朱寶柱， 劉 盼， 李 文， 郭 昕

(長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙 410076)

干濕循環(huán)作用下長沙高速粉質(zhì)黏土軟化特性試驗研究

朱寶柱， 劉 盼， 李 文， 郭 昕

(長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙 410076)

針對高速公路路基土體在干濕循環(huán)作用下易發(fā)生軟化的特點，以長沙繞城高速公路為依托，結合室內(nèi)試驗和數(shù)值分析等手段對其進行研究。通過原狀土快剪試驗及壓縮試驗分析了干濕循環(huán)次數(shù)對粉質(zhì)黏土軟化特性的影響，然后采用最小二乘法得到了長沙高速公路粉質(zhì)黏土在干濕循環(huán)作用下的軟化公式，并基于此分析了粉質(zhì)黏土軟化規(guī)律。研究結果表明： ①粉質(zhì)黏土的粘聚力、內(nèi)摩擦角、壓縮模量均隨干濕循環(huán)次數(shù)增大而減小，三者均在前2次干濕循環(huán)過程中衰減最為嚴重；②干濕循環(huán)次數(shù)對各參數(shù)的軟化影響強弱次序：粘聚力c>內(nèi)摩擦角φ>壓縮模量E(50 kPa)>壓縮模量E(100 kPa)>壓縮模量E(200 kPa)>壓縮模量E(300 kPa)。

粉質(zhì)黏土； 干濕循環(huán)； 粘聚力； 內(nèi)摩擦角； 壓縮模量

0 前言

黏土在湖南地區(qū)分布廣泛，其作為一種填筑材料被廣泛應用于路基填筑中，而高速公路路基土體在干濕循環(huán)作用下會逐漸軟化，因此容易導致路基失穩(wěn)亦或是沉降難以滿足規(guī)范要求，極易導致交通事故[1-5]。鑒于此，國內(nèi)外學者針對土體在干濕循環(huán)作用下的軟化特性進行了深入研究。如張芳枝[2]等選取重塑黏土作為研究對象，進一步探究了干濕循環(huán)條件下重塑黏土的強度特性；楊和平[6]等通過采用直剪試驗對歷經(jīng)多次干濕循環(huán)作用后的寧明膨脹土進行了抗剪強度測試，探討了干濕循環(huán)作用對膨脹土抗剪強度的影響；慕現(xiàn)杰等[7]基于無側(cè)限抗壓強度試驗和直剪試驗得到了南徐大道膨脹土強度隨干濕循環(huán)的變化規(guī)律；王建華[8]基于干濕循環(huán)條件下水泥改良黏土的抗剪強度試驗，探討水泥改良黏土力學性能變化規(guī)律；方慶軍等[9]通過對比干濕循環(huán)作用下高液限粉土和高液限黏土的高度、質(zhì)量和壓縮系數(shù)等試驗結果，得到了二者壓縮特性的變化規(guī)律；李正明等[10]對以高路堤軟黏土作為研究對象，得到了干濕循環(huán)作用下軟黏土的強度軟化規(guī)律；勾麗杰等[11]通過土體在干濕循環(huán)條件下的快剪試驗，得到了干濕循環(huán)作用下不同路基粘土的抗剪強度的變化規(guī)律。

上述研究僅討論了干濕循環(huán)作用下土體強度軟化規(guī)律，并未提出干濕循環(huán)作用下土體強度參數(shù)軟化公式及對各參數(shù)的影響強弱。基于此，本次研究選取長沙高速公路典型路基填土-粉質(zhì)黏土(粉質(zhì)黏土水敏感性具有不確定性，在長期反復浸水條件下的干濕循環(huán)條件下強度可能有較大的變化)填料作為研究對象，通過模擬不同干濕循環(huán)次數(shù)下的壓縮和直剪試驗，開展了粉質(zhì)黏土在干濕循環(huán)作用下的軟化特性研究。

1 試驗研究

1.1 土樣基本特性

試驗土樣取自長沙高速公路某典型粉質(zhì)黏土路基斷面，路基填土高度為9.4 m。通過擊實試驗測定2種土的最佳含水率和干密度，用聯(lián)合法測定2種土的液塑限。粉質(zhì)黏土基本土樣指標見表1。

表1 粉質(zhì)黏土基本土性指標塑限/%液限/%塑性指數(shù)最佳含水率/%干密度/(g·cm-3)23.537.313.816.691.68

1.2 試驗方案

1) 環(huán)刀試件制備：按照表1所示的最佳含水率將所取土樣配制成試驗土樣，為使得水分分布均勻，需對土樣進行悶料處理，最后嚴格控制土體壓實度(各試樣壓實度均為96%)并將土體置入環(huán)刀內(nèi)。

