干湿循环对路基改良土加州承载比与回弹模量的研究

2023-02-11崔宏环朱超杰张立群胡淑旗

森林工程 2023年1期

崔宏环，朱超杰，张立群，胡淑旗

(1.河北省土木工程诊断、改造与抗灾实验室，河北张家口 075000；2.河北建筑工程学院土木工程学院，河北张家口 075000)

0 引言

公路路基的强度和耐久性是保证公路正常使用的重要参数，许多专家学者结合公路实际运营条件、水文地质特征以及病害防治措施开展了大量试验，从素土[1]到石灰改良土[2]再到水泥改良土[3-4]对多种路基填料的路用性能进行了系统的分析，得出了宝贵的结论。公路运营过程中会经历不同气候环境的影响，服役过程中的高速公路水损破坏约占在役公路破坏形式的50%[5-7]。潘宇雄等[8]、邓爽[9]分析了不同干湿循环路径、干湿温度条件下加州承载比(California Bearing Ratio，CBR)值及其他指标的变化规律；付星[10]研究了木质素改良土在干湿循环作用下的变化规律；杨和平等[11]从试样膨胀率、内摩擦角和黏聚力方面入手分析了抗剪强度衰减的原因；阮艳彬等[12]模拟施工至服役过程中含水率的变化，分析了回弹模量的变化规律。

回弹模量和CBR值是路基填料的2个重要指标，分别反映了土基弹性变形阶段内抵抗竖向变形及塑性变形的能力，二者均能反映土样的刚度。诸多专家学者在研究中发现素土的回弹模量与CBR值(公式中用CBR表示)满足E=aCBRb(E为回弹模量；a为系数；CBR为加州承载比；b为系数 )[13-17]的函数关系，但是这些成果是建立在素土或者改良后的土样之上，对于改良土模拟服役过程中二者之间关系的相关研究成果较少。

试样经历外界条件损伤过程中的宏观表现为各力学指标的衰减，不能很好地表述试样内部的变化过程，因此宏观与微观相结合的方法描述损伤相对更加客观。方晟等[18]、高曙光等[19]和张文豪等[20]通过微观研究得出粉煤灰、水泥以及水玻璃等改良土骨架特征的变化过程，随着改良剂产生凝胶使得土体颗粒的连接排列方式逐渐变为空间网状结构，形成稳定的网状骨架结构，从而增加了土体的整体性，有效地提高土样的水稳定性。前人采用微观与宏观相结合的方法对土样颗粒形态进行分析，而定量化描述微观变化的研究相对较少。由于回弹模量反映的是试样的刚度，与骨架有着很大的关系，因此采用骨架面积的变化进行相关分析可行性较高。

综上所述，本研究结合冀北地区路基土的结构与环境特性，开展室内试验，模拟水泥改良土在服役过程中的环境变化，分析干湿循环作用下改良土各项指标的变化规律以探寻运营阶段路基改良土CBR与回弹模量之间的关系，采用宏观力学指标与微观试验相结合的方法，以土颗粒在干湿循环过程中骨架面积的变化进行定量化分析干湿循环作用下改良土的损伤机理。为高质量路基工程建设提出相应防控技术建议。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验选用河北金隅水泥P.O42.5普通硅酸盐水泥为改良剂，试验用水为张家口市自来水，土样取自张家口市某工程现场，通过室内基础试验分析，得出该土样为粉质黏土，物理技术指标见表 1。

表1 试验土体基本物理指标

图1为改良土击实曲线，由图1可以看出，水泥改良土改良后，随着水泥掺量的增加，最佳含水率均有所升高，最大干密度开始降低。且随水泥掺量的增加最佳含水率呈上升趋势，最大干密度呈下降趋势，究其原因是水泥与水和土颗粒发生化学反应较快，使得土颗粒凝聚成为较大团状体，影响压实效果，从而导致最大干密度下降，最佳含水率升高。

