王小芳, 程謙恭, 李 俊,3, 劉文方

(1.四川理工學(xué)院土木工程學(xué)院, 四川 自貢 643000; 2.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 成都 610031;3.橋梁無(wú)損檢測(cè)與工程計(jì)算四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 自貢 643000)

引 言

膨脹土路堤在降雨過(guò)程中遭浸泡后，土體產(chǎn)生體積膨脹，在表層出現(xiàn)一定厚度的蓬松層。在干燥季節(jié)，土體表層出現(xiàn)大量裂隙，當(dāng)雨水通過(guò)裂隙滲入土體內(nèi)部后，使土體膨脹濕軟，造成路堤承載能力的喪失。石灰改良膨脹土路堤是指經(jīng)石灰處治的非飽和土，其漲縮性、裂隙性和超固結(jié)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于膨脹土路堤[1-4]。由于石灰改良膨脹土路堤具有以上優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于修建鐵路和高速公路路堤[5-9]。雖然有研究發(fā)現(xiàn)石灰改良膨脹土的工程特性和力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)較未摻加石灰改良的膨脹土有較大幅度的提高，但是在反復(fù)的干濕循環(huán)作用下，其改良效果有所下降[10-12]。崔偉等人就干濕循環(huán)對(duì)石灰改良粘質(zhì)土膨脹特性的影響進(jìn)行研究，對(duì)高嶺石膨脹土的混合物以及具有高塑性粘土的土樣進(jìn)行膨脹潛勢(shì)和膨脹力的測(cè)試試驗(yàn)，并對(duì)添加了石灰的改良土樣經(jīng)過(guò)不同制備后進(jìn)行同樣的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在遭受干濕循環(huán)的作用后，石灰穩(wěn)定膨脹土喪失了控制膨脹潛勢(shì)的有利效果[13-16]。Rao S.M等人也發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)條件下，石灰改良土樣喪失了部分有用的改良效果，在浸水壓力作用下發(fā)生顯著的崩塌[17-20]。

如何定性分析多次干濕循環(huán)作用下石灰改良膨脹土的工程主要特性是急需解決的重大工程問(wèn)題。本文試以廣西南寧鐵路樞紐動(dòng)車運(yùn)用所的石灰改良膨脹土路堤為研究對(duì)象，以室內(nèi)離心模型試驗(yàn)為研究手段，設(shè)計(jì)離心機(jī)加載過(guò)程中的降雨—加熱系統(tǒng)，通過(guò)三次干濕循環(huán)試驗(yàn)，研究多次干濕循環(huán)作用下石灰改良膨脹土的的土壓力、含水率、吸力及溫度等工程主要特性變化，分析影響石灰改良膨脹土路堤長(zhǎng)期穩(wěn)定性的因素，這對(duì)石灰改良膨脹土的工程應(yīng)用具有重要價(jià)值。

1 試驗(yàn)材料和方法

模型土樣取自南寧屯里動(dòng)車運(yùn)用所的鐵路路塹邊坡上，土樣與現(xiàn)場(chǎng)路堤土樣一致。土樣呈灰綠色、灰黃或棕紅色，呈塊狀，內(nèi)部摻雜有少量黑色結(jié)核。取土斷面下部土層中夾雜厚度約為10 cm的黑色煤炭夾層。土體表面發(fā)育有密集的網(wǎng)狀裂隙。土體在干燥狀態(tài)下較堅(jiān)硬，遇水迅速軟化。室內(nèi)離心模型僅填筑半幅路堤，模擬原型半幅路堤內(nèi)相關(guān)特性的變化情況。原型半幅路堤尺寸為：長(zhǎng)30 m×寬1 m×高12 m。根據(jù)模型箱的尺寸(長(zhǎng)0.8 m×寬0.7 m×高0.7 m)和原型的模擬條件，模型相似比尺確定為1∶40。路堤地基土層厚度為10 cm，長(zhǎng)度為76.5 cm，路堤填筑高度為30 cm，按1∶1.75放坡，路堤頂面寬度為24 cm。