2) 干濕循環(huán)過程模擬：首先對環(huán)刀試件進行增濕處理(增濕至28%)，增濕處理完畢后還需對試樣進行密封處理，這個過程持續(xù)24 h；然后對環(huán)刀試件進行烘干處理即為減濕過程(將試件含水率減濕至20%)，同樣需進行密封處理，持續(xù)24 h，以上即為一次干濕循環(huán)作用。

3) 剪切試驗：根據(jù)工程實際對試樣施加100，200，300，400 kPa 4級荷載，同時將剪切速度控制在0.8 mm/min。

4) 壓縮試驗：采用杠桿式固結儀進行常規(guī)壓縮試驗，根據(jù)工程實際對試樣依次施加50，100，200，300 kPa的垂直壓力。

2 試驗結果與分析

2.1 粉質(zhì)黏土剪切試驗

根據(jù)快剪試驗測定的應力 — 應變曲線，得到不同荷載下粉質(zhì)黏土的抗剪強度如表2所示。

表2 粉質(zhì)黏土直剪試驗結果循環(huán)次數(shù)不同荷載/kPa時的直剪結果/kPa100200300400第0次41.6885.84125.69171.11第1次34.0470.63102.92140.77第2次27.3157.2982.97114.21第3次25.8254.3478.56108.35第4次25.2853.2676.94106.18第6次24.5751.8474.81103.35第8次24.3351.3674.09102.38第10次24.4551.6174.48102.90

又根據(jù)庫侖定理公式:

τ=c+σtanφ

(1)

其中：c為粘聚力；φ為內(nèi)摩擦角；σ為垂直壓力。

對表2數(shù)據(jù)進行處理，得到如表3所示的粉質(zhì)黏土抗剪強度參數(shù)，并分別繪制粉質(zhì)黏土粘聚力以及內(nèi)摩擦角與干濕循環(huán)次數(shù)的關系曲線(見圖1)。

表3 粉質(zhì)黏土強度參數(shù)表循環(huán)次數(shù)直線擬合第0次y=0.4214x+0.4165(R2=0.9672)第1次y=0.3457x+0.3427(R2=0.9483)第2次y=0.2796x+0.2168(R2=0.9372)第3次y=0.265x+0.1936(R2=0.9224)第4次y=0.2596x+0.1915(R2=0.9127)第6次y=0.2525x+0.1831(R2=0.9085)第8次y=0.2501x+0.1834(R2=0.8924)第10次y=0.2514x+0.1808(R2=0.8725)tanφc/kPaφ/(°)0.421441.6522.860.345734.2719.080.279621.6815.630.265019.3614.850.259619.1514.560.252518.3114.180.250118.3414.050.251418.0814.12

圖1 粉質(zhì)黏土粘聚力和內(nèi)摩擦角隨著干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線

由上述圖表可直觀看出：粉質(zhì)黏土的粘聚力和內(nèi)摩擦角均隨干濕循環(huán)作用次數(shù)的增大而減小。內(nèi)摩擦角、粘聚力均在在第1、2、3次干濕循環(huán)作用下衰減較快，而后趨于一穩(wěn)定值。其中內(nèi)摩擦角在歷經(jīng)3次干濕循環(huán)作用后穩(wěn)定在14.1°，而粘聚力則穩(wěn)定在18.2 kPa。為了更精確地研究分析干濕循環(huán)次數(shù)與粉質(zhì)黏土強度參數(shù)的衰減關系，對粘聚力和內(nèi)摩擦角每次干濕循環(huán)條件下的衰減量和衰減比重進行分析，分析結果如表4所示，同時根據(jù)表4分別繪制干濕循環(huán)次數(shù)與黏土強度參數(shù)即粘聚力和內(nèi)摩擦角的關系曲線(見圖2)。

表4 粉質(zhì)黏土強度參數(shù)分析表循環(huán)次數(shù)強度參數(shù)衰減量衰減比重c/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)c/%φ/%第0次41.6522.86第1次34.2719.087.383.7817.7216.54第2次21.6815.6312.593.4530.2315.09第3次19.3614.852.320.785.573.41第4次19.1514.560.210.290.501.27第6次18.3114.180.840.382.021.66第8次18.3414.05-0.030.130.070.57第10次18.0814.120.26-0.070.620.31 注:c、φ的軟化系數(shù)分別為0.443、0.622。

