姜　彤, 李艷會(huì), 張俊然， 李汶亞

(華北水利水電大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,河南 鄭州 450045)

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干濕循環(huán)對(duì)豫東路基粉土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

姜彤, 李艷會(huì), 張俊然， 李汶亞

(華北水利水電大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,河南 鄭州 450045)

摘要：以3種壓實(shí)度的豫東路基粉土為研究對(duì)象,通過室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),研究了在干濕循環(huán)作用下,3種壓實(shí)度的粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律.結(jié)果表明:隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,3種不同壓實(shí)度粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈指數(shù)函數(shù)形式衰減;粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)增加的衰減幅度隨著壓實(shí)度的增大而逐漸減小.根據(jù)上述試驗(yàn)規(guī)律,用MATLAB中的Lsqcurvefit函數(shù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到與干濕循環(huán)次數(shù)相關(guān)的參數(shù),同時(shí)用Origin軟件建立擬合參數(shù)與壓實(shí)度有關(guān)的函數(shù),最后提出了干濕循環(huán)作用與壓實(shí)度耦合影響下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)估模型.

關(guān)鍵詞：豫東路基粉土;干濕循環(huán);無側(cè)限抗壓強(qiáng)度;預(yù)測(cè)方法

豫東區(qū)域?yàn)辄S河沖積平原,粉土分布廣泛.該區(qū)域良性筑路材料缺乏,常以粉土作為公路的路基填筑料.該類土塑性指數(shù)低、黏性小,具有松散、透水、黏聚力低的特點(diǎn),工程性質(zhì)較差[1].在該區(qū)域,氣候上存在明顯的干濕交替變化的特點(diǎn),這種干濕循環(huán)作用是造成粉土路基強(qiáng)度衰減、沉降量增大,進(jìn)而導(dǎo)致路基及路面毀損的主要原因之一.

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)[2-3],通俗地講，是試樣在無側(cè)向壓力的條件下,抵抗軸向壓力的極限強(qiáng)度.關(guān)于干濕循環(huán)對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響已有很多學(xué)者進(jìn)行了深入研究.如:楊俊等[4]通過系統(tǒng)的室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),研究了摻砂改良膨脹土在干濕循環(huán)作用下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律;楊成斌等[5]以改良的典型合肥膨脹土為對(duì)象,研究了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律;崔可銳等[6]通過模擬土體季節(jié)性的干縮濕脹,探討了干濕循環(huán)效應(yīng)對(duì)膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響.

目前已經(jīng)認(rèn)識(shí)到干濕循環(huán)對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響,但對(duì)于干濕循環(huán)條件下豫東區(qū)域路基粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)還未開展.筆者通過室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行了一系列無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究,并用MATLAB軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合[7-8],并對(duì)擬合參數(shù)進(jìn)行了分析,提出了干濕循環(huán)作用與壓實(shí)度耦合作用下預(yù)測(cè)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的實(shí)用方法.

1土樣的基本性質(zhì)與試樣制備

1.1　土樣的基本性質(zhì)

本次試驗(yàn)所用的土樣取自豫東地區(qū),取土深度約為6 m,最大干密度ρd=1.72 g/cm3,土粒相對(duì)密度Gs=2.70,液限、塑限分別為24.5%和17.3%,最優(yōu)含水率wopt=12.7%.豫東地區(qū)粉土的顆粒分布曲線如圖1所示.按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)[9]的分類,試驗(yàn)用的土屬于低液限砂質(zhì)粉土.

圖1　豫東粉土的粒徑分布曲線

1.2 土樣的制備

將土樣碾壓后經(jīng)過孔徑為2.0 mm的篩,然后在烘箱110 ℃的溫度下烘干24 h,放入干燥器中冷卻,配置成目標(biāo)含水率的土樣,再用塑料袋包裹密閉24 h后,用靜壓實(shí)法[10]壓制成標(biāo)準(zhǔn)三軸試樣,直徑39 mm,高度80 mm,制成的粉土試樣如圖2所示.最后用真空泵進(jìn)行抽真空飽和,達(dá)到試驗(yàn)的初始狀態(tài).

圖2　豫東粉土無側(cè)限三軸試樣

2試驗(yàn)方案

2.1　試驗(yàn)儀器與方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用儀器為應(yīng)變控制式無側(cè)限三軸壓縮儀(型號(hào)ww-3).試驗(yàn)過程中,軸向剪切速率控制在(1%～3%)/min,剪切至軸向應(yīng)變?yōu)?0%結(jié)束,各個(gè)試驗(yàn)應(yīng)于8～10 min完成.

