陳向陽(yáng)，王巖

（長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

回彈模量、破壞強(qiáng)度、永久變形作為表征路基穩(wěn)定性的重要力學(xué)指標(biāo)，是研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。已有研究表明，路基土的回彈模量及破壞強(qiáng)度特性直接影響著路面結(jié)構(gòu)層疲勞開裂的預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)層厚的確定，而路基過(guò)大的永久變形更是路面車轍病害的重要誘因［1-4］。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)路基土的力學(xué)指標(biāo)展開了研究，發(fā)現(xiàn)土體類型、含水率、成形方法等因素對(duì)其自身力學(xué)指標(biāo)有著不同程度的影響［5-6］。因此，從設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)出發(fā)，研究路基土的力學(xué)指標(biāo)對(duì)公路建設(shè)有十分重要的意義。

紅黏土在中國(guó)南方地區(qū)分布廣泛，隨著該地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅猛發(fā)展，在筑路材料貧乏地區(qū)采用紅黏土作為路基填料是難以避免的［7］。然而，紅黏土是一種典型高塑性、高分散性的非飽和黏土，具有多裂隙、吸水膨脹、失水收縮等工程特性，這使得紅黏土路基在車輛荷載作用下出現(xiàn)不同程度的穩(wěn)定性衰退，從而給公路建設(shè)帶來(lái)極大危害［8-9］。為保障紅黏土路基在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的穩(wěn)定性，常用處置方法是添加外摻劑（如水泥、生石灰等）對(duì)紅黏土進(jìn)行改良。但該種改良方法屬于化學(xué)改良，具有一定的時(shí)效性，對(duì)環(huán)境也存在不利影響。

綜上所述，本研究擬選用貴州省貴陽(yáng)市某一級(jí)公路改擴(kuò)建工程路段紅黏土作為試驗(yàn)土樣，在保護(hù)環(huán)境和提高經(jīng)濟(jì)效率的前提下，選用沿線拆遷建筑廢棄物對(duì)紅黏土進(jìn)行改良，從而達(dá)到抑制紅黏土的不良特性、提高其穩(wěn)定性的目的；再研究建筑廢棄物不同摻入率下混合土樣的基本物理性能指標(biāo)；然后，通過(guò)回彈模量試驗(yàn)、破壞強(qiáng)度試驗(yàn)、永久變形試驗(yàn)，定性、定量地分析建筑廢棄物摻入率及初始含水率對(duì)混合土樣回彈模量、破壞強(qiáng)度及永久變形終值的耦合影響；最后，基于該試驗(yàn)結(jié)果，建立永久變形預(yù)估模型，以期為建筑廢棄物改良紅黏土在路基建設(shè)中的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究所用紅黏土取自貴州省貴陽(yáng)市某一級(jí)公路改擴(kuò)建工程路段，所用建筑廢棄物取自工程沿線房屋拆遷，其主要成分為混凝土、磚石和砂漿。依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430—2020）對(duì)紅黏土及處理（破碎、篩分、除雜）后的建筑廢棄物進(jìn)行基本物理性能試驗(yàn)，結(jié)果分別見(jiàn)表1～2。同時(shí)，為有效分析建筑廢棄物摻入率對(duì)紅黏土基本物理性能指標(biāo)的影響，本研究設(shè)置6種摻入率（0%、10%、20%、30%、40%、50%）的混合土樣，進(jìn)行基本物理性能試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。從圖1（a）～（b）可以看出，混合土樣的最佳含水率隨摻入率的提高而逐漸下降，而最大干密度隨摻入率的提高呈先增大后減小趨勢(shì)，當(dāng)摻入率為10%時(shí)達(dá)到峰值。從圖1（c）～（e）可以看出，混合土樣的塑限與建筑廢棄物摻入率成正相關(guān)，液限和塑性指數(shù)與其摻入率成負(fù)相關(guān)，且當(dāng)摻入率超過(guò)10%時(shí)，塑限增長(zhǎng)速率陡然增大。這表明建筑廢棄物對(duì)紅黏土的改良是可行的。

圖1 基本物理性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Test results of basic physical performance properties