取回的土料摻入5%石灰改良后，填筑模型路堤、進(jìn)行離心模型試驗(yàn)。在制模過(guò)程中以原型路堤(即南寧鐵路樞紐動(dòng)車運(yùn)用所膨脹土路堤)的填筑要求來(lái)控制模型填筑。離心模型試驗(yàn)的相似比尺N=40。模型的填料采用從工程施工現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)回的原地膨脹土，由于試驗(yàn)土料的顆粒較小，故不考慮粒徑對(duì)試驗(yàn)的影響。離心模型試驗(yàn)構(gòu)造圖如圖1所示，其中圖1(a)為離心機(jī)和路堤模型箱的平面圖，圖1(b)為路堤模型箱降雨器裝置，圖1(c)為帶溫控的硅膠加熱裝置。圖1(b)和圖1(c)組成的降雨-蒸發(fā)系統(tǒng)可模擬反復(fù)干濕循環(huán)條件。

圖1 離心模型試驗(yàn)構(gòu)造圖

模型箱監(jiān)測(cè)儀器布置圖如圖2所示，其中圖2(a)為剖面圖，圖2(b)為平面圖。模型箱監(jiān)測(cè)儀器主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模型工程主要特性變化過(guò)程，如土壓力、含水率、吸力和溫度等的演化規(guī)律。模型削坡完成后進(jìn)行監(jiān)測(cè)儀器埋設(shè)。各類儀器的埋設(shè)位置見圖2(b)，其中TP1～TP6為土壓力盒編號(hào)，XP1～XP3為水勢(shì)傳感器編號(hào)，TT1～TT2為含水率傳感器編號(hào)。儀器埋設(shè)步驟如下所述：(1)土壓力盒埋設(shè)：當(dāng)路堤填筑至埋設(shè)位置以上兩層土體后，再回挖至目標(biāo)位置進(jìn)行土壓力盒埋設(shè)。(2)含水率探頭和水勢(shì)傳感器探頭埋設(shè)：在模型路堤填筑完畢后，再開挖溝槽到埋設(shè)層，埋設(shè)含水率探頭和水勢(shì)傳感器探頭，然后回填壓實(shí)至路堤高度。由于含水率探頭較薄，且水勢(shì)傳感器探頭的陶瓷頭較易碎，在埋設(shè)過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)保護(hù)。

注：TP1～TP6為土壓力盒編號(hào)，XP1～XP3為水勢(shì)傳感器編號(hào)，TT1～TT2為含水率傳感器編號(hào)
圖2 模型箱監(jiān)測(cè)儀器布置圖

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)石灰改良膨脹土路堤的固結(jié)時(shí)間約為1個(gè)月，根據(jù)離心機(jī)固結(jié)相似比尺，可計(jì)算出模型在離心試驗(yàn)中的固結(jié)時(shí)間為30 min。根據(jù)實(shí)際固結(jié)數(shù)據(jù)，分梯度設(shè)計(jì)了三次干濕循環(huán)試驗(yàn)，其中每次離心試驗(yàn)蒸發(fā)-降雨作用下固結(jié)時(shí)間分別為實(shí)際固結(jié)時(shí)間的2.6、2.7和3倍。以上設(shè)計(jì)確保三次干濕循環(huán)試驗(yàn)作用下土體能夠充分固結(jié)，使試驗(yàn)具有代表性，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能代表多次干濕循環(huán)條件下的工程主要特性。本次離心模型試驗(yàn)中，第一次干濕循環(huán)加熱30 min、降雨入滲60 min，相當(dāng)于原型以1.95 mm/d的蒸發(fā)強(qiáng)度(以下同)連續(xù)蒸發(fā)11.3天后，以24.08 mm/d的降雨強(qiáng)度(以下同)連續(xù)降雨66.6天。第二次干濕循環(huán)加熱40 min、降雨入滲60 min，相當(dāng)于原型連續(xù)蒸發(fā)15天后，連續(xù)降雨66.6天。第三次干濕循環(huán)加熱60 min，降雨60 min，相當(dāng)于原型連續(xù)蒸發(fā)22.5天后，連續(xù)降雨66.6天。

