冻融循环对风化砂改良膨胀土回弹模量影响研究

杨 俊, 李元丰, 刘世宜

(1.三峡大学 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心,湖北 宜昌 443002; 2.三峡大学 土木与建筑学院,湖北 宜昌 443002)

冻融循环对风化砂改良膨胀土回弹模量影响研究

杨 俊1,2, 李元丰1,2, 刘世宜1,2

(1.三峡大学 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心,湖北 宜昌 443002; 2.三峡大学 土木与建筑学院,湖北 宜昌 443002)

文章研究了风化砂改良膨胀土的回弹模量值与风化砂掺量、冻融循环次数之间的定性和定量关系。在膨胀土中分别掺入0、10%、20%、30%、40%、50%的风化砂,在经过0、1、3、6、9、12次冻融循环后,在杠杆压力仪上进行回弹模量值测试。试验结果表明:在同一掺砂比例下,风化砂改良膨胀土的回弹模量均随冻融循环次数的增大而减小,且其回弹模量随冻融循环次数增加呈对数形式衰减,到12次冻融循环后,趋向于稳定;在同一冻融循环次数下,风化砂改良膨胀土的回弹模量随掺砂比例的增大先增大后减小,总体呈现下降趋势,当掺砂比例为10%时,其回弹模量最大。

膨胀土;冻融循环;风化砂;回弹模量

0 引 言

膨胀土是一种遇水膨胀软化、失水收缩开裂的特殊黏性土。它具有超固结性、多裂隙性、强亲水性等特点,膨胀土的这些特性,导致其工程性质极差,不能直接用作路基的填料。当在膨胀土分布广泛且土源紧张的地区修筑路基时,必须对膨胀土进行改良处理,达到相应的技术指标后,方可用作路基填料[1-5]。采用石灰、水泥、粉煤灰等外加剂进行化学改良,从而抑制膨胀土的胀缩变形,是当前工程上广泛使用的方法。由于在湖北省宜昌市三峡库区广泛分布着风化砂,其棱角分明并有一定的粒径和硬度,本文提出一种利用风化砂来进行膨胀土改良的措施,依靠风化砂颗粒之间的摩阻力来吸收膨胀土胀缩变形产生的应力,从而使膨胀土的胀缩变形得到控制。一系列的室内试验表明,掺风化砂能较好地遏制膨胀土的胀缩变形。

回弹模量反映了土基弹性变形阶段内,在垂直荷载作用下抵抗竖向变形的能力,是路基设计需要考虑的主要强度指标,在公路项目的设计、施工、验收中,路基回弹模量都是一个极其重要的指标。在季节性的冻土地区,路基土体受到冻融循环的反复作用后,不仅土颗粒之间的联结力被破坏,使土颗粒重新排列,土体的含水率也发生变化,使土体在冻融循环过程中产生沉降变形,导致路基破坏。由于冻融作用使土体的强度降低,其回弹模量必定会受冻融循环作用的影响[6-13]。本文在膨胀土中掺入不同质量比的风化砂,按照试验规程制作标准试样;然后再对这些试样进行不同次数的冻融循环;最后进行室内回弹模量试验,并对试验数据进行深入分析,得到了风化砂改良膨胀土在冻融循环反复作用下回弹模量的变化规律,建立了不同掺砂比例下冻融循环次数与改良膨胀土回弹模量之间的数学模型,为三峡库区风化砂改良膨胀土在实际工程中的应用提供了理论依据和参考。

1 试验所用材料及试验方案

1.1 膨胀土

土样取自湖北省宜昌市某一级公路施工现场,为灰白色膨胀土。按照文献[14],采用筛分法和密度计法相结合测定试样不同粒径组的质量分数,利用光电式液塑限联合测定仪测定试样的界限含水率,并进行相对密度及自由膨胀率等试验。试验结果如下:试验所用膨胀土主要由35.11%的砂粒组、52.88%的粉粒组及12.01%的黏粒组构成,液限wL、塑限wP和塑性指数IP分别为46.1%、18.9%、27.2%,天然含水率为29.43%,天然密度为1.89 g/cm3,重力密度为18.52 kN/m3,相对密度为2.66,活性指数为1.43,自由膨胀率为53%。

