干湿循环作用下长沙高速粉质黏土软化特性试验研究

朱宝柱， 刘 盼， 李 文， 郭 昕

(长沙理工大学 交通运输工程学院， 湖南 长沙 410076)

干湿循环作用下长沙高速粉质黏土软化特性试验研究

朱宝柱， 刘 盼， 李 文， 郭 昕

(长沙理工大学 交通运输工程学院， 湖南 长沙 410076)

针对高速公路路基土体在干湿循环作用下易发生软化的特点，以长沙绕城高速公路为依托，结合室内试验和数值分析等手段对其进行研究。通过原状土快剪试验及压缩试验分析了干湿循环次数对粉质黏土软化特性的影响，然后采用最小二乘法得到了长沙高速公路粉质黏土在干湿循环作用下的软化公式，并基于此分析了粉质黏土软化规律。研究结果表明： ①粉质黏土的粘聚力、内摩擦角、压缩模量均随干湿循环次数增大而减小，三者均在前2次干湿循环过程中衰减最为严重；②干湿循环次数对各参数的软化影响强弱次序：粘聚力c>内摩擦角φ>压缩模量E(50 kPa)>压缩模量E(100 kPa)>压缩模量E(200 kPa)>压缩模量E(300 kPa)。

粉质黏土； 干湿循环； 粘聚力； 内摩擦角； 压缩模量

0 前言

黏土在湖南地区分布广泛，其作为一种填筑材料被广泛应用于路基填筑中，而高速公路路基土体在干湿循环作用下会逐渐软化，因此容易导致路基失稳亦或是沉降难以满足规范要求，极易导致交通事故[1-5]。鉴于此，国内外学者针对土体在干湿循环作用下的软化特性进行了深入研究。如张芳枝[2]等选取重塑黏土作为研究对象，进一步探究了干湿循环条件下重塑黏土的强度特性；杨和平[6]等通过采用直剪试验对历经多次干湿循环作用后的宁明膨胀土进行了抗剪强度测试，探讨了干湿循环作用对膨胀土抗剪强度的影响；慕现杰等[7]基于无侧限抗压强度试验和直剪试验得到了南徐大道膨胀土强度随干湿循环的变化规律；王建华[8]基于干湿循环条件下水泥改良黏土的抗剪强度试验，探讨水泥改良黏土力学性能变化规律；方庆军等[9]通过对比干湿循环作用下高液限粉土和高液限黏土的高度、质量和压缩系数等试验结果，得到了二者压缩特性的变化规律；李正明等[10]对以高路堤软黏土作为研究对象，得到了干湿循环作用下软黏土的强度软化规律；勾丽杰等[11]通过土体在干湿循环条件下的快剪试验，得到了干湿循环作用下不同路基粘土的抗剪强度的变化规律。

上述研究仅讨论了干湿循环作用下土体强度软化规律，并未提出干湿循环作用下土体强度参数软化公式及对各参数的影响强弱。基于此，本次研究选取长沙高速公路典型路基填土-粉质黏土(粉质黏土水敏感性具有不确定性，在长期反复浸水条件下的干湿循环条件下强度可能有较大的变化)填料作为研究对象，通过模拟不同干湿循环次数下的压缩和直剪试验，开展了粉质黏土在干湿循环作用下的软化特性研究。

1 试验研究

1.1 土样基本特性

试验土样取自长沙高速公路某典型粉质黏土路基断面，路基填土高度为9.4 m。通过击实试验测定2种土的最佳含水率和干密度，用联合法测定2种土的液塑限。粉质黏土基本土样指标见表1。

表1 粉质黏土基本土性指标塑限/%液限/%塑性指数最佳含水率/%干密度/(g·cm-3)23.537.313.816.691.68

1.2 试验方案

1) 环刀试件制备：按照表1所示的最佳含水率将所取土样配制成试验土样，为使得水分分布均匀，需对土样进行闷料处理，最后严格控制土体压实度(各试样压实度均为96%)并将土体置入环刀内。

2) 干湿循环过程模拟：首先对环刀试件进行增湿处理(增湿至28%)，增湿处理完毕后还需对试样进行密封处理，这个过程持续24 h；然后对环刀试件进行烘干处理即为减湿过程(将试件含水率减湿至20%)，同样需进行密封处理，持续24 h，以上即为一次干湿循环作用。