图 1 击实曲线Fig.1 Compaction curve

1.2 试验方案

本试验按照GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》及JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行实施，试验方案见表2。将现场取回的土样晾晒、碾压和过20 mm筛，筛除大颗粒土样及石子等杂物，放置烘箱中干燥24 h。按照各水泥改良土的最优含水率制备98 击的CBR试样及95%压实度100 mm ×100 mm圆柱体试件，以备进行无侧限抗压及回弹模量试验，养护龄期分别设定为7、28、90 d，满龄期后进行干湿循环及其他力学性能试验。

干湿循环是一个多因素相互作用的复杂过程，循环次数、循环幅度、含水率和裂隙等各因素对其力学性状都具有显著影响[21]，为模拟最不利影响，干湿循环采用先湿后干的方法[22]，增湿过程中每隔2 h称量1次试样的质量，当试样质量不再发生变化达到自然饱和时，即完成了一次增湿过程；脱湿在100 ℃±2 ℃的鼓风干燥箱内进行，采用同样的方法，当试样质量不再发生变化时认定完成了一次干燥过程，再次增湿时将试样从干燥箱中取出冷却至室温后重复上述过程。

达到养护龄期后将CBR试样取出，并将模具与试样一起置于水槽中。0次干湿循环试样直接浸水96 h后进行贯入试验，其他试样重复干湿循环过程，达到预定干湿循环次数后浸水96 h，然后进行室内CBR贯入试验。分析其土质改良后的CBR值变化规律，结合工程实际情况，得到最优的改良配比。

试验发现无侧限抗压与回弹模量试验由于没有模具的约束，在增湿过程中直接浸水试样崩解，故利用毛细作用进行干湿循环。基于粉质黏土毛细水作用强烈的特征，干湿循环中的毛细作用可使试样充分饱和，该方法可模拟干湿循环中的吸湿过程[20]。具体操作方法：将水池内铺满透水石，放上滤纸，然后将称重后的试样置于滤纸上。达到干湿循环次数后增湿12 h，然后进行室内抗压及回弹试验。取无侧限抗压及回弹试验结束后试样中心附近的部分土体，置于卡尔蔡司光学显微镜下放大320倍观察并提取图像信息。试验仪器及过程如图2所示。

图2 试验仪器及过程Fig.2 Test equipment and process

表2 试验方案

2 试验现象与结果

2.1 干湿循环作用下物理力学指标的变化规律

图3为素土CBR值随干湿循环次数的变化规律，由图 3可以看出，未经干湿循环的素土试样CBR值均大于10%，能够满足公路工程中的使用要求。经历第1次干湿循环后2种龄期的CBR值分别降低了59.0%、59.7%，随着干湿循环次数的增加，CBR值逐渐降低，经历第5次干湿循环时，7 d养护龄期试样CBR值降低了75%，仅有2.84%(实际试验所得)已不再满足最低工程要求[21]，经历11次干湿循环(干燥时)时2种龄期的试样均发生崩解(不再满足试验条件，故15次干湿循环)，CBR值为0(图3)。通过上述分析可以看出，干湿循环对试样的损伤非常严重。在寒旱交替频繁地区有必要考虑土样的改良。

图 3 素土CBR值随干湿循环次数的变化规律Fig.3 The CBR value of plain soil changes with the number of drying-wetting cycles

图4为7 d龄期水泥改良土干湿循环CBR值变化规律，由图 4可以看出，7 d养护龄期的改良土试样初始CBR值均较低，水泥掺量2%改良土试样在第3次干湿循环后CBR值达到最大，为207%，随着干湿循环次数的增加，CBR值逐渐降低并趋于稳定，在15次干湿循环时降至最低，为105.28%。6%、8%掺量的水泥改良土在前5次干湿循环中CBR值持续增加，到第5次干湿循环时达到最大，分别为845%、971%，这是因为改良土水泥掺量较多，养护龄期较短，随着干湿循环次数的增加，水化反应持续进行，试样内部水化修复作用修复了干湿循环所造成的损伤，因此CBR值逐渐增加。 5次干湿循环后水泥的水化作用逐渐降低，不足以修复干湿循环所造成的损伤，所以5次干湿循环后CBR值呈现降低趋势。

