高度为100 mm，底面圆形直径为50 mm。试验分为两个步骤，分别为固结环节和循环环节。试验过程中的轴向固结压力均确定为200 kPa，固结比Kc=0.4，以改良黄土试件的轴向变形量≤0.005 mm/min为固结稳定的标准，采用等幅正弦加载作为循环剪切加载方案，其加载频率控制为1 Hz，循环剪切次数N分别取10、50、100、200次，施加多种动应力，其中最大动应力为110 kPa。对试验过程中的动应力及动应变对应变化情况进行记录并分析。

3 试验数据分析

3.1 循环剪切次数对动应力-应变曲线的影响分析

根据上文动三轴试验部分动应力范围检测数据，可以获取各组粉煤灰改良黄土试件在4种循环剪切次数下的动应力-应变关系曲线，如图1～4所示。

图1 N为10次时的动应力-应变对比曲线图

图2 N为50次时的动应力-应变对比曲线图

图3 N为100次时的动应力-应变对比曲线图

图4 N为200次时的动应力-应变对比曲线图

从图1～4可以发现，在同等循环剪切次数条件下，动应力水平对不同粉煤灰掺配比例改良黄土试件的动应变差异情况有着显著的影响。在动应力水平较低时(动应力为10 kPa及30 kPa)，各组试件的动应变值基本呈线形增长趋势，而随着动应力水平的提升，动应变与动应力间的非线性程度显著提升，曲线斜率逐渐增大。

在同等循环剪切次数条件下，粉煤灰掺配比例差异带来了动应变值的差别。同等动应力条件下，粉煤灰掺配比例越大，对应试件的动应变值越低，且这一动应变差异随动应力的增长越加明显，即当改良土中粉煤灰掺配比例为30%时，试件产生的动应变最低。

分析循环剪切次数对粉煤灰改良黄土试件的动应力-应变曲线影响规律发现，随着循环剪切次数的提升，同等动应力条件下，各组试件的动应变值整体呈上升趋势，同时动应变与动应力间的非线性程度也随之提升。在循环剪切次数条件较低时(循环剪切次数为10次)，动应变与动应力间的非线性程度相对较低，即曲线斜率相对平缓，而当循环剪切次数增长后，动应力-应变非线性程度则有了显著增长。

3.2 粉煤灰掺配比例对动强度的影响分析

在上文试验条件下，粉煤灰改良黄土试件的动强度可定义为某循环剪切次数条件下导致某一动应变所需的临界动应力值。考虑到工程应用中一般取0.3%作为填筑路基的变形允许值，因此在本研究中将动残余变形(即动应变)为0.3%时对应的临界动应力作为粉煤灰改良黄土试件的动强度取值，即在动应力-应变曲线上找到0.3%动应变对应的动应力值。将不同循环剪切次数下不同粉煤灰掺配比例的改良黄土试件动应力数据汇总如图5所示。

图5 不同改良黄土试件临界动应力对比柱状图

从图5可以发现，在同等粉煤灰掺配比例条件下，各组粉煤灰改良黄土试件对应的动强度(即临界动应力)随循环剪切次数的提升而呈负相关趋势，其降低速率逐步变缓呈平稳态势，从最初的8%～10%降低至2%，即粉煤灰掺配比例引起的改良黄土路基的动强度差异随循环剪切次数增加而逐步缩小。

当循环剪切次数较低(循环剪切次数为10次及50次)时，改良黄土试件的动强度随粉煤灰掺配比例的提升呈现出波动上升的趋势；而当循环剪切次数较高(循环剪切次数为100次及200次)时，改良黄土试件的动强度随粉煤灰掺配比例的提升呈现出明显的正相关的趋势。当改良黄土路基在粉煤灰掺配比例为30%时，试件动强度和动残余变形分别处于最大峰值和最小峰值。

3.3 干湿循环作用次数对动强度的影响分析

当粉煤灰掺配比例为25%～30%时,改良土体抗变形能力较好，可达到动力稳定状态。为进一步分析干湿循环作用对其动强度的影响规律，针对不同模拟干湿循环作用次数及循环剪切次数下改良黄土试件动强度变化趋势进行研究。此处选择25%粉煤灰掺配比例的试件组展开讨论，检测结果如下页图6所示。

图6 动强度随干湿循环作用变化曲线图

由图6可知，相较于未进行干湿循环作用的试件组，经过模拟干湿循环作用后，各组改良黄土试件的动强度迅速下降。随着干湿循环作用次数提升至5次，粉煤灰改良黄土试件动强度先降后升。

为对该现象产生原理进行探究，通过SEM观测试件的微观图像。干湿循环作用0、2、5次对应的改良黄土试件微观图像分别如图7～9所示。由图7～9可以发现，干湿循环作用0次的改良黄土颗粒间的空隙较为丰富；在干湿循环作用两次后，黄土中起到粘结作用的易溶盐随干湿循环作用析出，土体颗粒内部的接触方式发生变化，受力结构被破坏，微裂隙快速发展，因此其动强度迅速降低；而在干湿循环作用5次后，易溶盐成分已逐渐处于稳定状态，新的受力结构框架已经形成，颗粒间挤压作用达到新的平衡，此外微裂隙也在干湿重复作用下被逐步填充起来，这导致了其动强度相较于干湿循环作用两次时有所提升。

图7 干湿循环0次土样 微观示例图

图8 干湿循环两次土样 微观示例图

图9 干湿循环5次土样微观示例图

4 结语

本文依托贵州省乌当至长顺高速公路建设项目，针对黄土路基段土质改良方案展开探究。在原路基黄土素土内掺配一定比例粉煤灰，以静压方案制备不同粉煤灰掺配比例的改良黄土试件，在室内模拟多种干湿循环作用条件开展三轴试验，并基于此分析粉煤灰改良黄土路基在干湿循环作用下动强度及动残余变形演变规律，获取模拟干湿循环作用次数、粉煤灰掺配比例及循环剪切次数等指标的影响；推荐粉煤灰改良黄土路基方案的合理粉煤灰掺配比例。本文研究成果可为黄土路基改良工程提供一定的数据参考，得出以下主要结论。

(1)粉煤灰改良剂的掺配可有效增强黄土路基的动强度指标，并限制其动残余变形的发展。

(2)改良黄土路基在粉煤灰掺配比例为30%时的动强度和动残余变形分别处于最大峰值和最小峰值。

(3)室内模拟干湿循环作用会显著降低各组改良黄土试件的动强度，引起动残余变形的提升，在两次模拟干湿循环作用后逐渐稳定。

(4)应用中考虑车辆荷载及干湿循环，推荐粉煤灰掺配比例为25%～30%。