根据文献[15]可以判别,该土样液限接近50%,自由膨胀率为53%,塑性指数大于25,具有显著的吸水膨胀和失水收缩2种变形特性,基本可定性为高液限弱膨胀土,必须经过处理才能用作路基填料。

1.2 风化砂

对改良所用风化砂进行颗粒分析及相对密度试验,并在取料时对其天然含水率及天然密度进行测定。试验结果如下:试验所用风化砂主要由0.65%的粗粒组、72.70%的中粒组及26.65%的细粒组构成,不均匀系数为51.61,曲率系数为13.16,天然含水率为11.54%,天然密度和重力密度分别为1.65 g/cm3和16.17 kN/m3,相对密度为2.16,活性指数为0.31。由此可见,试验用风化砂颗粒尺寸比较单一,级配不良。

1.3 风化砂改良膨胀土对膨胀指标的影响

将风化砂按质量比分别为10%、20%、30%、40%、50%掺入膨胀土中,分别进行自由膨胀率δef、有荷膨胀率δep、无荷膨胀率δe、膨胀力Pe试验,试验结果见表1所列。

从表1可以看出,掺入风化砂能有效地遏制膨胀土的膨胀指标,改善膨胀土的膨胀特性。

1.4 试验方案

试验采用可控温型冷冻箱进行冻融;采用金属圆形试筒制作试件,其内径为152 mm，高为170 mm;筒内垫块直径为151 mm，高为50 mm;杠杆压力仪的最大压力为1 500 N;承压板直径为50 mm,高度为80 mm;电液伺服万能试验机的最大压力为2 000 kN。

在膨胀土中,分别掺入质量比为0、10%、20%、30%、40%、50%的风化砂,质量比为风化砂干质量占试样总干质量的百分比。采用重型击实方法得出不同掺砂比例下各试样的最佳含水率及最大干密度。取具有代表性的风干土样若干,掺入各自设计比例的风化砂后,配至最佳含水率,并焖料24 h。

重型击实试验结果见表2所列。

表2 风化砂改良膨胀土的重型击实试验结果

根据最大干密度、最佳含水率及试筒的体积计算出试件所需土样的质量,以上述圆形试筒为试样成型模具,采用万能液压试验机静压成型的方式制作试件,试件高度120 mm,直径152 mm。将带试筒的试样用塑料薄膜密封,以防止其水分散失。

考虑到当地的最低温度,将冻融循环的负温度设为-15 ℃,冷冻时间为24 h,将其取出放置在室温条件下24 h,此为1次冻融循环,整个过程需耗费时间48 h。本次试验方案分别按0、1、3、6、9、12次进行冻融循环,每组制作3个平行试件。

将完成冻融循环后的试件取出,采用承载板法,利用杠杆压力仪进行试验。安装好试样后,需要对试件预先进行施加压力,再逐级加载,测出各试件土体在不同单位压力下的回弹变形。杠杆压力仪如图1所示。

图1 杠杆压力仪

土体回弹模量的计算公式为:

其中,E为各试件土体的回弹模量值;p为施加在承载板上的单位压力;D为回弹模量测试仪所用承载板直径;L为试件土体在单位压力下的回弹变形;μ为泊松比,取0.35。

2 试验结果及分析

不同掺砂比例、不同冻融循环次数下风化砂改良膨胀土的回弹模量见表3所列。

表3 冻融循环对改良膨胀土回弹模量的影响 MPa

2.1 不同掺砂比例的影响

回弹模量与掺砂比例的关系曲线如图2所示。

图2 不同冻融循环次数下掺砂比例对回弹模量的影响

图2表明,在各次冻融循环作用下,改良膨胀土的回弹模量随掺砂比例的增加先增大后减小,当掺砂比例达到10%时,回弹模量达到最大值。在掺砂10%状态下,冻融循环次数分别为0、1、3、6、9、12次时,试样回弹模量相对于未掺砂改良增大的幅度分别为26.6%、31.2%、37.5%、38.8%、39.0%、40.0%;而当掺砂比例为50%,冻融循环次数分别为0、1、3、6、9、12次时,风化砂改良膨胀土的回弹模量相对于未掺砂膨胀土降低的幅度分别为47.9%、61.4%、74.4%、86.3%、90.0%、92.6%。由此可知,风化砂改良膨胀土的回弹模量随掺砂比例增大的幅度仅为其降低幅度的1/2左右,增长的幅度远小于降低的幅度,说明风化砂改良膨胀土的回弹模量总体上呈现为降低的趋势。当掺砂比例较小(0～20%)时,各冻融循环次数下风化砂改良膨胀土的回弹模量均大于30MPa,满足文献[14]中对高等级公路路基土体回弹模量的要求。这是由于风化砂具有一定的粒径,少量风化砂的掺入,与膨胀土拌合后,形成骨架结构,使得其强度增大,随着风化砂的进一步掺入,试样颗粒之间的间距增大,导致试样的孔隙率增大,压实度降低,从而降低了风化砂改良膨胀土的回弹模量。

2.2 冻融循环次数的影响

风化砂改良膨胀土的回弹模量与冻融循环次数的关系曲线如图3所示。

图3 冻融循环次数对回弹模量的影响

图3表明,当掺砂比例相同时,冻融循环次数越多,改良膨胀土的回弹模量值越小。在第1次冻融循环后,各掺砂比例下的膨胀土回弹模量降低值约为20MPa;经过3次冻融循环之后,各掺砂比例下的膨胀土回弹模量降低值约为15MPa;经过6次冻融循环之后,各掺砂比例下的回弹模量降低值约为10MPa;经过9次冻融循环之后,各掺砂比例下的回弹模量降低值约为5MPa;经过12次冻融循环之后,各掺砂比例下的回弹模量降低值约为3MPa。由此可见,风化砂改良膨胀土的回弹模量值减小的幅度在冻融循环前6次下降较大,经过6次冻融循环之后,减幅趋缓,在经过冻融循环12次之后,回弹模量值基本稳定。这说明在多次冻融之后,风化砂改良膨胀土的回弹模量值逐渐稳定。分析其主要原因,土中的自由水在0 ℃时冻结呈冰晶体,随着温度的继续降低,弱结合水的最外层也开始冻结,使得冰晶体周围土中的结合水膜减薄,土粒因此产生剩余的分子力,在这种力的作用下,未冻结区的水分不断向冻结区迁移聚集,使冰晶体不断扩大,土体体积也随着增大,使得土体孔隙率变大,土体从致密状态逐渐向稀疏状态转化,破坏了土体微观结构,从而导致了土体强度的降低。继续增加冻融循环次数,之前发生的冻融循环致使土体孔隙率变大,提供了足够的空间供再次发生冻胀缩体积增大,因此改良土体的强度衰减率比经过第1次冻融循环时小,再加上由于水分迁移引起土体孔隙率的增大已经充分发展,土体的结构也趋向稳定,因而多次冻融循环后土体的回弹模量变化相当小,并逐渐趋于稳定。

3 改良膨胀土回弹模量的数学模型

路基用土在经受冻融循环后,回弹模量值主要受温度、初始含水率、压实度等因素的影响,当这些因素差别不大时,冻融循环次数则是路基土回弹模量最主要的影响因素。因此,根据表3中的试验数据,建立了冻融循环后风化砂改良膨胀土的预估模型,而对于掺砂比例这种次要因素则可以通过模型参数来反映。其模型方程为：

E=AlnN+B

(1)