試驗(yàn)方案:進(jìn)行試樣壓實(shí)度分別為90%,93%,96%的3組試驗(yàn),每組4個(gè)試樣,每組試驗(yàn)對(duì)4個(gè)試樣分別進(jìn)行不同循環(huán)次數(shù)(0，1，3，5次)的干濕循環(huán)過程.

2.2　試樣的干濕循環(huán)過程

為更好地模擬豫東地區(qū)實(shí)際環(huán)境條件,試驗(yàn)根據(jù)該區(qū)域年平均降水、蒸發(fā)量選定試樣干濕循環(huán)所經(jīng)歷的最大、最小含水率分別為:wmax=ws(ws為試樣的飽和含水率),wmin=10%,控制實(shí)驗(yàn)室溫度為17～18 ℃.具體操作如下所述.

1)失水過程:將制備好的飽和試樣在室內(nèi)自然風(fēng)干,間隔2 h稱量質(zhì)量并計(jì)算含水率,直至達(dá)到最小含水率wmin,完成后密閉靜置24 h.

2)增濕過程:將風(fēng)干后的試樣用真空泵抽真空方法進(jìn)行飽和,使其含水率達(dá)到ws,密閉靜置24 h.

3)經(jīng)過步驟①、②后試樣完成一次干濕循環(huán),重復(fù)以上步驟可完成多次干濕循環(huán)作用.

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1　干濕循環(huán)作用下試樣的破壞特征

圖3為不同循環(huán)次數(shù)下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線.由圖可知:在剪切過程中,3個(gè)壓實(shí)度的試樣經(jīng)歷過0次和1次干濕循環(huán)后,試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線峰值強(qiáng)度明顯;經(jīng)歷過3次和5次干濕循環(huán)后,試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線峰值強(qiáng)度不明顯,類似于重塑試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系;試樣的峰值強(qiáng)度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小,而殘余強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化卻不明顯.

圖3　各個(gè)試樣無側(cè)限抗壓試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

無側(cè)限三軸試樣破壞形式如圖4所示.應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線有峰值的破環(huán)形式為圖4(a)所示的劈裂形式.應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線無峰值或者峰值不明顯的破環(huán)形式為圖4(b)和圖4(c)所示的鼓脹或者破壞面與主應(yīng)力面呈(45°+φ/2)角度(φ為粉土的內(nèi)摩擦角)的破壞形式.

圖4　豫東粉土無側(cè)限三軸試樣破環(huán)的各種形式

3.2　干濕循環(huán)作用對(duì)豫東粉土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

關(guān)于無側(cè)限抗壓試驗(yàn)破壞強(qiáng)度的選擇:①當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線有峰值時(shí),選擇峰值強(qiáng)度為抗壓強(qiáng)度;②當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線無峰值或者峰值不明顯時(shí),取軸向應(yīng)變?yōu)?5%所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度為抗壓強(qiáng)度.

在相同的壓實(shí)度下,定義第n次干濕循環(huán)作用下試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Rci為

Rci=Pi/A，

(1)

式中:Pi為n次干濕循環(huán)后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)試樣的極限壓應(yīng)力,kPa;A為試樣的截面面積,m2.

試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表1.

表1　各個(gè)試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度　kPa

結(jié)合表1,以干濕循環(huán)次數(shù)為橫坐標(biāo),各個(gè)試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為縱坐標(biāo),繪制3種不同壓實(shí)度條件下,試樣抗壓強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)變化的曲線[11],如圖5所示.由圖5可得出以下結(jié)論.

1)壓實(shí)度相同條件下,豫東粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加具有逐漸減小的變化規(guī)律,最后趨于一個(gè)穩(wěn)定值.

2)經(jīng)過首次干濕循環(huán)后，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度急速減小.其主要原因是,在首次干濕循環(huán)試樣表面會(huì)出現(xiàn)一些裂隙,試樣內(nèi)的大顆粒分解,造成了土體內(nèi)的膠凝物質(zhì)破壞,黏性降低.

3)當(dāng)干濕循環(huán)1～3次時(shí),無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的衰減幅度大大減小,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于第1次.主要原因是第1次干濕循環(huán)后,土體內(nèi)的膠凝物質(zhì)大部分已經(jīng)遭到了破壞,所剩余的小部分膠凝物質(zhì)對(duì)土體的強(qiáng)度影響不大.

4)當(dāng)干濕循環(huán)5次時(shí),無側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本穩(wěn)定,強(qiáng)度變化量隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加變得較小,說明經(jīng)過前面兩個(gè)階段的強(qiáng)度衰減后,干濕循環(huán)對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響很小.