圖2 粉質(zhì)黏土粘聚力和內(nèi)摩擦角衰減幅度變化曲線

由表4和圖2可知，粉質(zhì)黏土在經(jīng)歷1、2、3次干濕循環(huán)作用后，其粘聚力的衰減幅度較大，衰減比重分別為17.72%、30.23%、5.57%，第4次干濕循環(huán)以后，其衰減幅度基本趨近于0.8；對于內(nèi)摩擦角而言，在經(jīng)歷1、2、3次干濕循環(huán)作用后，粉質(zhì)黏土內(nèi)摩擦角的衰減幅度較大，衰減比重分別為16.54%、15.90%、3.41%，第4次干濕循環(huán)以后，其衰減幅度基本趨近于0.8。在經(jīng)歷10次干濕循環(huán)作用后，粉質(zhì)黏土的粘聚力和內(nèi)摩擦角的軟化系數(shù)分別為0.443、0.622。

對室內(nèi)直剪試驗得到的粉質(zhì)黏土強度參數(shù)數(shù)據(jù)進行反S型擬合，得到了長沙高速粉質(zhì)黏土粘聚力和內(nèi)摩擦角在干濕循環(huán)作用下的衰減軟化公式，其具體過程如下：假定干濕循環(huán)條件下，粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ隨著循環(huán)次數(shù)n的變化其變化是連續(xù)的[12]，則依據(jù)表4中的數(shù)據(jù)繪出粉質(zhì)黏土強度參數(shù)累計衰減比重倒數(shù)的自然對數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的圖形如圖3、圖4所示，以此為基礎對其進行擬合，擬合結果如式(2)、式(3)所示：

圖3 粉質(zhì)黏土粘聚力擬合曲線

圖4 粉質(zhì)黏土內(nèi)摩擦角擬合曲線

c0=41.65 kPa

(2)

φ0=22.86°

(3)

式中：cn為n次干濕循環(huán)后土體粘聚力；c0為初始粘聚力；φn為n次循環(huán)后土體內(nèi)摩擦角；φ0為初始內(nèi)摩擦角；R為相關系數(shù)。

2.2 粉質(zhì)黏土壓縮試驗

不同干濕循環(huán)作用次數(shù)下粉質(zhì)黏土壓縮模量的試驗結果如表5和圖5所示。

對表5和圖5進行分析可得： 在同一干濕循環(huán)次數(shù)下壓縮模量隨著垂直荷載的增大而變大，同一垂直荷載下隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增大壓縮模量逐漸減小。在同一垂直荷載下，壓縮模量在前3次干濕循環(huán)作用下衰減作用明顯，壓縮模量曲線下降較快，后4次干濕作用下壓縮模量也有輕微衰減，干濕循環(huán)作用不明顯，壓縮模量曲線變得平緩，壓縮模量基本維持在一個穩(wěn)定值，可基本認為粉質(zhì)黏土的壓縮模量在經(jīng)歷了10次干濕循環(huán)作用后基本趨于一個新的穩(wěn)定狀態(tài)。粉質(zhì)黏土在0.05，0.1，0.2，0.3MPa4個不同壓力下壓縮模量分別由4.736，6.825，12.248，16.422MPa衰減到2.835，4.369，8.538，11.679MPa。

表5 不同干濕循環(huán)次數(shù)下粉質(zhì)黏土的壓縮模量干濕循環(huán)次數(shù)不同垂直荷載下壓縮模量/(0.1MPa)0.05MPa0.1MPa0.2MPa0.3MPa047.3668.65122.48164.22137.2955.72105.42142.76233.4149.3898.71125.34331.2746.2891.39120.86430.6444.5987.55118.79629.3544.1586.49117.62828.6143.8485.86116.941028.3543.6985.38116.79

圖5 粉質(zhì)黏土壓縮模量與干濕循環(huán)次數(shù)關系曲線

不同干濕循環(huán)作用次數(shù)下粉質(zhì)黏土孔隙比的試驗結果如表6和圖6所示。

對表6和圖6進行分析可得： 粉質(zhì)黏土孔隙比隨著垂直荷載的增大而變小，這是由于壓力越大，土體被壓得越密實，因而孔隙比逐漸變小。在垂直荷載相同情況下，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增大孔隙比逐漸增大。在4個不同垂直荷載下，孔隙比隨干濕循環(huán)次數(shù)的的增大幅度不盡相同，垂直荷載越大孔隙比的增幅越小。總體上，粉質(zhì)黏土的孔隙比在干濕循環(huán)作用下變化幅度均較小，其主要原因為粉質(zhì)黏土的顆粒主要為小顆粒，且小顆粒土體較難壓縮。

表6 不同干濕循環(huán)次數(shù)下粉質(zhì)黏土的孔隙比干濕循環(huán)次數(shù)不同垂直荷載下孔隙比0.05MPa0.1MPa0.2MPa0.3MPa00.4970.4860.4730.46410.5040.4900.4750.46520.5090.4940.4780.46630.5130.4970.4800.46740.5180.5010.4830.47060.5210.5030.4850.47280.5240.5060.4880.475100.5260.5080.4900.476