3) 剪切试验：根据工程实际对试样施加100，200，300，400 kPa 4级荷载，同时将剪切速度控制在0.8 mm/min。

4) 压缩试验：采用杠杆式固结仪进行常规压缩试验，根据工程实际对试样依次施加50，100，200，300 kPa的垂直压力。

2 试验结果与分析

2.1 粉质黏土剪切试验

根据快剪试验测定的应力 — 应变曲线，得到不同荷载下粉质黏土的抗剪强度如表2所示。

表2 粉质黏土直剪试验结果循环次数不同荷载/kPa时的直剪结果/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

又根据库仑定理公式:

τ=c+σtanφ

(1)

其中：c为粘聚力；φ为内摩擦角；σ为垂直压力。

对表2数据进行处理，得到如表3所示的粉质黏土抗剪强度参数，并分别绘制粉质黏土粘聚力以及内摩擦角与干湿循环次数的关系曲线(见图1)。

表3 粉质黏土强度参数表循环次数直线拟合第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

图1 粉质黏土粘聚力和内摩擦角随着干湿循环次数的变化曲线

由上述图表可直观看出：粉质黏土的粘聚力和内摩擦角均随干湿循环作用次数的增大而减小。内摩擦角、粘聚力均在在第1、2、3次干湿循环作用下衰减较快，而后趋于一稳定值。其中内摩擦角在历经3次干湿循环作用后稳定在14.1°，而粘聚力则稳定在18.2 kPa。为了更精确地研究分析干湿循环次数与粉质黏土强度参数的衰减关系，对粘聚力和内摩擦角每次干湿循环条件下的衰减量和衰减比重进行分析，分析结果如表4所示，同时根据表4分别绘制干湿循环次数与黏土强度参数即粘聚力和内摩擦角的关系曲线(见图2)。

表4 粉质黏土强度参数分析表循环次数强度参数衰减量衰减比重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的软化系数分别为0.443、0.622。

图2 粉质黏土粘聚力和内摩擦角衰减幅度变化曲线

由表4和图2可知，粉质黏土在经历1、2、3次干湿循环作用后，其粘聚力的衰减幅度较大，衰减比重分别为17.72%、30.23%、5.57%，第4次干湿循环以后，其衰减幅度基本趋近于0.8；对于内摩擦角而言，在经历1、2、3次干湿循环作用后，粉质黏土内摩擦角的衰减幅度较大，衰减比重分别为16.54%、15.90%、3.41%，第4次干湿循环以后，其衰减幅度基本趋近于0.8。在经历10次干湿循环作用后，粉质黏土的粘聚力和内摩擦角的软化系数分别为0.443、0.622。

对室内直剪试验得到的粉质黏土强度参数数据进行反S型拟合，得到了长沙高速粉质黏土粘聚力和内摩擦角在干湿循环作用下的衰减软化公式，其具体过程如下：假定干湿循环条件下，粘聚力c和内摩擦角φ随着循环次数n的变化其变化是连续的[12]，则依据表4中的数据绘出粉质黏土强度参数累计衰减比重倒数的自然对数与干湿循环次数的图形如图3、图4所示，以此为基础对其进行拟合，拟合结果如式(2)、式(3)所示：

图3 粉质黏土粘聚力拟合曲线

图4 粉质黏土内摩擦角拟合曲线

c0=41.65 kPa

(2)

φ0=22.86°

(3)

式中：cn为n次干湿循环后土体粘聚力；c0为初始粘聚力；φn为n次循环后土体内摩擦角；φ0为初始内摩擦角；R为相关系数。

2.2 粉质黏土压缩试验

不同干湿循环作用次数下粉质黏土压缩模量的试验结果如表5和图5所示。

对表5和图5进行分析可得： 在同一干湿循环次数下压缩模量随着垂直荷载的增大而变大，同一垂直荷载下随着干湿循环次数的增大压缩模量逐渐减小。在同一垂直荷载下，压缩模量在前3次干湿循环作用下衰减作用明显，压缩模量曲线下降较快，后4次干湿作用下压缩模量也有轻微衰减，干湿循环作用不明显，压缩模量曲线变得平缓，压缩模量基本维持在一个稳定值，可基本认为粉质黏土的压缩模量在经历了10次干湿循环作用后基本趋于一个新的稳定状态。粉质黏土在0.05，0.1，0.2，0.3MPa4个不同压力下压缩模量分别由4.736，6.825，12.248，16.422MPa衰减到2.835，4.369，8.538，11.679MPa。

表5 不同干湿循环次数下粉质黏土的压缩模量干湿循环次数不同垂直荷载下压缩模量/(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