图4 7 d龄期水泥改良土随干湿循环次数的CBR值变化规律Fig.4 Change rule of CBR value of cement-modified soil with the number of drying-wetting cycles at 7 d age

图5为28 d龄期水泥改良土随干湿循环CBR值变化规律，由图5可以看出，在干湿循环作用下2%、4%水泥掺量改良土CBR值经历第3次干湿循环时达到峰值，比大水泥掺量改良土较早出现，2%水泥掺量改良土经历12次湿循环后试样崩解。6%、8%水泥掺量改良土CBR值先增大后减小，经历第9次干湿循环后CBR值开始降低，这与前人的研究一致[22]，即28 d养护龄期水泥土仍留有较小部分水泥会在干湿循环过程中继续发生水化作用。

图5 28 d龄期水泥改良土随干湿循环次数的CBR值变化规律Fig.5 Change rule of CBR value of cement-modified soil with the number of drying-wetting cycles at 28 d age

图6为28 d龄期水泥改良土随干湿循环回弹模量变化规律，由图6可以看出，回弹模量随干湿循环次数的增加而增加，经历第9次干湿循环时回弹模量达到最大，随后降低。4%水泥掺量改良土在经历前2次干湿循环后趋于稳定，反复的干湿循环使得未被凝结硬化的细颗粒土随渗流水发生搬运迁移，局部级配发生变化，试样整体强度下降，与粗粒土经干湿循环后的变化较为相似[23]。

图6 28 d龄期水泥改良土随干湿循环次数的回弹模量变化规律Fig.6 Change rule of springback modulus of cement-modified soil with the number of drying-wetting cycles at 28 d age

图7为28 d龄期水泥改良土随干湿循环无侧限抗压强度变化规律，由图7可以看出，28 d养护龄期4%水泥掺量的改良土随干湿循环次数的增加强度先增大后降低，在第3次干湿循环时达到峰值，为1.38 MPa，随后递减，在15次干湿循环时降至最低，为0.59 MPa。6%、8%水泥掺量的改良土无侧限抗压强度先增加后降低，第9次干湿循环时达到峰值并随后降低。

图7 28 d龄期水泥改良土随干湿循环次数的无侧限抗压强度变化规律Fig.7 Change rule of unconfined compressive strength of cement-modified soil with the number of drying-wetting cycles at 28 d age

机理解释：水泥掺量越高，各强度指标峰值出现越迟，这是因为较高水泥掺量改良土的凝结硬化持续时间较长，峰值前，水泥水化反应可以不断地修复试样内部损伤，实现强度的长期增长，而较低水泥掺量改良土在经过一定时间后水泥水化所需的水泥量已经消耗完毕，不能进行水化修复试样内部所产生的损伤。因此各项指标随干湿循环先增加后降低，这与前人的研究一致[22]，即28 d养护龄期水泥土仍留有较小部分水泥会在干湿循环过程中继续发生水化作用。

图8为28 d回弹模量与CBR对比图，其中折线为CBR值随干湿循环的变化规律，柱状为回弹模量随干湿循环的变化规律，通过对比发现 4%、6%、8%水泥掺量改良土的CBR值与回弹模量均随着干湿循环次数的增加先增加后降低，变化趋势较为相似，因此采用数理统计方法做进一步分析，通过公式(1)计算皮尔逊积矩相关系数发现，3种工况下皮尔逊系数值分别为0.828、0.897、0.925，比较接近1，同时相伴概率Sig.(通过SPSS软件模拟得出)分别小于0.021、0.008、0.004，均在0.05级别内，相关性显著，说明二者具有很好的相关性，结果见表3。

(1)

表3 回弹模量与CBR之间皮尔逊积矩相关系数Tab.3 Pearson product moment correlation coefficient between springback modulus and CBR

