干湿循环对橡胶颗粒稳定轻质土的单轴抗压特性研究①

冀 皓, 李明东,*, 邹白涛, 李鲁鑫, 杨 庚

(1.东华理工大学土木与建筑工程学院,江西 南昌 330013;2.宁夏送变电工程有限公司,宁夏 银川 750003)

0 引 言

公路结构破坏的因素除荷载作用之外,还包含环境影响以及环境与荷载的共同作用。路基填料在受到环境因素影响时,易发生路面塌陷、滑坡等水损害问题,导致公路使用寿命缩短,降低其社会服务水平。为此,众多专家学者通过大量试验,对素土[1-2]、水泥改良土[3]及轻质土[4-5]等多种路基填料的性能进行了系统的分析,得出了宝贵的结论。

轻质土作为一种新型土工材料,具有轻质高强的特点,在路基工程领域具有广泛的应用背景,国内外学者对其各项性质进行了大量的研究工作。彭远胜等[6]通过试验研究发现,铝土尾矿泡沫轻质土的无侧限抗压强度随着铝土尾矿泥掺量的增加呈指数型减小,在单轴受压破坏之后存在应变软化和应变硬化行为,具备良好的缓冲性能。苟乐宇等[7]利用天然生长的真菌对轻质土进行改良,发现其表现出较好的韧性,峰值强度与残余强度的比值稳定。WEI H等[8]研究表明,添加粉煤灰和橡胶粉增强了轻质土的骨架,提高了土的黏聚力。橡胶颗粒稳定轻质土是由橡胶颗粒、水泥和工程弃土制成的轻质土,它既能提高废弃轮胎的资源化循环利用,又能充分发挥橡胶颗粒的稳定性,特别可以适用于路基填土中。为将橡胶颗粒稳定轻质土应用于实际工程领域中,试验研究了其在干湿循环作用下的应力-应变曲线性态和单轴抗压强度衰减规律,揭示了橡胶颗粒稳定轻质土在干湿循环作用下的劣化机理,为进一步研究其在路基填筑领域的应用提供了依据。

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

试验用土为南昌市红黏土。取土后,按照《土工试验方法标准》[9](GB/T 50123-2019)测定红黏土的基本物理指标,结果如表1所示。颗粒分布曲线如图1所示,不均匀系数cu为5.01189>5,曲率系数cc为0.794,塑性指数为18.16,为级配不连续不均匀的低液限黏土。

试验所用的橡胶颗粒粒径小于2mm,呈颗粒状,轮胎颗粒的堆积密度采用比重瓶法测定,比重为1.34。

图1 红黏土和橡胶颗粒的颗粒分析曲线

1.2 干湿循环试验方法

试样制备后放入恒温养护箱,养护至规定龄期(28d),养护完成后,以24h为一个循环周期,将养护好的试样放进烘箱内,在60℃下烘烤12h,冷却至室温,再将试样放入20±5℃水中吸水,时长为12h,每隔两小时记录一次质量,待质量与初次养护完成时质量相同视作一次循环完成,如图2所示。分别在循环次数N=0,1,3,5,10时,测定试样无侧限抗压强度,并选取经历十次循环的试样测取干湿循环下的试样质量,查看质量变化规律,分析随干湿循环次数的增加,试样力学性能的变化。当试样平均损失率大于5%时或达到10次循环即停止干湿循环试验[10]。

2 结果与分析

2.1 干湿循环次数对应力-应变关系曲线的影响

橡胶颗粒稳定轻质土在单轴压缩试验中表现出的应力-应变关系是其最基本的力学性质之一,是研究其强度、变形、裂缝开展的依据。图2是橡胶颗粒稳定轻质土在不同干湿循环次数(N=0,1,3,5,10)下的应力-应变曲线。

干湿循环会降低橡胶颗粒稳定轻质土的刚度,如图2(a)所示,随着循环次数的增加,应力-应变曲线斜率和强度峰值相应减小。在同一应力条件下,随着循环次数的增加,其应变也在增大。说明干湿循环过程中,橡胶颗粒稳定轻质土的土体结构产生变化,土颗粒与橡胶颗粒之间孔隙增大,土体结构松散,导致破坏时应变增大。

图3为不同橡胶颗粒掺量下弹性模量变化的拟合曲线。橡胶颗粒含量小于20%时,随着循环次数的增多,橡胶颗粒稳定轻质土的弹性模量及无侧限抗压强度在逐渐降低;橡胶颗粒含量大于30%时,随循环次数的增大,轻质土的弹性模量变化不明显。这是由于在橡胶颗粒含量较少时,试样中黏性土的含量较大,经过多次的干湿循环,试样内部裂隙得到发展,强度明显变低,更易发生破坏;橡胶颗粒含量较多时,试样中橡胶颗粒与土颗粒之间的联接较为复杂,经过多次干湿循环后,土样的应力-应变关系变化趋于稳定。

