干湿循环条件下红粘土的胀缩变形特性研究

赵雄飞，陈开圣

(贵州大学土木工程学院，贵州贵阳　550025)

干湿循环条件下红粘土的胀缩变形特性研究

赵雄飞，陈开圣*

(贵州大学土木工程学院，贵州贵阳550025)

由于红粘土具有高含水率、高塑性、高孔隙比等特殊的工程性质，特别是路基表面失水收缩产生了开裂，使得路基产生了一些病害。论文以六盘水内环快线红黏土基填料为研究对象，对红粘土进行干湿循环，测量干湿循环过程中红粘土的胀缩变形和裂缝特性，揭示了干湿循环条件下红粘土胀缩变形和裂缝的演变规律。

干湿循环；红粘土；胀缩变形；裂缝特性

由于红粘土具有高含水率、高塑性、高孔隙比等特殊的工程性质，随着公路运营时间的延续，路基路面产生了病害。如遵线、贵毕线等还出现了大量的车辙，在调查中还发现大量的路面开裂，裂块大小不等，裂缝形态不规则，最严重的裂缝是沉陷产生的纵向裂缝，长度达上百米，路面产生大面积沉陷，这主要是由于路基沉陷造成的。又如在省外红粘土地区已建成的公路来看，不少地区都遇到了不同程度的红粘土问题。如107国道湖南末阳段，普遍出现半刚性基层、面层及水泥路面的开裂、断板和唧泥等早期病害。京珠高速公路湖南末阳至宜章段修建时，在宜章附近曾大量采用红粘土填筑路堤，造成路堤表面严重的龟裂和网裂，裂块大小不等，最宽可达5-6cm，深度可达26cm。造成路基路面开裂的根本原因在干湿循环作用红粘土失水产生收缩。因此研究干湿循环作用下红粘土胀缩变形对红粘土地区公路建设具有一定的实际意义。

1　红粘土的基本物理性质

本试验所采用的土样取自六盘水内环快线3标。土料特征为:棕红色，较湿，土质均匀，结构较致密，有少量虫孔及植物根茎孔洞存在，从颗粒组成上讲以粉质粘土为主。依据公路土工试验规程(JTG E40-2007)方法，土料基本物理指标见表1。

表1　红粘土基本物理指标

2　试验方案

(1)样品制备:采用重型击实试验制备压实度为90%，初始含水量分别为23%、33.5%、54%的试样，试样直径150mm，高度120mm。

(2)设置钢针:在试样的水平面上和竖直方向上设置钢针，每次干湿循环后测量钢针水平方向和竖直方向的间距，以此来反映水平方向和竖直方向的胀缩变形。

(3)干湿循环试验方法:干的过程:在105℃条件下，将样品放入烘箱烘干(含水率小于1%)，湿的过程:计算出需要的加水量，采用注射器将水加到初始含水率。干湿循环试验方法见图1。

图1　干湿循环试验方法

(4)闷料:将样品放入保湿缸中，焖料 24小时。

(5)计算分析:测量每次干循环+湿循环后样品的高度，计算绝对胀缩率和相对胀缩率，并测量裂缝的条数、最大宽度和最大长度。

(6)这样完成一次循环，以下依次类推完成5次循环。

3　试验指标

为定量分析干湿循环过程中膨胀土的胀缩变形变化规律，采用绝对胀缩率和相对胀缩率的概念来描述试样的胀缩程度。

(1)第i次循环试验的绝对胀缩率rai。

式中:zi为第i次循环试验试样高度(mm)；z0为试样初始高度或直径(mm)。rai<0表示收缩，rai> 0表示膨胀。该值绝对值越大，表明胀缩量越大。

(2)第i次循环试验的相对胀缩率ri。

式中:zi为第i次循环试验试样高度或直径(mm)；zi-1为第i-1次循环试验试样高度或直径(mm)。rri<0表示收缩，rri>0表示膨胀。该值绝对值越大，表明胀缩速度越大。

4　试验结果

从图2-图5可知，无论是竖直方向还是水平方向，绝对胀缩率和相对胀缩率均为负值，表明红粘土经过干湿循环后，试样的收缩量大于膨胀量，试样表现为收缩，且含水率越小，收缩量越大。试样收缩表现为3个阶段，第1阶段:曲线较陡，发生在第1次循环前，试样收缩速率增大；第2阶段:曲线平缓，发生在第1次循环～ 第3次循环之间，收缩速率略有下降；第3阶段:曲线较陡，发生在第3次循环～第5次循环之间，收缩速下降。