图8 28 d回弹模量与CBR对比Fig.8 Comparison of 28 d springback modulus and CBR

图9为回弹模量与CBR回归分析曲线，已有研究表明，回弹模量与CBR之间满足的函数关系为E=a(CBR)b。通过分析图9的CBR值与回弹模量的回归曲线发现，回弹模量随CBR值的增加而增加，经历干湿循环的水泥改良土试样仍然满足上述函数关系，各参数见表3，图9(a)—图9(c)分别为不同水泥掺量下回弹模量与CBR值之间的关系曲线，阴影部分为95%置信区间。由图9可以看出，干湿循环作用下4%水泥改良土决定系数(R2)稍低，为0.704，6%、8%水泥掺量改良土经历干湿循环后R2均超过0.80，说明水泥改良土经历干湿循环损伤后的试样满足上述函数关系，且水泥掺量6%与8%的改良土比4%改良土函数的适用性高。

2.2 电子显微镜微观分析

通过Carl Zeiss光学显微镜进行微观分析，制样时取试样破坏面附近的部分土体，置于光学显微镜下放大320倍进行观察并提取图像信息。采用imageplus 8.0进行图像处理，如图10所示。图10中白色部分为试样骨架，水泥改良土的初期强度主要靠水泥水化反应产生胶凝物质的吸附作用。这些水化产物，在土的空隙中相互交织搭接，将土颗粒包裹连接起来，使土丧失原有的塑性等性质，并且随着水化产物的增加，混合料也逐渐坚固起来。

图9 回弹模量与CBR回归分析Fig.9 Regression analysis of springback modulus and CBR

图10是28 d龄期干湿循环作用下试样微观原图，图11是28 d龄期干湿循环作用下试样微观变化规律。由图11(a)—图11(c)可以看出，水泥改良土经3次干湿循环后土颗粒比较松散，并伴有部分微小裂隙产生；当干湿循环次数达到第9次后，在水化作用下试样内部骨架较为密实，颗粒排列定向性良好，整体呈现出网状结构，试样各项指标均较高。前期干湿循环中由于存在水化反应，所以试样骨架面积增多，但骨架形状多为颗粒状，且在试样表面可以看到很多较大的孔隙和裂隙，因此试样的整体性遭受了一定的破坏。经历15次干湿循环后的改良土试样中未出现明显裂缝，骨架以粒状为主，颗粒之间的联结减弱，形成松散的结构。在整个劣化过程中，前期骨架增多，占主导优势，使得试样强度一直增加，但是到了干湿循环后期，骨架基本不再增加，而试样整体强度受裂纹影响为主，造成试样以劣化为主要表现形式。因此随着干湿循环次数的增加，水泥改良土的损伤在不断地增加。

水泥改良土的强度与水泥的掺量有很大的关系，水泥掺量的增加必然使水化产物增加，产生更多的胶凝物质，增强吸附作用，由图11(d)—图11(i)可以看出，6%水泥掺量下的改良土土体单元排列紧密，定向性较好，骨架清晰可见，而8%水泥改良土更加密实，未出现明显的颗粒状骨架，但随着干湿循环次数的增加，2种水泥改良土试样均出现少量贯通缝，且骨架由大块絮状物转变为颗粒状，试样各种性能均受到一定的影响。

由于回弹模量反映了改良土的刚度，而骨架是决定试样变形的重要因素，因此将试样的骨架面积与回弹模量进行对比，通过计算骨架面积的方法进行分析。图12为28 d龄期干湿循环作用下试样骨架面积关系图，其中折线为回弹模量随干湿循环的变化规律，柱状为骨架面积随干湿循环的变化规律，通过对比可以发现，二者均呈现先增加后降低的现象，骨架面积的变化趋势与回弹模量的趋势较为一致。采用上述数理统计方法进行分析，通过公式(1)计算皮尔逊积矩相关系数发现，3种工况下皮尔逊系数值分别为0.998、0.997、0.991，非常接近1，同时相伴概率Sig.(通过SPSS软件模拟得出)分别小于0.05、0.05、0.09，说明二者具有很好的相关性，结果见表4。