表1 紅黏土基本物理性能指標(biāo)Table 1 Basic physical properties of red clay

表2 建筑廢棄物基本物理性能指標(biāo)Table 1 Basic physical properties of construction garbage

1.2 試驗(yàn)方法

選用室內(nèi)承載板法，測(cè)定建筑廢棄物改良紅黏土的回彈模量。先烘干篩余紅黏土及建筑廢棄物，烘干溫度為105～110 ℃，烘干時(shí)間為24 h；再基于圖1的試驗(yàn)結(jié)果，擊實(shí)制備摻入率分別為0%、10%、20%、30%、40%、50%，初始含水率分別為最優(yōu)含水率wop、1.1wop、1.2wop的建筑廢棄物改良紅黏土；然后，對(duì)土件采用逐級(jí)加載卸載法，測(cè)定其在每級(jí)荷載下的回彈變形量；最后，基于3個(gè)平行試驗(yàn)的平均值，確定土件回彈模量。

選用意大利Controls公司生產(chǎn)的Dynatriax100/14全自動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖2所示。測(cè)定建筑廢棄物改良紅黏土的破壞強(qiáng)度與永久變形終值。其中，土件摻入率分別為0%、10%、20%、30%、40%、50%，初始含水率分別為1.0wop、1.1wop、1.2wop。在破壞強(qiáng)度試驗(yàn)中，圍壓選取為28 kPa，加載應(yīng)變速率為0.02 mm/s。若土件在軸向應(yīng)變達(dá)到15%前發(fā)生破壞，則取其軸向應(yīng)力峰值點(diǎn)作為破壞強(qiáng)度。若土件在軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)仍未破壞，則以15%軸向應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力作為破壞強(qiáng)度。在永久變形試驗(yàn)中，圍壓取為28 kPa，偏應(yīng)力取為28 kPa，加載波形為半正弦波，頻率為1 Hz，加載時(shí)間為0.2 s，間歇時(shí)間為0.8 s，加載次數(shù)為10 000 次。

圖2 全自動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Automatic triaxial test system

2 結(jié)果及分析

2.1 建筑廢棄物改良紅黏土的回彈模量

紅黏土具有吸水后軟化、剛度降低等特性，故在同一建筑廢棄物摻入率下，改良土件回彈模量受初始含水率的影響不可忽視?；貜椖Ａ颗c初始含水率的關(guān)系曲線如圖3所示。從圖3可以看出，回彈模量隨初始含水率的增加而減小。以摻入率為20%工況為例，初始含水率分別為1.0wop、1.1wop、1.2wop的回彈模量依次為106、87、64 MPa，后兩者較與前者分別減小了17.9%和39.6%。這是由于土體干密度隨著初始含水率的增大而下降，當(dāng)顆粒間距增大，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降。此外，在顆粒間結(jié)合水膜中，水分子數(shù)量的增長(zhǎng)也促進(jìn)了顆?；疲瑢?dǎo)致改良土件回彈模量的減小。

圖3 回彈模量隨建筑廢棄物摻入率變化Fig.3 The resilient modulus vary with incorporation ratios of construction waste

建筑廢棄物的摻入率由改良土件的干密度及顆粒組成，因此，摻入率是同一初始含水率下改良土件回彈模量的重要影響因素?；貜椖Ａ颗c摻入率的關(guān)系曲線如圖3所示。從圖3可以看出，回彈模量隨摻入率的增大呈先增加后減小趨勢(shì)，且在摻入率為10%時(shí)達(dá)到峰值。以1.1wop工況為例，當(dāng)摻入率從0%增大至10%時(shí)，回彈模量增長(zhǎng)21.2%；當(dāng)摻入率從10%增大至50%時(shí)，回彈模量相較于前者，分別減小15.1%、32.1%、54.8%、60.9%。這是由于適量建筑廢棄物的摻入可以提高土件顆粒間的嵌擠力，從而增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。但隨著建筑廢棄物摻入率的進(jìn)一步提高，土件內(nèi)部顆粒間距逐步增大，相應(yīng)土件孔隙率逐步提高，導(dǎo)致改良土件回彈模量的減小。

2.2 建筑廢棄物改良紅黏土的破壞強(qiáng)度

不同建筑廢棄物摻入率的改良土件在濕化作用下的破壞強(qiáng)度演變?nèi)鐖D4所示。從圖4可以看出，隨著含水率的逐步增大，土件破壞強(qiáng)度隨之減小。以摻入率為30%的工況為例，分析可知土件分別為1.0wop、1.1wop、1.2wop初始含水率下的破壞強(qiáng)度依次為359、315、261 kPa，后兩者較前者分別減小了12.3%、27.3%。從圖4可以看出，土件破壞強(qiáng)度隨摻入率的增加呈先增加后減小趨勢(shì)，且在摻入率為10%時(shí)達(dá)到峰值。以1.2wop工況為例，當(dāng)摻入率從0%增大至10%時(shí)，破壞強(qiáng)度增長(zhǎng)12.3%；當(dāng)摻入率從10%增大至50%時(shí)，破壞強(qiáng)度相較于10%的分別減小25.4%、35.6%、49.9%、54.5%?？梢?jiàn)，初始含水率、建筑廢棄物摻入率對(duì)改良土件的破壞強(qiáng)度有較大影響，現(xiàn)場(chǎng)施工中可通過(guò)調(diào)整初始含水率和建筑廢棄物的摻入率，有效提高改良土件的破壞強(qiáng)度。