图2　K=90%竖直方向绝对胀缩率与循环次数之间的关系

图3　K=90%竖直方向相对胀缩率与循环次数之间的关系

图4　K=90%水平方向绝对胀缩率与循环次数之间的关系

图5　K=90%水平方向相对胀缩率与循环次数之间的关系

从图6～图8可知，水平方向的收缩量大于竖直方向的收缩量，且含水率越大，水平方向的收缩量与竖直方向的收缩量的差值越大。

图6　K=90%，w=23%收缩量与循环次数之间的关系

图7　K=90%，w=33.5%收缩量与循环次数之间的关系

图8　K=90%，w=54%收缩量与循环次数之间的关系

从图9～图11可知，随着循环次数的增加，裂缝条数、最大宽度和最大长度在第1次循环增加较快，然后增加缓慢，曲线比较平缓。试验观察到:第1次循环，土样出现了几条较大的裂缝，但没有明显的微裂缝，是由于第1次循环土体原有结构受到明显的破坏；第2次循环，大裂缝逐渐减少，并且出现少量的微裂缝；第3次循环，没有大裂缝，出现了大量的微裂缝。随着干湿循环次数的增加，大裂缝减少，微裂缝发育，且多为均匀分布。

图9　K=90%裂缝条数与循环次数之间的关系

图10　K=90%裂缝最大宽度与循环次数之间的关系

图11　K=90%裂缝最大长度与循环次数之间的关系

5　结论

(1)红粘土经过干湿循环后，试样的收缩量大于膨胀量，试样表现为收缩，且含水率越小，收缩量越大。试样收缩表现为3个阶段，第1阶段:曲线较陡，发生在第1次循环前，试样收缩速率增大；第2阶段:曲线平缓，发生在第1次循环～第3次循环之间，收缩速率略有下降；第3阶段:曲线较陡，发生在第3次循环～第5次循环之间，收缩速下降。

(2)红粘土经过干湿循环后，水平方向的收缩量大于竖直方向的收缩量，且含水率越大，水平方向的收缩量与竖直方向的收缩量的差值越大。

(3)随着循环次数的增加，裂缝条数、最大宽度和最大长度在第1次循环增加较快，然后增加缓慢，曲线比较平缓。第1次循环，土样出现了几条较大的裂缝，但没有明显的微裂缝，是由于第1次循环土体原有结构受到明显的破坏；第2次循环，大裂缝逐渐减少，并且出现少量的微裂缝；第3次循环，没有大裂缝，出现了大量的微裂缝。随着干湿循环次数的增加，大裂缝减少，微裂缝发育，且多为均匀分布。

[1]I公路土工试验规程(JTG E40-2007).

[2]I吴胜军.红粘土路基水分运移规律试验研究[D].长沙理工大学硕士学位论文，2010.4.

[3]I陶文平.南方红粘土公路路基设计与修筑技术研究[D].长沙理工大学硕士学位论文，2010.4.

[4]I慕现杰，张小平.干湿循环条件下膨胀土力学性能试验研究[J].岩土力学，2008，(28)增刊:580-582.

[5]I杨和平，张锐，郑健龙.有荷条件下膨胀土的干湿循环胀缩变形及强度变化规律[J].岩土工程学报，2006，28(11):1936 -1941.

(责任编辑:王先桃)

Study on the Swell&Shrinking Deformation Characteristics of Red Clay under the Condition of Dry-wet Circulation

ZHAO Xiongfe CHEN Kaisheng*
(College of Civil Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China)

As red clay has special engineering properties such as high humidity，high plasticity；high void ratio，etc.，the water loss to the surface of roadbed may cause some damages to the roadbed.The red clay roadbed filler of Liupanshui City’s Inner Ring Expressway was taken as the research object，dry-wet circulation was carried out to investigate the swell-shrinking deformation and cracking characteristics of red clay during the circulation process.The evolution rules of the swell-shrinking deformation and cracking were revealed.

dry-wet circulation；red clay；swell-shrinking deformation；crack characteristics

U412.221

1000-5269(2016)01-0132-04DOI:10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.01.30

2016-02-20

国家自然科学基金项目(51368010)，贵州科技厅-贵州大学联合资金项目(黔科合LH字[2014]7663)

赵雄飞(1989-)，在读硕士，研究方向:市政工程，Email:1029102897＠qq.com.

陈开圣，Email:chen_kaisheng＠163.com.