曹豪榮，李新明，樊友杰，王 勇

（1.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，武漢 430071；2.長沙市規(guī)劃設(shè)計院有限責任公司，長沙 410007；3.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063）

1 引 言

紅黏土是在炎熱、多雨環(huán)境下形成的一種典型特殊性黏土，在我國貴州、云南、湖南和廣西等中西部地區(qū)分布廣泛。紅黏土具有“吸水軟化，失水開裂”的典型水敏性特征及高液限、高塑性指數(shù)、高天然含水率等持水特征[1－2]。紅黏土對環(huán)境的濕、熱變化非常敏感，作為路基填料時，常會導(dǎo)致路基沉陷、縱裂、淺層滑塌等病害的發(fā)生。針對紅黏土的礦物組成及微觀結(jié)構(gòu)特性，在工程上通常摻入一定劑量的石灰，使其與紅黏土發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)以改變其路用性能[3－5]。

Huang等[6]指出:路基的穩(wěn)定性與耐久性直接取決于土體的強度與變形特性，而含水率是決定土體力學(xué)性能的關(guān)鍵因素之一。Hall等[7]認為，含水率主要受土的基本性質(zhì)控制，地下水、降雨入滲和蒸發(fā)是引起路基水分變動的主要驅(qū)動力。Auckpath等[8]在非飽和三軸試驗系統(tǒng)中裝 GDS彎曲元件進行無損檢測，研究表明，壓實高液限黏土的小應(yīng)變模量隨含水率增加而減小。Zhang[9]通過修筑測試坑，研究了地下水位變動、路基土的毛細特征及彈性模量變化特征。Haliburton等[10]在俄克拉荷馬州高速公路開展為期6 a的高液限黏土路基含水率研究，認為受地下水位變化控制的毛細水上升是引起水分積聚的主要原因。Khogali[11]通過修筑試驗路段，利用無損檢測和模量反算技術(shù)，發(fā)現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)層附近的毛細水和溫度場季節(jié)性變化對壓實細粒路基土的影響顯著。

目前，考慮干濕循環(huán)路徑對土體強度與變形特性影響的研究還比較少，即模擬實際工況下干濕循環(huán)效應(yīng)對路基填料路用性能影響的研究尚未成熟。為了深入研究運營期間路基土的工程特性，采用均勻干濕循環(huán)路徑模擬地勢低洼或者地下水比較豐富的路段，如圖 1(a)所示，毛細效應(yīng)影響高度隨地下水位變動起伏，水分遷移引起路基土體濕度反復(fù)變動，并通過飽和固結(jié)快剪試驗探討路基土力學(xué)性能變化規(guī)律；采用定向干濕循環(huán)路徑模擬高填方路段，如圖1(b)所示，路基頂部土體中水分在溫度勢和基質(zhì)勢的作用下反復(fù)變動，并通過常含水率無側(cè)限抗壓強度試驗研究路基土強度和變形特性變化規(guī)律。該研究對掌握紅黏土路基病害機制及路基長期穩(wěn)定性研究具有一定的參考價值。

圖1 紅黏土路基典型破壞特征Fig.1 Failure characteristics of laterite soil embankment

2 試驗材料與試驗方案

2.1 材料組成及其性質(zhì)

試驗用土取自廈門—成都高速公路湖南郴州段的紅褐色黏土。根據(jù)規(guī)范[12－13]進行礦物組成分析、顆分試驗、基本物性指標測定，試驗結(jié)果如表1～3所示。選用石灰的鈣鎂含量分析結(jié)果如表4所示。

配備紅黏土和石灰改性土（摻灰比為7%），進行重型擊實試驗（擊實功為2677.2 kJ/m3，98擊），石灰改性前后干密度與含水率關(guān)系曲線如圖 2所示。與紅黏土相比，石灰改性土的最佳含水率提高，最大干密度降低，干密度峰值區(qū)較平緩，有利于路基填筑施工。

表1 紅黏土礦物成分Table 1 Mineral compositions of laterite soil

表2 紅黏土的粒度成分Table 2 Grain size distributions of laterite soil

表3 紅黏土的物性指標Table 3 Physical indexes of laterite soil

表4 石灰化學(xué)成分Table 4 Chemical compositions of lime

圖2 石灰改性前后干密度與含水率變化關(guān)系Fig.2 Relationships between dry density and moisture before and after lime-treated

