干湿循环条件下水泥改良红砂岩土的力学特性试验研究

2020-06-13邹静蓉

科学技术与工程 2020年13期

王帅，邹静蓉

(中南林业科技大学土木工程学院，长沙 410004)

由于中国南方地区多雨的气候特点，雨水降渗和蒸发、地下水位上升和下降等环境的变化是较为常见的自然现象，因此，路基受到干湿循环作用也较为常见[1]。在相关研究中发现干湿循环会使土体整体强度和抗变形降低，导致土基在受力的情况下发生不均匀沉降[2]。红砂岩作为一种在南方地区分布较为广泛的岩类，在公路工程中常作为路基填料使用，但红砂岩具有遇水易崩解的特性，干湿循环后强度下降较大，在工程中需对其进行改良。

目前，针对干湿循环循环条件下路基填料的研究积累了一定成果，如陈开圣[3]发现在对路基进行长期稳定性计算时，建议采用5次干湿循环循环后的强度指标。张德恒等[4]发现干湿循环作用下秸秆灰渣改良膨胀土随着秸秆灰渣含量的增加抗剪强度衰减程度逐渐减小，试样的抗剪强度在第1次干湿循环时衰减较大。刘雨等[5]发现养护龄期对干湿循环作用下的改良土强度和刚度衰减影响不同，提高龄期对弹性模量衰减影响较小。在针对红砂岩力学强度变化的相关研究中，甘文宁[6]发现红砂岩软化、强度降低主要是胶结物质溶解形成孔隙和黏土颗粒成分吸水与失水引起的微观变换向宏观破坏引起的。刘帅等[7]发现干湿循环次数相同的红砂岩试样,随围压增大,峰值应变减小,峰值强度、弹性模量增加。朱彦鹏等[8]对不同配合比下的试验数据进行分析,建立回归方程预测红砂岩改良土的黏聚力和内摩擦角。诸如以上现有研究发现，针对干湿循环条件下水泥改良红砂岩各项力学指标变化研究较少，故研究干湿循环对水泥改良红砂岩土的力学性能影响具有一定实际意义与价值。

基于上述原因与研究现状，以湘西怀芷高速公路红砂岩路基填料作为试验用土，通过对现有干湿循环试验研究的改良，设计了符合现场工况的水泥改良红砂岩土试件干湿循环过程并进行三轴试验。分析红砂岩土在各阶段的受力特点，进一步完善了关于红砂岩土的路用性能，对减少干湿循环条件下路基的病害具有重要意义。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验选取湘西怀芷高速公路工程沿线取土场红砂岩路基填料作为试验用土。地质勘查资料显示该填料为白垩纪钙泥质粉砂岩，呈红褐色，岩质软，结构较为松散，且粒径分布不均，土样不均匀系数为4.1，曲率系数为0.9，红砂岩土颗粒级配曲线如图1所示，根据《土的工程分类标准》(GB/T 50145—2007)，土样为粉土质砂。依据《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)的方法，通过液塑限、击实等试验对红砂岩土进行基本工程性质分析。红砂岩土的基本工程性质如表1所示。

图1 红砂岩土颗粒级配曲线

表1 红砂岩土基本工程性质

1.2 试验方案

1.2.1 试验仪器及制件

试验仪器采用英国产GDS三轴试验系统，如图2所示。改良剂采用普通硅酸盐水泥P.O.32.5。将所取的红砂岩土放入烘箱内烘干，控制压实度为96%，按最佳含水率9.37%加水，分别制成未改良与分别掺入3%、4%和5%水泥剂量的试件，试件呈圆柱形，高8 cm，直径为3.91 cm，将掺入水泥的试件放入标准养护室内养生7 d，为下一步试验做准备。