其中,A、B为与掺砂比例有关的系数;E为风化砂改良膨胀土的回弹模量;N为冻融循环次数。

不同砂砾掺量改良重黏土回弹模量与冻融次数的拟合参数见表4所列，表4中，R2为回归相关参数。

表4 改良重黏土回弹模量与冻融次数的拟合参数

根据模型方程对试验结果进行分析,分析曲线如图4所示。

图4 不同掺砂比例下,回弹模量与冻融循环次数的拟合曲线

表4和图4表明,当掺砂比例相同时,增大冻融循环作用次数,改良膨胀土的回弹模量呈对数形式衰减。系数A和B都是与天然砂砾掺加比例有关的量,系数A都小于0,说明采用风化砂进行改良的膨胀土回弹模量与冻融循环次数呈负相关关系,当掺砂比例为10%时,系数A的绝对值最大,在此掺砂比例下,风化砂改良膨胀土的回弹模量随冻融循环次数的增大降低的速率最快;系数B数值上为某一掺砂比例下冻融循环次数为1次时,风化砂改良膨胀土的回弹模量值与同一条件下的试验数据相比,两者相差极小,基本相同。各掺砂比例下,预估模型方程的相关系数均大于0.98,接近于1,可知所选的预估模型与试验结果具有较好的相关性,说明所选模型具有较高的合理性和可靠性,可为季节性冻土地区膨胀土路基的设计及施工提供参考。

4 结 论

本文对经过0、1、3、6、9、12次冻融循环后的风化砂改良膨胀土试样进行侧限回弹模量试验,研究了其回弹模量与冻融循环次数、掺砂比例之间的变化关系,得出了以下结论:

(1) 当冻融循环次数相同时,增加掺砂比例,风化砂改良膨胀土的回弹模量随掺砂比例的增加先增大后减小,当掺砂比例为10%时,其回弹模量达到最大值。

(2) 在同一掺砂比例下,增大冻融循环作用次数,改良膨胀土的回弹模量值逐渐减小,其降低的幅值亦随着冻融循环次数的增加而减小。各级掺砂比例下,前6次冻融循环降低幅值最大,在冻融循环达到12次以后,回弹模量值基本稳定。

(3) 在同一掺砂比例下,风化砂改良膨胀土的回弹模量值随冻融循环次数增加呈对数形式衰减。

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(责任编辑 张淑艳)

Research on the influence of freeze-thaw cycles on resilient modulus of weathered sand improved expansive soil

YANG Jun1,2, LI Yuanfeng1,2, LIU Shiyi1,2

(1.Collaborative Innovation Center for Geo-Hazards and Eco-Environment in Three Gorges Area of Hubei Province, China Three Gorges University, Yichang 443002, China; 2.College of Civil Engineering and Architecture, China Three Gorges University, Yichang 443002, China)

The qualitative and quantitative relationships between the resilient modulus of weathered sand improved expansive soil and the weathered sand content and cycle times of freeze-thaw were researched. 0, 10%, 20%, 30%, 40%, 50% of the weathered sand was added into the expansive soil respectively. The resilient modulus test was done by using the lever pressure instrument after 0, 1, 3, 6, 9, 12 cycles of freezing and thawing. The test results showed that with the increase of cycles of freeze-thaw, the resilient modulus of weathered sand improved expansive soil decreased at the same mixed sand ratio. The resilient modulus logarithmically decayed with the increase of freeze-thaw cycles. When the cycles of freeze-thaw reached 12 times, the resilient modulus tended to be stable. With the increase of the mixed sand ratio, the resilient modulus of weathered sand improved expansive soil first increased and then decreased at the same times of freeze-thaw, showing a downward trend. When the mixed sand ratio reached 10%, the resilient modulus was maximum.

expansive soil; freeze-thaw cycle; weathered sand; resilient modulus

2015-11-16；

2017-03-20

湖北省教育厅自然科学研究重点资助项目(D20131304)

杨 俊(1976-),男,湖北武汉人,博士,三峡大学副教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.05.022

TU411.3

A

1003-5060(2017)05-0685-05