2 工程主要特性試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 路堤邊坡表面的變化

第一次干濕循環(huán)后，坡面并沒(méi)有出現(xiàn)明顯變形。第二次蒸發(fā)結(jié)束時(shí)，出現(xiàn)土體與有機(jī)玻璃脫離的現(xiàn)象，且在坡面上出現(xiàn)了較少的細(xì)小裂縫。第二次降雨后，裂縫消失。第三次蒸發(fā)結(jié)束后，坡面出現(xiàn)了貫通性較好的長(zhǎng)裂縫，但開口寬度較小。由此說(shuō)明經(jīng)過(guò)三次干濕循環(huán)后，路堤邊坡并沒(méi)有發(fā)生明顯變形損壞。

2.2 土壓力的變化

三次干濕循環(huán)中，不同深度土壓力時(shí)程曲線如圖3所示。

圖3 不同深度土壓力時(shí)程曲線

從圖3可知，土壓力在加熱蒸發(fā)階段隨時(shí)間降低，在降雨入滲階段隨時(shí)間增大，且兩階段的變化速率均先快后慢。蒸發(fā)階段土壓力的降低主要是由蒸發(fā)導(dǎo)致改良土含水率減小和濕密度降低所致；降雨入滲階段土壓力的增大主要是由雨水滲入使改良土含水率增加、濕密度增大引起，同時(shí)雨水入滲導(dǎo)致膨脹土產(chǎn)生的膨脹力也使土壓力增大。土壓力的平均變化速率隨著深度的增加而降低，這說(shuō)明大氣對(duì)石灰改良膨脹土路堤的影響具有局限性，測(cè)點(diǎn)越靠近路堤表面，受大氣影響越劇烈。經(jīng)三次干濕循環(huán)后，土壓力在埋深5 cm處僅增大19.2 kPa，變幅值處較10 cm和15 cm處兩個(gè)深度小，其原因主要是該處的土體離表面較近，受氣候改變影響最大，降雨滲入的水在加熱條件下容易被蒸發(fā)，又因土體厚度較小，膨脹力較小，故其土壓力變化幅度不大；10 cm處土壓力增大38.9 kPa，增幅為最大，其主要原因是雨水進(jìn)入土體內(nèi)部后，在蒸發(fā)階段不能完全被蒸發(fā)，導(dǎo)致坡體的濕密度和土體重度增大，且雨水進(jìn)入土體導(dǎo)致其膨脹力增大。15 cm處土壓力的增幅為36.4 kPa，增幅大于5 cm處而小于10 cm，這是由于該處的土體受大氣影響較前其他兩處小，膨脹力影響小，但又因有一定雨水滲入且不易被蒸發(fā)而使得其濕密度和土體重度增加。

2.3 吸力的變化

三次干濕循環(huán)中，不同深度處吸力隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。

圖4 不同深度吸力時(shí)程曲線

從圖4可知，吸力在蒸發(fā)條件下隨時(shí)間而增加，在降雨條件下隨時(shí)間而降低。三個(gè)深度處吸力的起始值相差不大，這說(shuō)明試驗(yàn)前路堤內(nèi)部含水率分布較為均勻。無(wú)論是蒸發(fā)階段還是降雨階段，吸力變化幅度隨深度的增加而減小，5 cm處吸力的變化幅值和變化速率均比10 cm、20 cm處大，說(shuō)明埋深越淺，受大氣影響越大。吸力平均變化速率在第三次干濕循環(huán)時(shí)發(fā)生驟降，說(shuō)明石灰改良膨脹土的特性變化主要發(fā)生在前兩次干濕循環(huán)，而第三次干濕循環(huán)試驗(yàn)后，土體強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。上一次降雨結(jié)束到下一次蒸發(fā)開始時(shí)，5 cm處吸力均有所增加，而埋深10 cm、20 cm處吸力值卻降低，這主要是因?yàn)? cm處受大氣影響較大，當(dāng)停止降雨時(shí)，其土體開始蒸發(fā)，使含水率降低、吸力值增大，且由于降雨入滲具有滯后性，當(dāng)停止降雨后，表層雨水繼續(xù)往路堤內(nèi)部滲入，使得10 cm、20 cm處的含水率繼續(xù)增大、吸力持續(xù)降低。第三次加熱蒸發(fā)試驗(yàn)結(jié)束后，三個(gè)深度的吸力值均比試驗(yàn)開始時(shí)小，這主要是在前兩次干濕循環(huán)過(guò)程中，滲入路堤中的雨水不能完全被蒸發(fā)出來(lái)，使得含水率增加所引起的。試驗(yàn)結(jié)束后，三個(gè)深度處吸力值相差較大，20 cm處的吸力值最大，這是因?yàn)榻涤耆霛B對(duì)其影響較小導(dǎo)致其吸力變化幅值較小，這說(shuō)明外界條件對(duì)路堤內(nèi)部影響程度隨深度而減小。