圖6 粉質(zhì)黏土孔隙比與干濕循環(huán)次數(shù)關系曲線

通過對室內(nèi)壓縮試驗得到的粉質(zhì)黏土壓縮模量數(shù)據(jù)進行反S型擬合，得到了長沙高速粉質(zhì)黏土壓縮模量在干濕循環(huán)作用下的衰減軟化公式，其具體過程如下：假定干濕循環(huán)條件下壓縮模量隨循環(huán)次數(shù)n的變化其變化是連續(xù)的，根據(jù)表6得到荷載為50 kPa時壓縮模量累計衰減比重倒數(shù)的自然對數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的曲線關系(見圖7)并對其擬合。擬合表達式見式(4)：

圖7 50 kPa荷載下粉質(zhì)黏土壓縮模量擬合曲線

E0=47.36 MPa

(4)

式中：En為n次干濕循環(huán)后土體壓縮模量；E0為初始壓縮模量；R為相關系數(shù)。

同理可分別對100，200、300 kPa荷載下粉質(zhì)黏土的壓縮模量隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線進行擬合，擬合結果詳見圖8，式(5)～式(7)。

圖8 100、200、300 kPa荷載下粉質(zhì)黏土壓縮模量擬合曲線

E0=68.65 MPa

(5)

E0=122.48 MPa

(6)

E0=164.22 MPa

(7)

2.3 干濕循環(huán)下粉質(zhì)黏土強度軟化規(guī)律

由上節(jié)知，基于干濕循環(huán)條件下粉質(zhì)黏土的剪切試驗和壓縮試驗得到了長沙高速粉質(zhì)黏土強度參數(shù)隨干濕循環(huán)作用次數(shù)的變化規(guī)律，采用最小二乘法對其進行擬合，以函數(shù)的形式直觀地表現(xiàn)出來。本文旨在研究干濕循環(huán)作用下長沙高速粉質(zhì)黏土的軟化特性，因此如何評價干濕循環(huán)作用次數(shù)對土體強度各參數(shù)的軟化效果顯得尤為重要。鑒于此，對上節(jié)所得到的擬合式(2)～式(7)進行變形得到式(8)～式(13)：

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

根據(jù)式(8)～式(13)繪制得到如圖9所示的干濕循環(huán)次數(shù)與變形后的函數(shù)f(n)的關系曲線。

圖9 f(n)與干濕循環(huán)次數(shù)的關系

由圖9可知干濕循環(huán)條件下粉質(zhì)黏土各強度參數(shù)下降曲線基本一致，干濕循環(huán)次數(shù)對各參數(shù)的軟化影響具體表現(xiàn)如下： 粘聚力c>內(nèi)摩擦角φ>壓縮模量E(50 kPa荷載作用下)>壓縮模量E(100 kPa荷載作用下)>壓縮模量E(200 kPa荷載作用下)>壓縮模量E(300 kPa荷載作用下)。

3 結論

1) 粉質(zhì)黏土的粘聚力和內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)增大而減小，二者均在前2次干濕循環(huán)過程中衰減幅度最大，經(jīng)過4次干濕循環(huán)后衰減幅度放緩，后幾次干濕循環(huán)土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角波動較小。

2) 干濕循環(huán)作用下不同垂直荷載粉質(zhì)黏土壓縮模量的變化規(guī)律基本一致，都是在前1次、2次、3次干濕循環(huán)作用下，壓縮模量有著較大的衰減幅度，經(jīng)過前4次的干濕循環(huán)作用，土體逐漸變得穩(wěn)定，壓縮模量趨于一個穩(wěn)定值。而粉質(zhì)黏土的孔隙比在干濕循環(huán)作用下變化幅度均較小。

3) 對所得試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到了長沙高速粉質(zhì)黏土強度各參數(shù)在干濕循環(huán)作用下的衰減軟化公式及干濕循環(huán)次數(shù)對各參數(shù)的軟化影響強弱次序： 粘聚力c>內(nèi)摩擦角φ>壓縮模量E(50 kPa荷載作用下)>壓縮模量E(100 kPa荷載作用下)>壓縮模量E(200 kPa荷載作用下)>壓縮模量E(300 kPa荷載作用下)。

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2016-05-17

交通運輸部建設科技項目(2011318824350)

朱寶柱(1991-)，男,碩士研究生，主要從事路基路面工程及邊坡工程等方面研究。

1008-844X(2017)01-0001-05

U 412.22

A