图2 GDS三轴试验仪器

1.2.2 干湿循环试验设计

一个完整的干湿循环过程包括试件的吸水与失水两个部分[1]。由于相关研究中，土的种类、性质与研究背景各不相同，还没有一套统一的干湿循环标准。目前中外提出了多种干湿循环过程[9-11]。如文献[9]先将试件在105 ℃烘箱干燥12 h后，再放入水中浸泡12 h，以此为一次干湿循环。文献[10]将试件放在加湿喷雾器下模拟自然降雨，然后将试件用薄膜密封24 h为一次干湿循环。文献[11]参考美国ASTMD559—44和AASHTOT136—45“压实水泥土干湿循环试验标准方法”的规定，先将试件养护7 d，再泡水2 d，然后取出称重，自然干燥2 d，再称重，以此为一次循环。参照文献[11]的方法并加以修改，将养生7 d的试件分为5组进行，分为0次(“0次”指不进行干湿循环)、1次、3次、5次、7次干湿循环。与现有试验研究中干湿循环过程不同，为模拟真实公路路基吸水饱和后向下渗水状况，将制备好的试件压入三轴试验专用橡皮膜内，试件上下两端分别放入滤纸和透水石，将按最佳含水率制成的试件放在自制的塑料台架上，塑料台架顶端使用经过密集打孔后的塑料片支撑试件，并进行渗水干燥，如图3所示。为避免干湿循环后试件处于不同含水率对试验结果的影响，试验通过干湿循环前后称重将试件的含水率控制在最佳含水率附近；将制作好的试件连同台座称重，之后放入水池中浸泡2 d，再拿出放入恒温养护室内干燥渗水，时间为24 h左右可以将试件和台座质量控制为未放入水中时的质量，并以此为经过1次干湿循环作用的过程。试验采用常规三轴压缩试验(CTC)，即设置一定的围压进行等压固结，之后保持围压不变，增加轴向压力直至试件破坏，围压分别控制为50、100、150 kPa；剪切设置为固结不排水剪(CU)，剪切速率设置为0.05 mm/min。

图3 干湿循环三轴试件

2 试验结果及分析

2.1 干湿循环对应力-应变曲线的影响

对三轴压缩试验所得的数据进行处理，以偏应力为纵坐标，轴向应变为横坐标，不同水泥剂量下不同围压、不同干湿循环次数的应力-应变曲线，如图4～图7所示。

图4 未掺入水泥的红砂岩土应力-应变曲线

图5 水泥含量为3%的红砂岩改良土应力-应变曲线

图6 水泥含量为4%的红砂岩改良土应力-应变曲线

图7 水泥含量为5%的红砂岩改良土应力-应变曲线

如图4所示，未改良的红砂岩土试件在加载过程中，应力达到峰值点后出现了软化现象，此时轴向应变增加而轴向应力减小，应力-应变曲线为应变软化型。从图4可以看出，未改良红砂岩试件在干湿循环条件下的应力-应变曲线大致可以分为：①压密阶段，这是由于岩土介质间细微裂隙受压闭合造成的，此时偏差应力和应变都不大，试件体积略微缩小，应力-应变曲线呈凹型；②弹性变形阶段，此时的应力-应变曲线近似于直线，偏差应力逐渐增大，轴向应变也随之增加，该阶段表现出一定的线弹性。当应力增加到一定值后，试件体积开始膨胀，此时试件中的裂隙不断发展、累积，当偏差应力达到最大值时，发生破坏，该处的偏差应力值为峰值应力；③峰后阶段，当试件的所受的轴向应力超过峰值点后，此时应变增加，应力降低，试件中的裂隙快速发展，逐渐形成断面。该阶段试件的强度大幅减小，此时的强度为残余强度。

未改良试件干湿循环0次时压密阶段较短，干湿循环数次后出现了较为明显的压密阶段，表明红砂岩颗粒在受到干湿循环的影响下出现了进一步的破碎；“0”次循环的试件弹性阶段较为明显，此时试件有一定的弹性；随着干湿循环次数的增加，弹性阶段逐渐缩短，弹性减弱，试件开始出现一定的塑性，试件的偏应力峰值随干湿循环次数增加而降低，峰值应变随干湿循环次数的增加而提高。在峰后阶段轴向应力仅有较小的下降，应力-应变曲线变化较为平缓，残余强度随着干湿循环次数的增加而减小，在这个阶段表现出一定的塑性，且经过多次干湿循环后，这种塑性越明显。

如图5～图7所示，掺入不同水泥剂量的红砂岩土试件在干湿循环条件下应力-应变曲线均为应变软化型，对比未改良试件的应力-应变曲线，掺入不同剂量的水泥未改变红砂岩土的应力-应变形式。在相同围压下，水泥改良的红砂岩土试件的压密阶段短且不明显，表明水泥改良的红砂岩土试件经过已经具有一定的强度，水泥水化产物对红砂岩土颗粒具有较强的胶结作用，干湿循环虽然会使红砂岩颗粒崩解，但水泥的胶结作用抵消了大部分的崩解作用。改良的红砂岩土试件弹性变形阶段较为明显，在相同围压和相同干湿循环次数条件下，掺入水泥的红砂岩土试件峰值应力均大于未改良的试件，且峰值应变也在一定范围内波动，没有出现未改良红砂岩土试件的峰值应变随干湿循环次数增加而增大的现象。掺入3%水泥剂量的红砂岩土试件在相同围压下，残余强度随着干湿循环次数的增加而降低，而4%、5%水泥剂量的改良红砂岩试件在相同围压下，残余强度随着干湿循环次数的增加出现先降低后提高的现象。