2.4 含水率的變化

不同深度含水率隨時(shí)間變化曲線如圖5所示。

圖5 不同埋深含水率時(shí)程曲線

從圖5可知，含水率總是在蒸發(fā)階段隨時(shí)間而減少，降雨階段隨時(shí)間而增加。埋深5 cm處含水率時(shí)程曲線斜率均大于埋深10cm處，這說(shuō)明隨著深度的增加，含水率變化速率降低。在降雨階段，兩個(gè)深度含水率的平均變化速率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化不一致。埋深5 cm處的含水率隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增加，而埋深10cm處的含水率隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小。在上一次降雨結(jié)束到下一次蒸發(fā)開始時(shí)，5 cm處含水率會(huì)迅速降低，而埋深10 cm處含水率卻先增大后再降低，這主要是因?yàn)橥Ｖ菇涤陼r(shí)，5 cm處水分繼續(xù)向下滲入，且受到外界環(huán)境的影響較大而使其土體蒸發(fā)，從而導(dǎo)致含水率降低，另一方面停止降雨后，表層雨水繼續(xù)往路堤內(nèi)部滲入，使得埋深10 cm處含水率會(huì)繼續(xù)增大。

2.5 溫度的變化

不同深度處溫度隨干濕循環(huán)變化曲線如圖6所示。

圖6 不同深度溫度時(shí)程曲線

從圖6可知，路堤內(nèi)部各處的溫度變化趨勢(shì)一致，均是在加熱蒸發(fā)階段升高，自然蒸發(fā)階段降低。溫度在降雨階段的變化幅度較小，說(shuō)明降雨對(duì)其影響較小。三次加熱蒸發(fā)過(guò)程中，溫度隨深度減小，最大溫度均出現(xiàn)在埋深5 cm處。進(jìn)入自然蒸發(fā)階段，5 cm處溫度會(huì)立即降低，這說(shuō)明此處土體受外界影響較大，能較直接反應(yīng)外界氣象條件的變化；而10 cm和20 cm處的溫度均先有所增加后才慢慢降低，20 cm處溫度上升時(shí)間較10 cm處長(zhǎng)，這是由于在土體內(nèi)部存在溫度梯度，高溫會(huì)向低溫傳遞，因此出現(xiàn)加熱停止后，這兩處溫度仍在一定時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)繼續(xù)升高的現(xiàn)象。

2.6 吸力與含水率的關(guān)系分析

吸力與土體持水能力相關(guān)，進(jìn)而影響土體強(qiáng)度和變形。吸力與含水率的關(guān)系即土水特征曲線能反映非飽和土儲(chǔ)水能力，對(duì)其進(jìn)行分析對(duì)非飽和土工程特性的研究極為重要。

在距路堤表面5 cm和10 cm處分別埋設(shè)了水勢(shì)傳感器探頭和含水率探頭，對(duì)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的吸力和含水率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到吸力值和含水率值。以含水率為縱坐標(biāo)、吸力為橫坐標(biāo)來(lái)制作兩者的關(guān)系曲線，得到曲線圖如圖7、圖8所示，兩圖分別為埋深5 cm、10 cm處吸力與含水率的關(guān)系曲線。