2.2 試驗方案

與施工填筑實際工況一致，按含水率比最佳含水率高3%備土，紅黏土備樣含水率為26.2%，石灰改性土備樣含水率為27.5%，石灰與紅黏土拌合均勻后，再加預(yù)定的水量，拌合均勻靜置24 h后備用，采用靜壓法制備壓實度分別為90%、93%、96%的試樣，在保濕缸中養(yǎng)護28 d。

2.2.1 均勻干濕循環(huán)路徑

為使土樣增脫濕均勻，采用尺寸為20.0 mm×61.8 mm的試樣，在飽和器中抽真空3 h，浸水飽和24 h，在恒溫、恒濕箱（溫度為30℃、濕度為50%）中脫濕至含水率為15%，將土樣靜置于保濕缸中48 h，再抽真空3 h，浸水飽和24 h，這樣就進行了一個循環(huán)，如圖3所示。循環(huán)過程中，紅黏土和石灰改性土均出現(xiàn)微裂隙，如圖4所示。

圖3 均勻干濕循環(huán)路徑Fig.3 Uniformity drying-wetting cycle paths

圖4 干濕循環(huán)過程中試樣表觀特征Fig.4 Specimen characteristics during drying-wetting cycles

2.2.2 定向干濕循環(huán)路徑

為了與實際工況接近，采用試樣尺寸為50.0 mm×100.0 mm。①定向增濕方法:試樣下墊10 mm厚透水石，放置于飽和均勻細砂上吸水增濕48 h。②定向脫濕方法:在恒溫恒濕箱中間試樣架底部貼一層塑料薄膜，使箱內(nèi)空氣不能對流，垂直方向形成上部溫度高、下部溫度低的溫度梯度，試樣中的水分在溫度勢與基質(zhì)勢的動態(tài)平衡中遷移脫濕至含水率為15%，如圖5所示。該干濕循環(huán)路徑與路基頂部溫度驅(qū)動水分遷移模式相似。定向干濕循環(huán)4次后，紅黏土試樣出現(xiàn)多組水平收縮裂縫，如圖4(b)所示；石灰改性土試樣僅在頂部出現(xiàn)一組水平收縮裂縫，如圖4(c)所示。試樣表觀特征與圖1(b)所示路堤頂面典型病害特征相似。

試驗方案如表5所示。

圖5 定向干濕循環(huán)路徑Fig.5 Directional drying-wetting cycle paths

表5 試驗方案Table 5 Experiment schemes

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 均勻干濕循環(huán)作用下石灰改性土路用性能

通過對壓實紅黏土及其石灰改性土進行均勻干濕循環(huán)作用后飽和固結(jié)快剪試驗，對比分析其剪應(yīng)力-位移關(guān)系曲線及抗剪強度指標c、φ值與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系與規(guī)律。

干濕循環(huán)后的典型剪應(yīng)力-位移關(guān)系曲線如 圖6所示，圖中法向應(yīng)力分別為50、100、150、200 kPa。由圖6(a)、6(c)可知，未經(jīng)過干濕循環(huán)的紅黏土和石灰改性土應(yīng)力-位移曲線均呈應(yīng)變軟化型。1次干濕循環(huán)后，紅黏土的應(yīng)力-位移曲線呈穩(wěn)定～硬化型，而石灰改性土的應(yīng)力-位移曲線仍呈應(yīng)變軟化型，表明石灰改性土內(nèi)部結(jié)構(gòu)水穩(wěn)定性較好。如圖6(b)、6(d)所示，2次干濕循環(huán)后，其應(yīng)力-位移關(guān)系曲線非常相似，均呈穩(wěn)定～硬化型。

圖6 典型應(yīng)力-位移關(guān)系曲線Fig.6 Typical stress-displacement curves

如圖6所示，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，剪切應(yīng)力峰值減小，對應(yīng)的剪切位移增大，表明干濕循環(huán)作用下，其抗剪強度衰減、抗變形能力下降。如圖6(a)、6(c)所示，未經(jīng)過干濕循環(huán)時，石灰改性土的剪應(yīng)力峰值較高，對應(yīng)的剪切位移較小，表明紅黏土中摻入石灰能有效提高其初始抗剪強度和抗變形能力。如圖 6(b)、6(d)所示，經(jīng)過 2次干濕循環(huán)后，在上覆荷載較小的路基工作環(huán)境中，石灰改性土與紅黏土的剪應(yīng)力峰值十分接近。