圖4 破壞強(qiáng)度隨建筑廢棄物摻入率變化Fig.4 The failure strength vary with incorporation ratios of construction waste

2.3 建筑廢棄物改良紅黏土的永久變形

不同建筑廢棄物摻入率改良土件在濕化作用下的永久變形終值演變?nèi)鐖D5～6所示。從圖5可以看出，在相同摻入率下，建筑廢棄物改良紅黏土的永久變形終值隨初始含水率的增加而減小。以摻入率為10%的工況為例，當(dāng)初始含水率從1.0wop增長(zhǎng)至1.1wop時(shí)，永久變形終值增大幅度為8.10%；當(dāng)初始含水率從1.1wop增長(zhǎng)至1.2wop時(shí)，永久變形終值增大幅度迅速增長(zhǎng)，增幅可達(dá)12.96%。這是由于初始含水率的增加，土件中產(chǎn)生了過(guò)多自由水，減弱了顆粒間的接觸力，并在剪切過(guò)程中，水起著潤(rùn)滑作用，而初始含水率持續(xù)增加使得土體本身干密度下降，顆粒間摩阻力下降，導(dǎo)致永久變形終值增大。

圖5 永久變形隨建筑廢棄物摻入率變化Fig.5 Permanent deformation values vary with the confining pressure

從圖5還可以看出，建筑廢棄物改良紅黏土在相同含水率下，永久變形終值隨摻入率的增加先減小后增大。當(dāng)摻入率達(dá)到10%時(shí)，永久變形終值達(dá)到最小值。以最優(yōu)含水率wop工況為例，分析可知，0%、10%摻入率下的永久變形終值分別為1.34%和1.17%，后者較前者相比減小了12.69%。當(dāng)摻入率從10%分別增長(zhǎng)至20%、30%、40%、50%時(shí)，其永久變形值分別為1.26%、1.37%、1.48%、1.51%，相較于摻入率為10%下的永久變形終值分別增大7.69%、17.09%、26.50%、29.06%。其中，當(dāng)摻入率大于30%后，建筑廢棄物改良紅黏土的永久變形終值大于純紅黏土的。這是由于摻入紅黏土中的不規(guī)則建筑廢棄物構(gòu)成了受力骨架結(jié)構(gòu)，當(dāng)摻入率為10%時(shí)，混合土件內(nèi)部結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定。這是因?yàn)橛谰米冃谓K值在摻入率為10%時(shí)達(dá)到谷值，隨著建筑廢棄物摻入率的持續(xù)增高，其紅黏土顆粒含量逐漸降低，導(dǎo)致其內(nèi)部黏聚力下降，摩阻力上升。當(dāng)建筑廢棄物含量增長(zhǎng)所帶來(lái)的摩阻力小于紅黏土含量減小所失去的黏聚力時(shí)，其宏觀表現(xiàn)為永久變形終值逐漸增長(zhǎng)。

建筑廢棄物改良紅黏土在摻入率為10%、初始含水率為最優(yōu)含水率條件下的永久變形與循環(huán)加載次數(shù)關(guān)系曲線如圖6所示。從圖6可以看出，永久變形在加載前期迅速增加，在前2 000次加載過(guò)程中，永久變形值從0.00%增大至0.85%，增長(zhǎng)幅度達(dá)最終變形值的73.00%。隨著加載永久變形累積增大速率逐漸降低，其在9 000次至10 000次的加載過(guò)程中永久變形值僅從1.14%增大至1.17%，變形逐漸趨于定值。這是由于試件內(nèi)部孔隙隨著加載次數(shù)的增加而不斷緊密，從而增強(qiáng)了試件內(nèi)部對(duì)加載應(yīng)力的承載能力。WANG等［10］在研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的永久變形與循環(huán)荷載次數(shù)之間的規(guī)律。

圖6 永久變形與循環(huán)加載次數(shù)之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between permanent deformation and the number of loading cycles