图13为骨架面积与回弹模量关系图，图像横坐标表示骨架面积，纵坐标表示回弹模量，从而建立回归曲线作进一步分析，分析发现骨架面积和回弹模量经过不同干湿循环劣化后，基本上分布在直线附近，说明二者具有较好的线性相关性，且满足以下函数关系

E=aA+b。

(2)

式中：A为骨架面积；a、b分别为拟合参数。

拟合参数见下表5。

图10 28 d龄期干湿循环作用下试样微观原图(320倍原图)Fig.10 The Microscopic original images under the action of drying-wetting cycles at 28 d age (320 times original image)

图 11 28 d龄期干湿循环作用下试样微观变化规律(320倍处理后)Fig.11 The microscopic changes of samples under the action of drying-wetting cycles at 28 d age (320 times after treatment)

图12 28 d龄期干湿循环作用下试样骨架面积关系图Fig.12 The relationship between the skeleton area of the sample under the action of drying-wetting cycles at 28 d age

表4 骨架面积与回弹模量的皮尔逊积矩相关系数Tab.4 Pearson product moment correlation coefficient of skeleton area and springback modulus

图13 骨架面积与回弹模量关系图Fig.13 The relationship between the skeleton area and the springback modulus

2.3 力学性能指标综合分析及应用

图14为7 d无侧限抗压强度与干湿循环之间的关系，由图14可以看出，随着干湿循环次数的增加，不同水泥掺量的改良土7 d无侧限抗压强度先增加后降低，在第9次干湿循环时达到最大，分别是0.91、3.14、3.47 MPa。4%水泥掺量的改良土无侧限抗压强度位于图形的最低端，明显低于6%、8%水泥掺量改良土，说明无侧限抗压强度受水泥掺量的影响较大。6%与8%水泥改良土的变化趋势一致，无侧限抗压强度先增加后减小，在第9次干湿循环时达到峰值，说明随着干湿次数的增加、时间的延长，干湿循环劣化占主导地位，但是水泥的水化作用对于强度的贡献不会消失。

表5 拟合参数

图14 7 d无侧限抗压强度与干湿循环次数之间的关系Fig 14 The relationship between 7 d unconfined compressive strength and the number of drying-wetting cycles

图15为90 d回弹模量与干湿循环之间的关系曲线，由图15可以看出，水泥掺量大的改良土经历第1次干湿循环时回弹模量有较大降幅，第9次干湿循环后，回弹模量的降低速度有所减缓，说明前9次干湿循环对回弹模量的损失值较大，后几次的干湿循环对试样的损伤有所降低。而4%水泥改良土经历3次干湿循环后逐渐趋于稳定，说明水泥掺量越大，试样塑性越低，整体性越高，在经历干湿循环过程中，对试样的整体性破坏较大，回弹模量的降幅也较大；而水泥掺量较小的试样整体性差，保留有部分塑性，因此在高温收缩的过程中受到的损伤较小。但是大剂量水泥改良土经历干湿损伤后弹性模量明显要高于低剂量水泥改良土。

6%、8%水泥改良土干湿循环过程中7 d无侧限抗压强度在第1次干湿循环中出现的最低值分别为1.58、1.81 MPa，15次干湿循环时回弹模量出现的最低值分别为165、290 MPa，均满足公路路基填筑要求。

图15 90 d回弹模量与干湿循环次数之间的关系Fig.15 The relationship between the 90 d springback modulus and the number of drying-wetting cycles

目前CBR值在改良土中尚未有明确的规定，结合路基填料[24]、碎石材料[25]的填筑标准以及7 d无侧限抗压强度，90 d回弹模量综合分析，建议水泥改良土7 d的CBR值以370%作为参考，28 d的CBR值以500%作为参考。 2%、4%、6%、8%水泥改良土均可作为路基填料，改良处置后的土样各项指标远大于素土，由于2%水泥改良土在干湿循环过程中完整性遭到破坏，6%水泥改良土的各项指标比4%水泥改良土有较大幅度的提高，因此，建议在多雨地区利用水泥改良土处置不良土样时以6%水泥掺量作为参考。