2.2 红砂岩土试件三轴试验的破坏形式

三轴试验试件的破坏形式可以分为压缩破坏、塑性破坏和脆性破坏，试验以塑性破坏和脆性破坏为主。塑性破坏面呈波浪形，周围有裂缝，破坏面有颗粒碎屑散落，如图8(a)所示。脆性破坏在试件上呈现一道贯穿式裂缝，破坏面较大，如图8(b)所示。而不同的破坏形式在应力-应变曲线的线形上也有所区别。如图4～图7所示，未改良的试件在峰后阶段曲线随着干湿循环次数的增加，峰后阶段曲线线性逐渐变坦，虽然应变随着应力的增加而降低，但下降幅度并不明显，此时试件呈塑性破坏。掺入不同水泥剂量的改良红砂岩土在峰后阶段应力-应变曲线表现为应变随应力的增加而下降，下降幅度较为明显，此时试件呈脆性破坏。水泥改良增加了红砂岩土的整体强度，同时也使试件的破坏形式趋近于水泥混凝土类材料。水泥改良红砂岩土路基在承受超过自身承载极限的行车荷载时，路基破坏可能比未经水泥改良的红砂岩路基更加严重。

图8 红砂岩土试件的破坏形式

2.3 干湿循环作用对峰值强度的影响

对三轴数据进行整理，σ1为轴向压力，σ3为围压，(σ1-σ3)f为破坏时的峰值应力，将峰值应力和围压做莫尔圆，可以得到极限平衡条件下的抗剪强度。因此这里将未改良与改良红砂岩土试件在不同围压、不同干湿循环次数下达到破坏时的峰值应力作为评价不同条件下红砂岩土所能承受的极限抗剪强度指标，即将σf定义为峰值强度。

如图9(a)所示，未经过水泥改良的红砂岩试件峰值强度随着干湿循环次数的增加而降低。不同围压下，峰值强度从0次循环到1次循环的下降幅度较大。其中当控制围压为150 kPa时，1次、3次、5次、7次循环后峰值强度相较于0次循环分别有56.8%、63.1%、68.9%和70.5%的下降，随着干湿循环次数的增加，降幅逐渐变缓。而从5次循环开始未改良红砂岩土试件的峰值强度受围压影响变小，干湿循环7次时不同围压下的峰值强度相近，表明红砂岩土经过多次干湿循环后，水对土颗粒的软化作用愈发明显，提高试件的围压也未能提高红砂岩土抵抗剪切破坏的能力。

图9 不同条件下红砂岩土试件的峰值强度

如图9(b)～图9(d)所示，相对于未改良的红砂岩土试件，掺入不同剂量的水泥可以提高峰值强度，即提高土体抵抗剪切破坏的能力。随着干湿循环次数的增加，3%、4%和5%水泥剂量的试件峰值强度总体趋势为先降低后提高；而在不同围压作用下，峰值强度变化规律有所不同。其中3%水泥剂量试件的峰值强度受围压影响较大。干湿循环1次时，围压100 kPa的峰值强度相对围压50 kPa提高了64.2%；围压150 kPa的峰值强度相对围压 100 kPa 仅提高11.82%；围压50 kPa和100 kPa的峰值强度干湿循环3次后缓慢提高，而围压150 kPa的峰值强度干湿循环5次后才有所提高。4%和5%水泥剂量试件的峰值强度受围压影响较小且随着干湿循环次数的增加，相同围压下峰值强度变化规律大致相似。围压为100 kPa时，干湿循环0次到3次，4%、5%水泥剂量试件的峰值强度分别下降13.24%、20.46%，而干湿循环3～7次时，4%、5%水泥剂量试件的峰值强度分别上升4.41%、2.26%。通过对水泥改良红砂岩土不同条件下峰值强度的对比，3%的水泥剂量受围压、干湿循环次数影响，峰值强度变化不够稳定，改良效果不如4%和5%的水泥剂量，但5%的水泥剂量在多次干湿循环后对峰值强度的提升不如4%的水泥剂量，因此并非水泥剂量越高抵抗干湿循环的软化作用效果越好。