圖7 埋深5 cm處吸力與含水率的關(guān)系曲線

圖8 埋深10 cm處吸力與水率關(guān)系曲線

從圖7-圖8可知，在各蒸發(fā)階段，吸力均隨含水率的降低而增加，變化速率先慢后快；在各降雨階段，吸力均隨含水率的升高而減小，變化速率先慢后快。無(wú)論在干濕循環(huán)的哪一個(gè)階段，吸力隨含水率的變化曲線都存在一個(gè)分界值，大于或小于這個(gè)分界值，曲線變化斜率發(fā)生變化。在一次完整的干濕循環(huán)試驗(yàn)中，脫濕和吸濕階段形成的曲線不重合，表現(xiàn)為：相同的含水率對(duì)應(yīng)不同的吸力；同一個(gè)吸力對(duì)應(yīng)不同含水率，兩者之間出現(xiàn)了較大的滯回圈，其主要原因是當(dāng)土體從吸濕過(guò)程中的某一點(diǎn)開始脫濕，或者從脫濕過(guò)程中的某一點(diǎn)開始吸濕時(shí)，石灰改良膨脹土含水率與吸力的關(guān)系曲線將從這一點(diǎn)開始發(fā)生變化，重新形成新的關(guān)系曲線。在干濕循環(huán)的各個(gè)階段形成的滯回圈大小不同，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加滯回圈逐漸減小，其主要原因是膨脹土的結(jié)構(gòu)排列隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加趨于穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

以南寧鐵路樞紐動(dòng)車運(yùn)用所的膨脹土高速鐵路路堤為研究對(duì)象，對(duì)氣候影響下石灰改良膨脹土路堤的工程特性進(jìn)行研究。試驗(yàn)以現(xiàn)場(chǎng)路堤填筑方法和工程處治技術(shù)為基礎(chǔ)，采用現(xiàn)場(chǎng)膨脹土為模擬材料，運(yùn)用相似原理，設(shè)計(jì)和制作石灰改良膨脹土路堤室內(nèi)土工離心試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究改良土路堤在蒸發(fā)-降雨形成的干濕循環(huán)條件下的工程特性，結(jié)論如下：

(1)第一次干濕循環(huán)后，坡面并沒(méi)有出現(xiàn)明顯變形；第二次蒸發(fā)結(jié)束時(shí)，出現(xiàn)土體與有機(jī)玻璃脫離的現(xiàn)象，且在坡面上出現(xiàn)了較少的細(xì)小裂縫。第二次降雨后，裂縫消失；第三次蒸發(fā)結(jié)束后，坡面出現(xiàn)了貫通性較好的長(zhǎng)裂縫，但開口寬度較小，說(shuō)明經(jīng)過(guò)三次干濕循環(huán)后，路堤邊坡并沒(méi)有發(fā)生明顯變形破壞。

(2)在三次干濕循環(huán)過(guò)程中，石灰改良膨脹土路堤的土壓力出現(xiàn)反復(fù)的增、減，在加熱蒸發(fā)階段隨時(shí)間減小，降雨入滲階段隨時(shí)間增大。

(3)石灰改良膨脹土路堤的吸力在加熱蒸發(fā)階段隨時(shí)間增大，在降雨入滲階段隨時(shí)間減小。同一深度的吸力變化幅度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小，說(shuō)明在反復(fù)的干濕循環(huán)條件下膨脹土主要特性發(fā)生衰減。不同深度的吸力變化幅度隨深度的增加而減小。

(4)含水率在蒸發(fā)階段隨時(shí)間減少，降雨階段隨時(shí)間增加、漸近飽和。埋深越淺，含水率的變化幅度越大。5 cm處含水率的變化受大氣影響較大。受雨水入滲時(shí)效性和大氣影響有限性的影響，使得降雨開始前期，10 cm處含水率仍會(huì)繼續(xù)降低，直至浸潤(rùn)線達(dá)到后，含水率才逐漸增大。第三次蒸發(fā)結(jié)束時(shí)，10 cm處的含水率較初始值大，說(shuō)明在雨時(shí)滲入路堤內(nèi)部的雨水不會(huì)被完全蒸發(fā)。

(5)溫度在加熱蒸發(fā)階段變化較大，降雨對(duì)溫度的影響不大。不同深度的溫度在加熱蒸發(fā)階段迅速增大。而停止加熱后，10 cm、20 cm處的溫度先繼續(xù)增大后再開始下降。

(6)吸力在蒸發(fā)階段隨含水率的降低而增加，變化速率先慢后快；在降雨階段隨含水率的升高而減小，變化速率先慢后快。在一次完整的干濕循環(huán)試驗(yàn)中，吸力與含水率的關(guān)系曲線在脫濕和吸濕階段不重合，表現(xiàn)為相同的含水率對(duì)應(yīng)不同的吸力，同一個(gè)吸力對(duì)應(yīng)不同含水率，兩者之間出現(xiàn)了較大的滯回圈。滯回圈大小在各階段不同，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小。