均勻干濕循環(huán)作用下紅黏土及石灰改性土的抗剪強度指標c、φ變化規(guī)律如圖7、8所示。未經(jīng)過干濕循環(huán)的石灰改性土具有較大的內(nèi)摩擦角、較小的黏聚力。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，紅黏土和石灰改性土的黏聚力減小，內(nèi)摩擦角小幅度增大，干濕循環(huán)2次后，變化幅度明顯減緩。干濕循環(huán)3次后，壓實紅黏土的黏聚力衰減至15.5～18.0 kPa，石灰改性土的黏聚力衰減至21.5～26.0 kPa，石灰改性土的黏聚力略高，壓實紅黏土的內(nèi)摩擦角與石灰改性土接近。

圖7 黏聚力變化曲線Fig.7 Curves of cohesive strength

圖8 內(nèi)摩擦角變化曲線Fig.8 Curves of friction angle

干濕循環(huán)過程會使土樣的比表面積減小，孔隙率增大，顆粒定向性變差[14]。試樣在循環(huán)中經(jīng)歷了脹縮交替，土體結(jié)構(gòu)調(diào)整，使得土顆粒間的膠結(jié)變?nèi)?，顆粒之間的距離增大，總內(nèi)力減小，從而導(dǎo)致黏聚力下降。黏粒之間作用的不可逆的范德華力，使黏粒集聚成較大集聚體，土中分散細粒含量的減少，從而導(dǎo)致飽和土樣的內(nèi)摩擦角小幅增加[14－15]。另外，干濕循環(huán)使土體結(jié)構(gòu)重新調(diào)整，壓實紅黏土和石灰改性土的結(jié)構(gòu)黏結(jié)強度被削弱，主要體現(xiàn)在黏聚力的下降。

紅黏土中摻入石灰后，石灰中的 Ca2+和Mg2+與紅黏土中的低價陽離子發(fā)生離子反應(yīng)，顆粒凝聚成團，土粒比表面積減小。由于Ca2+、Mg2+結(jié)合水膜較薄，使紅黏土分散性、坍塌性、親水性、黏附性降低[4]。石灰改性土具有較大的內(nèi)摩擦角，較小的黏聚力。但均勻干濕循環(huán)3次后，石灰改性土的內(nèi)摩擦角與紅黏土接近，黏聚力略高，抗剪強度峰值十分接近，表明石灰改性土對水仍然比較敏感，隨著循環(huán)次數(shù)增加，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞愈明顯，在水分反復(fù)變動的環(huán)境中，其后期強度并沒有顯著提高。

3.2 定向干濕循環(huán)作用下石灰改性土路用性能

對定向干濕循環(huán)作用后的試樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗，對比分析紅黏土和石灰改性土的強度與變形特性。如圖9(b)所示，定向干濕循環(huán)后，試樣會產(chǎn)生水平向貫通的收縮裂縫；如圖 9(c)所示，試驗過程中，試樣內(nèi)部裂隙在軸向壓力作用下發(fā)生閉合；如圖9(d)所示，隨著軸向壓力增大到一定程度，試樣突然發(fā)生崩散破壞。

圖9 無側(cè)限抗壓強度試驗過程中的試樣特征Fig.9 Specimen characteristics of unconfined compression strength test

如圖10、表6所示，定向干濕循環(huán)后，較低含水率情況下紅黏土和石灰改性土的無側(cè)限抗壓強度峰值隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而衰減，表明干濕循環(huán)作用削弱了其強度。由圖11、表6可以發(fā)現(xiàn)，在較高含水率情況下，其強度峰值隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而呈衰減趨勢，同時受試驗含水率影響十分顯著。相同干濕循環(huán)次數(shù)情況下，石灰改性土的無側(cè)限抗壓強度峰值較高，對應(yīng)的軸向應(yīng)變較小，表明高填方路段路床采用石灰改性土填筑，能有效改善水穩(wěn)定性、提高強度。