2.4 干湿循环作用对弹性模量的影响

选取试件应力-应变曲线中应变为1%处至峰值强度点处的近似直线段进行拟合，其直线斜率即为弹性模量。弹性模量是评价土体抵抗瞬时沉降的主要指标。未改良试件和改良试件在不同干湿循环次数和不同围压作用下的弹性模量值如图10所示。弹性模量的变化规律和峰值强度大致相似。未改良的红砂岩土试件在相同围压作用下，弹性模量随着干湿循环次数的增加出现下降的趋势，其中在进行第一次干湿循环后下降趋势较为明显，随后下降幅度趋于稳定。经过水泥改良试件的弹性模在干湿循环0～3次时处于下降的趋势，3%、4%和5%水泥剂量的弹性模量分别平均下降了36.24%、40.22%和48.81%；干湿循环3次后弹性模量缓慢提高，分别平均提高了11.54%、12.59%和12.21%。

图10 不同条件下红砂岩土的弹性模量

土体在干湿循环过程中，水的迁移与流动破坏了原有的土体骨架结构，土颗粒间的孔隙增大，同时红砂岩的遇水易崩解特性加快了土颗粒间孔隙的形成，土体结构遭到破坏，弹性模量迅速下降；随着干湿循环次数的增加，细微土颗粒增多，反而对原有骨架空隙进行了一定的填充，所以干湿循环5次之后弹性模量下降幅度变缓，但弹性模量仍然处于下降的趋势。当试件掺入不同剂量的水泥，水泥的水化产物使红砂岩土颗粒胶结紧密，提高了整体抵抗变形的能力。经过水泥改良的试件出现弹性模量和峰值强度先降低后提高的主要原因是水泥改良的试件干湿循环1次和3次时，水泥中的部分硅酸盐矿物未能完全水化，同时水对红砂岩土体的软化崩解作用使强度降低，到了5次干湿循环之后水泥中的硅酸盐矿物基本完全水化，水化产物将土颗粒胶结成一个整体，并对土体骨架间的空隙形成填充，有效地改善了红砂岩土试件干湿循环后强度降低现象，并随着时间的推移，弹性模量和峰值强度缓慢提高。

2.5 弹性模量与峰值强度的多元非线性拟合

通过上述分析得，试验围压、干湿循环次数与水泥剂量的变化会引起弹性模量和峰值强度的变化，且弹性模量与峰值强度变化规律相似。将围压、干湿循环次数与水泥剂量作为自变量，弹性模量与峰值强度为因变量，进行多元非线性拟合，采用ISTOPT软件进行计算，可以得到关系式如下：

Eσf=(p3+n)ep1σ3+p2m

(1)

式(1)中：E为弹性模量；σf为峰值强度；σ3为围压；n为干湿循环次数；m为水泥的剂量；p1、p2、p3为参数。

通过LM(levenberg-marquardt)算法和全局优化算法进行多次迭代运算，对式(1)中的系数值进行计算，得到弹性模量关于围压、干湿循环次数及水泥剂量的关系式，见式(2)。相关系数R=0.915 8，图11(a)为围压100 kPa下，弹性模量与干湿循环次数和水泥剂量的关系曲面拟合效果较理想。

图11 拟合效果图

E=(14.153+n)e-0.018σ3+0.45m

(2)

使用同样方法对式(1)进行计算，得到峰值强度关于围压、干湿循环次数及水泥剂量的关系式，见式(3)。相关系数R=0.815 9，图11(b)为围压100 kPa下，峰值强度与干湿循环次数和水泥剂量的关系曲面，拟合效果较好。

σf=(17.092+n)e0.012σ3+0.298m

(3)

目前在公路路基设计与施工中，并没有对受到干湿循环作用影响下水泥改良红砂岩路基土的弹性模量和峰值强度结合围压与改良剂量进行预测分析。围绕干湿循环作用对未改良与水泥改良红砂岩土的弹性阶段强度与抵抗剪切变形的能力进行分析并建立多元非线性公式[式(2)、式(3)]。在工程的设计与施工中，可以通过式(2)、式(3)预估红砂岩土在不同干湿循环次数、围压以及不同水泥剂量条件下的峰值强度与弹性模量。进一步完善了关于红砂岩土作为路基填料的路用性能研究。