图5 粉质黏土压缩模量与干湿循环次数关系曲线

不同干湿循环作用次数下粉质黏土孔隙比的试验结果如表6和图6所示。

对表6和图6进行分析可得： 粉质黏土孔隙比随着垂直荷载的增大而变小，这是由于压力越大，土体被压得越密实，因而孔隙比逐渐变小。在垂直荷载相同情况下，随着干湿循环次数的增大孔隙比逐渐增大。在4个不同垂直荷载下，孔隙比随干湿循环次数的的增大幅度不尽相同，垂直荷载越大孔隙比的增幅越小。总体上，粉质黏土的孔隙比在干湿循环作用下变化幅度均较小，其主要原因为粉质黏土的颗粒主要为小颗粒，且小颗粒土体较难压缩。

表6 不同干湿循环次数下粉质黏土的孔隙比干湿循环次数不同垂直荷载下孔隙比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

图6 粉质黏土孔隙比与干湿循环次数关系曲线

通过对室内压缩试验得到的粉质黏土压缩模量数据进行反S型拟合，得到了长沙高速粉质黏土压缩模量在干湿循环作用下的衰减软化公式，其具体过程如下：假定干湿循环条件下压缩模量随循环次数n的变化其变化是连续的，根据表6得到荷载为50 kPa时压缩模量累计衰减比重倒数的自然对数与干湿循环次数的曲线关系(见图7)并对其拟合。拟合表达式见式(4)：

图7 50 kPa荷载下粉质黏土压缩模量拟合曲线

E0=47.36 MPa

(4)

式中：En为n次干湿循环后土体压缩模量；E0为初始压缩模量；R为相关系数。

同理可分别对100，200、300 kPa荷载下粉质黏土的压缩模量随干湿循环次数的变化曲线进行拟合，拟合结果详见图8，式(5)～式(7)。

图8 100、200、300 kPa荷载下粉质黏土压缩模量拟合曲线

E0=68.65 MPa

(5)

E0=122.48 MPa

(6)

E0=164.22 MPa

(7)

2.3 干湿循环下粉质黏土强度软化规律

由上节知，基于干湿循环条件下粉质黏土的剪切试验和压缩试验得到了长沙高速粉质黏土强度参数随干湿循环作用次数的变化规律，采用最小二乘法对其进行拟合，以函数的形式直观地表现出来。本文旨在研究干湿循环作用下长沙高速粉质黏土的软化特性，因此如何评价干湿循环作用次数对土体强度各参数的软化效果显得尤为重要。鉴于此，对上节所得到的拟合式(2)～式(7)进行变形得到式(8)～式(13)：

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

根据式(8)～式(13)绘制得到如图9所示的干湿循环次数与变形后的函数f(n)的关系曲线。

图9 f(n)与干湿循环次数的关系

由图9可知干湿循环条件下粉质黏土各强度参数下降曲线基本一致，干湿循环次数对各参数的软化影响具体表现如下： 粘聚力c>内摩擦角φ>压缩模量E(50 kPa荷载作用下)>压缩模量E(100 kPa荷载作用下)>压缩模量E(200 kPa荷载作用下)>压缩模量E(300 kPa荷载作用下)。

3 结论

1) 粉质黏土的粘聚力和内摩擦角随干湿循环次数增大而减小，二者均在前2次干湿循环过程中衰减幅度最大，经过4次干湿循环后衰减幅度放缓，后几次干湿循环土体的粘聚力和内摩擦角波动较小。

2) 干湿循环作用下不同垂直荷载粉质黏土压缩模量的变化规律基本一致，都是在前1次、2次、3次干湿循环作用下，压缩模量有着较大的衰减幅度，经过前4次的干湿循环作用，土体逐渐变得稳定，压缩模量趋于一个稳定值。而粉质黏土的孔隙比在干湿循环作用下变化幅度均较小。

3) 对所得试验数据进行拟合，得到了长沙高速粉质黏土强度各参数在干湿循环作用下的衰减软化公式及干湿循环次数对各参数的软化影响强弱次序： 粘聚力c>内摩擦角φ>压缩模量E(50 kPa荷载作用下)>压缩模量E(100 kPa荷载作用下)>压缩模量E(200 kPa荷载作用下)>压缩模量E(300 kPa荷载作用下)。

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2016-05-17

交通运输部建设科技项目(2011318824350)

朱宝柱(1991-)，男,硕士研究生，主要从事路基路面工程及边坡工程等方面研究。

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

U 412.22

A