3 永久變形預(yù)估模型的建立及驗(yàn)證

在道路運(yùn)營(yíng)期間，相較于回彈模量、破壞強(qiáng)度等力學(xué)特性而言，路基的永久變形難以定值。因此，有必要建立一種簡(jiǎn)單、有效的路基永久變形的有效定值方法。室內(nèi)三軸試驗(yàn)是一種普遍認(rèn)可的測(cè)定永久變形的方法?？紤]到三軸試驗(yàn)的成本較高，耗時(shí)較長(zhǎng)，需專業(yè)人員操作，本研究通過(guò)建立一個(gè)精確、快速的預(yù)估方法，獲得建筑廢棄物改良紅黏土在循環(huán)荷載作用下的永久變形值。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)路基土永久變形預(yù)估通常采用兩種方法：① 建立本構(gòu)模型。模擬每一個(gè)循環(huán)過(guò)程，從而精確獲得每一次加載后的永久變形值，但該方法在計(jì)算過(guò)程中需要記憶每一循環(huán)過(guò)程所產(chǎn)生的屈服面，其計(jì)算量較大，不利于在工程中普遍推廣。② 經(jīng)驗(yàn)擬合法。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立永久變形與不同因素的擬合關(guān)系方程式，從而得到不同條件下的永久變形值。與方法一相比，該方法的精確度略低，但計(jì)算簡(jiǎn)便、方便應(yīng)用。因此，本研究應(yīng)用方法二預(yù)估建筑廢棄物改良紅黏土在循環(huán)荷載作用下的永久變形值。

建筑廢棄物改良紅黏土的永久變形與建筑廢棄物的摻入率、初始含水率、循環(huán)荷載次數(shù)均顯著相關(guān)。因此，本研究基于永久變形試驗(yàn)結(jié)果，建立了一個(gè)考慮建筑廢棄物摻入率、初始含水率、循環(huán)荷載次數(shù)對(duì)永久變形耦合影響的永久變形預(yù)估模型，見(jiàn)式（1），模型參數(shù)及擬合優(yōu)度R2見(jiàn)表3。為驗(yàn)證本研究所建模型的合理性與適用性，選用建筑廢棄物改良紅黏土的永久變形試驗(yàn)數(shù)據(jù)（表4）代入新模型進(jìn)行擬合。其中，以永久變形實(shí)測(cè)值為橫坐標(biāo)，預(yù)估值為縱坐標(biāo)，繪制魯棒性驗(yàn)證散點(diǎn)圖，如圖7所示。

圖7 新模型驗(yàn)證結(jié)果Fig.7 New model validation results

表3 新建模型擬合結(jié)果Table 3 New model fitting results

式中：εp為永久變形；λs為建筑廢棄物摻入率；ωini為初始含水率；N為循環(huán)加載次數(shù)；α1、α2、α3、α4、α5、α6為模型參數(shù)。

從圖7可以看出，大部分散點(diǎn)集中分布在直線y=x周圍。因此，新建模型所得永久變形預(yù)估值具有較強(qiáng)的代表性，可滿足一般工程需要。

4 結(jié)論

1） 回彈模量隨初始含水率的增加而減小，隨摻入率的增大呈先增加后減小趨勢(shì)，且在摻入率為10%時(shí)達(dá)到峰值。此外，回彈模量在低摻入率時(shí)對(duì)初始含水率的變化較為敏感。

2） 破壞強(qiáng)度隨初始含水率的增加而減小，隨摻入率的增大呈先增加后減小趨勢(shì)，且初始含水率對(duì)建筑廢棄物改良紅黏土破壞強(qiáng)度的影響程度隨摻入率的增大而逐漸遞減。因此，在施工過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整初始含水率和建筑廢棄物的摻入率，可有效提高其破壞強(qiáng)度。

3） 永久變形終值隨初始含水率的增加而增大，隨摻入率的增大呈先減小后增大趨勢(shì)。其中，在10%的摻入率時(shí)永久變形終值達(dá)到谷值點(diǎn)，且當(dāng)摻入率大于30%后，建筑廢棄物改良紅黏土的永久變形終值大于純紅黏土的。此外，永久變形在加載前期迅速增加，隨著加載過(guò)程的持續(xù)推進(jìn)，試件永久變形累積速率逐漸降低，其變形逐漸趨于定值。其中，建筑廢棄物改良紅黏土在加載前期的變形量可達(dá)總變形量的70%以上。

4） 基于永久變形試驗(yàn)結(jié)果，建立考慮建筑廢棄物的摻入率、初始含水率、循環(huán)荷載次數(shù)對(duì)永久變形耦合影響的永久變形預(yù)估模型，并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。該模型形式簡(jiǎn)單，為建筑廢棄物改良紅黏土的實(shí)際工程應(yīng)用提供了參考。