图3 不同橡胶颗粒掺量下弹性模量变化的拟合曲线

橡胶颗粒稳定轻质土的无侧限压缩变形可分为三个阶段:(1)压密阶段。该阶段应变增长较快,但应力增长较为缓慢,土体内部孔隙被压缩,随循环次数的增多,该阶段更为明显;(2)弹性变形阶段。在此阶段,随着应变的增加,应力近似呈直线增涨,且在直线末端接近应力峰值,这一阶段的应力-应变关系符合线弹性特征;(3)应变软化阶段。该阶段应变增长较快,应力在达到峰值之后逐渐下降,此时试样已经达到破坏状态。

2.2 干湿循环次数对无侧限抗压强度的影响规律

图4为干湿循环下橡胶颗粒稳定轻质土抗压强度的变化曲线。由图可知,无侧限抗压强度在干湿循环作用下衰减,强度降低主要发生在前三次循环,橡胶颗粒含量较小时降低更为明显。无侧限抗压强度随干湿循环次数的增加,总体呈现先减小后趋于平缓的规律,这是由于养护完成后的试样内部存在一定的孔隙,在干湿循环过程中橡胶颗粒稳定轻质土不断吸水-失水,试样内部呈现不均匀特性,内部孔隙联通,试样会产生由外到内的收缩,导致产生细微裂缝,降低橡胶颗粒稳定轻质土的抗压强度。在达到一定的循环次数后,土体内较为脆弱的结构已完全破坏,此时试样强度主要由内部的稳定结构提供。经过十次干湿循环,橡胶颗粒稳定轻质土的无侧限抗压强度损失率为:51.33%,37.93%,46.42%,34.01%,36.17%,26.62%,由此可知,干湿循环对橡胶颗粒稳定轻质土的抗压特性影响较大。

图4 干湿循环下橡胶颗粒稳定轻质土无侧限抗压强度的变化情况

3 强度预测模型

众多学者[11-12]在轻质土的强度预测方面进行了研究,并得出各种强度预测公式,不过其原理大致相似。试验中橡胶颗粒稳定轻质土强度主要是受干湿循环作用下土体孔隙变化、橡胶颗粒掺量影响,基于试验研究结果,建立强度预测模型。

由图4可知,干湿循环作用下橡胶颗粒稳定轻质土无侧限抗压强度符合指数递减形式,可用指数函数进行拟合,拟合参数如表2所示,R2均大于0.85,拟合效果较好。由此可得出干湿循环无侧限抗压强度RCG与干湿循环次数N之间的关系如式(1)。

(1)

式(1)中:A1,B1,C1均为每个橡胶颗粒含量下的拟合值,且A1+C1=RCG0,如表4.1所示;RCG0为0次干湿循环时的无侧限抗压强度值。

表2 干湿循环下橡胶颗粒稳定轻质土抗压强度的拟合结果

橡胶颗粒掺量为0%时强度预测模型拟合数据与实际试验数据对比分析结果如表3所示。分析各掺量下预测误差可以发现,橡胶颗粒掺量小于40%时,误差整体小于5%;橡胶颗粒掺量为50%时,拟合值较大导致模型预测存在偏差。

表3 橡胶颗粒0%掺量下无侧限抗压强预测模型误差分析度

4 结 论

试验通过对经历干湿作用后的试样进行无侧限抗压强度试验,分析了干湿循环对试样无侧限单轴抗压变形特性和强度特性的影响,探明了各指标与干湿循环、橡胶颗粒含量之间的关系,主要结论如下:

(1)橡胶颗粒稳定轻质土的应力-应变曲线为软化型,可以被概括为压密、弹性变形、应变软化3个特征阶段。

(2)橡胶颗粒稳定轻质土中,橡胶颗粒与土颗粒之间联接不够紧密,干湿循环会导致颗粒间孔隙增大、土体结构松散,降低橡胶颗粒稳定轻质土的刚度,随着循环次数的增加,应力-应变曲线斜率和强度峰值相应减小,试样的无侧限抗压强度损失率最大可达51.33%。

(3)橡胶颗粒含量小于20%时,随着干湿循环次数的增多,橡胶颗粒稳定轻质土的弹性模量呈线性减小;橡胶颗粒含量大于30%时,土样的弹性模量受循环次数影响的变化较小。添加橡胶颗粒对轻质土的水稳系数有一定的提升作用,但随着橡胶颗粒掺量的增加,会导致试样内部气体含量增加,强度损失率曲线呈线性增涨。

(4)基于试验数据建立了橡胶颗粒稳定轻质土的干湿循环强度预测模型,及其橡胶颗粒掺量强度预测模型,可以对不同掺量橡胶颗粒稳定轻质土在干湿循环作用下的无侧限抗压强度进行准确预测。