從圖10可以看出，較低含水率情況下，試驗開始時應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈上凹型。形成這一特性的主要原因是存在于試樣內(nèi)的裂隙在外力作用下發(fā)生閉合所致。與紅黏土相比，石灰改性土的裂縫較少，裂縫寬度較小，應(yīng)力-應(yīng)變曲線上凹段較短。干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣內(nèi)部裂縫增多，裂縫寬度增大，裂縫閉合引起的軸向應(yīng)變增大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上凹段增長。從圖11中可以看出，較高含水率情況下，試驗開始時應(yīng)力隨著應(yīng)變增加緩慢，但應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有呈現(xiàn)明顯的上凹型。表明紅黏土和石灰改性土的強度和變形特性在較低含水率情況下受控于裂隙，而在較高含水率情況下由含水率所控制[1]。高填方路段路床采用石灰改性土填筑，路基頂部收縮裂縫較少，強度和抗變形特性得到有效改善。

圖10 定向干濕循環(huán)后，較低含水率情況下紅黏土與石灰改性土典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.10 Laterite soil and lime-treated soil stress-strain curves under directional drying-wetting cycles and low moisture content

表6 無側(cè)限抗壓強度峰值Table 6 Peak values of unconfined compression strength

圖11 定向干濕循環(huán)后，較高含水率情況下紅黏土與石灰改性土典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.11 Laterite soil and lime-treated soil stress-strain curves under directional drying-wetting cycles and high moisture content

4 結(jié) 論

（1）均勻干濕循環(huán)作用下，紅黏土和石灰改性土的黏聚力減小，內(nèi)摩擦角小幅度增大。經(jīng)過3次干濕石灰改性土的抗剪強度略高于紅黏土。對于地勢低洼或地下水位變化較大的路段，采用石灰改性土填筑不能顯著改善其長期路用性能，更應(yīng)該加強防排水設(shè)計。

（2）定向干濕循環(huán)作用下，石灰改性土出現(xiàn)較少的收縮裂縫，強度和變形參數(shù)降低的幅度較小。高填方路段路床采用石灰改性土填筑，能減少路堤頂面收縮裂縫，使路基路面整體穩(wěn)定性提高，路用性能得到明顯改善。

[1]趙穎文,孔令偉,郭愛國,等. 廣西原狀紅黏土力學(xué)性狀與水敏性特征[J]. 巖土力學(xué),2003,24(4): 568－572.ZHAO Ying-wen,KONG Ling-wei,GUO Ai-guo,et al.Mechanical behaviors and water-sensitive properties of intact Guangxi laterite[J]. Rock and Soil Mechanics,2003,24(4): 568－572.

[2]談云志. 壓實紅黏土的工程特征與濕熱耦合效應(yīng)研究[D].武漢: 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所,2009.

[3]姚祖康. 道路路基和路面工程[M]. 上海: 同濟大學(xué)出版社,1994.

[4]李立寒,張南鷺. 道路建筑材料[M]. 上海: 同濟大學(xué)出版社,1999.

[5]中華人民共和國行業(yè)標準編寫組. JTG D30－2004 公路路基設(shè)計規(guī)范[S]. 北京: 人民交通出版社,2004.

[6]HUANG Y H. Pavement analysis and design[M]. New York: Prentice Hall,1993.

[7]HALL D K,RAO S. Predicting subgrade moisture content for low-volume pavement design using in situ moisture content data[J]. Transportation Research Record,1999,1652: 98－107.

[8]SAWANGSURIYA,AUCKPATH. Stiffness-suction-moisture relationship for compacted soils[D]. Madison City:University of Wisconsin-Madison,2006.

[9]ZHANG CHAOHAN. The effect of high groundwater level on pavement subgrade performance[D]. Tallahassee:College of Engineering,The Florida State University,2004.

[10]HALIBURTON T ALLAN,DONALD R SNETHEN,LARRY K SHAW,et al. Subgrade moisture under Oklahoma highways[J]. Journal of Transportation Engineering Division,1972,98(2): 325－338.

[11]KHOGALI WALAA ELDIN IBRAHIM. Assessing seasonal variations in cohesive subgrade soils[D].Edmonton: University of Alberta,1995.

[12]中華人民共和國行業(yè)標準編寫組. JTG E40－2007 公路土工試驗規(guī)程[S]. 北京: 人民交通出版社,2007.

[13]中華人民共和國行業(yè)標準編寫組. JTG E51－2009 公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程[S]. 北京: 人民交通出版社,2009.

[14]李雄威. 膨脹土濕熱耦合性狀與路塹邊坡防護機制研究[D]. 武漢: 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所,2008.

[15]楊洋. 公路改性土THMC耦合模型及路基變形數(shù)值模擬[D]. 武漢: 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所,2008.