5)隨著壓實(shí)度的增大,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，衰減幅度減小.在實(shí)際工程中,為減小干濕循環(huán)對(duì)強(qiáng)度的衰減作用,可通過增大壓實(shí)度來實(shí)現(xiàn).

圖5　無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化

4無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)方法

根據(jù)表2中所給出的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果,在同一壓實(shí)度下,用MATLAB中的Lsqcurvefit函數(shù)對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Rci與干濕循環(huán)次數(shù)n進(jìn)行擬合,其結(jié)果如圖6—8所示.

由圖6—8可以看出在同一壓實(shí)度下,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Rci與干濕循環(huán)次數(shù)n之間滿足下面的指數(shù)函數(shù)關(guān)系:

Rci=a+bexp(-kn).

(2)

式中參數(shù)a,b,k為受壓實(shí)度d影響的系數(shù),不同的壓實(shí)度下擬合參數(shù)a,b,k取值見表2.

圖6　壓實(shí)度為90%時(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)的擬合曲線

圖7　壓實(shí)度為93%時(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)的擬合曲線

圖8　壓實(shí)度為96%時(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)的擬合曲線

表2　不同壓實(shí)度下的擬合參數(shù)取值

根據(jù)擬合參數(shù)隨壓實(shí)度的變化規(guī)律,利用最小二乘法擬合出與壓實(shí)度有關(guān)的函數(shù),其擬合度R2均在0.97以上,具體數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

a=0.016e7.357d，

(3)

b=-1 905d2+3 472d-1 544，

(4)

k=3.666d-2.46.

(5)

式中d為壓實(shí)度.

將式(3),(4)和(5)代入式(2)中,化簡(jiǎn)得到:

Rci=0.016e7.357d+(-1 905d2+3 472d-1 544)·

e(-(3.666d-2.46)n)，

(6)

其中n=0,1,3,5.

因此,通過公式(6)可預(yù)測(cè)豫東粉土干濕循環(huán)多次后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,即簡(jiǎn)單實(shí)用的預(yù)測(cè)模型.本文提出的預(yù)測(cè)模型僅適用于豫東路基粉土,還有待在今后的使用和實(shí)踐中進(jìn)一步探索和改進(jìn).

5結(jié)語

1)壓實(shí)度相同條件下,豫東粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，其衰減幅度逐漸減小,5次干濕循環(huán)后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定.

2)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,3種不同壓實(shí)度下的豫東粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈指數(shù)函數(shù)形式衰減.

3)豫東粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)增加的衰減幅度隨著壓實(shí)度的增大而逐漸減小.因此，在實(shí)際工程中,可以通過增大壓實(shí)度來提高路基土的強(qiáng)度.

4)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)和壓實(shí)度的變化規(guī)律,建立了考慮壓實(shí)度和干濕循環(huán)次數(shù)耦合作用的豫東粉土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的簡(jiǎn)單、實(shí)用的預(yù)估模型.

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(責(zé)任編輯：?jiǎn)檀淦?

Influences of Drying-wetting Cycle on the Unconfined Compressive Strength of Silt of Subgrade in the Eastern Part of Henan Province

JIANG Tong, LI Yanhui, ZHANG Junran, LI Wenya

(School of Resources and Environment, North China University of Water Resources and

Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Abstract:For silt of subgrade with three kinds of compaction degrees in the eastern part of Henan Province, the variation rules of their unconfined compressive strength were researched under drying-wetting cycle and indoor tests. The results show that with the increase of the times of drying-wetting cycle, the unconfined compressive strength of silt of three compaction degrees decays in the form of exponential function, and the attenuation amplitude of unconfined compressive strength decreases with the increase of compaction degree. According to the laws of the above tests, Lsqcurvefit function in MATLAB was adopted to fit the parameters, the relevant parameters with drying-wetting cycle were obtained, then Origin software was used to establish the functions between fitting parameters and compaction degrees. At last, a prediction model of unconfined compressive strength considering the influence of coupling of drying-wetting cycles and compaction degrees was proposed.

Keywords:silt of subgrades in the eastern part of Henan Province; drying-wetting cycles; unconfined compressive strength; prediction method

中圖分類號(hào)：TU411

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-5634(2015)02-0044-05

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.02.010

作者簡(jiǎn)介：姜彤(1973—)，男，浙江天臺(tái)人，教授，博導(dǎo)，博士，主要從事巖土工程方面的研究.

基金項(xiàng)目：河南省基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目(132300410021).

收稿日期:2014-12-23