干湿循环作用下水泥改良粉砂岩土路基填料路用性能研究

陈文　韦建飞　黎兆端　徐婧　宁国梁

作者简介：陈 文（1991—），助理工程师，主要从事公路工程项目管理工作。

摘要：为了解广西宁明地区公路路基填料干湿循环后的不良工程特性，文章采用水泥对路基填料进行改良，研究改良填料在干湿循环后的工程特性，并根据击实试验得到的最佳含水率对改良填料试样进行崩解性、无侧限抗压强度、承载比、三轴试验研究。结果表明：水泥作为一种改良剂，能够减小路基填料崩解性，提高承载比、无侧限抗压强度、三轴试验峰值应力与弹性模量;而干湿循环作用则与之相反，干湿循环作用前3次劣化作用最为显著，随着循环次数继续增加，其劣化作用逐渐减弱;不同掺量的水泥均能极大地提高填料抵抗干湿循环产生劣化作用的能力;水泥掺量越大，路基填料工程特性越好，但考虑到经济因素，以掺比5%为最优。

关键词：路基工程;水泥改良;粉砂岩;干湿循环;填料性能

中国分类号：U416.1+1A150526

0 引言

宁明地区公路沿线多山地，出露地层岩性主要以侏罗系粉砂岩为主，岩层较破碎，节理裂隙发育，岩石为风化程度不一、强度较低的软岩，岩体抗水性较弱。考虑到山区道路修建过程中常需要进行路堑修建，易产生大量挖方，加之山区道路狭窄险峻，运出挖方成为一大难题，且路基填料的运进也不方便。为解决路基填料与挖方运输难题，也为了保护环境、节约资源与成本，公路路基采用粉砂岩挖方为填料进行填筑。但将压碎后的岩土用作填料会产生路基不均匀沉降、承载力不足等问题，而且宁明地区气候终年高温多雨，易使路基填料处于周期性失水-吸水过程中，进一步加剧了不良工程地质问题的产生。因此有必要对岩土填料进行改良，并进一步研究其在干湿循环作用下的力学特性。

近年来，越来越多的山区公路开工建设，出现了很多采用改良岩土填筑路基的案例，众多学者对此进行了相关研究。毛雪松等[1][2]研究了浸水后风化千枚岩填筑路基的稳定性，并用水泥改良强风化千枚岩路基填料，随着水泥掺量的增加，填筑路基力学性能逐渐改善，且均能够满足高速公路路基填筑要求。祝艳波等[3]分别用水泥、石灰、粉煤灰对泥岩路基土进行改良，并对改良后的路基土进行了一系列土工试验，发现水泥、石灰、粉煤灰对路基土改良效果逐渐降低。冯卡等[4]建立了基于液性指数的无侧限抗压强度预测模型，能够预测不同水泥掺量下路基土的无侧限抗压强度，为实际工程中水泥用量提供参考依据。蒋应军等[5]对水泥改良后的黄土路基进行干湿循环试验，并研究干湿循环后改良黄土的抗压强度，发现干湿循环作用降低了抗压强度，但在循环15次后趋于稳定。赵明华等[6]基于大型模拟试验路堤及实体工程试验路段，研究了红砂岩作为路用材料的路堤填筑技术，为红砂岩地区高速公路路堤填筑提供了可靠的技术保证。综上所述，已有研究主要对改良后的路基填料进行力学性能测试，较少考虑干湿循环作用的影响，因此亟待开展干湿循环作用下改良路基填料的力学特性研究。

本文选取广西宁明地区公路粉砂岩路基填料为研究对象，采用不同水泥掺量（3%、5%、7%）来进行改良，并对改良后的路基填料进行不同循环次数（0、1、3、5、10）的干湿循环，再将干湿循环作用后的改良路基填料进行崩解试验、无侧限抗压强度试验、承载比试验、三轴试验，研究干湿循环作用下改良路基填料工程力学特性。

1 试验方案

1.1 试样及物理特性

试验土样取自广西宁明地区公路沿线粉砂岩。根据现场地质勘察可知，填料为侏罗纪那荡群粉砂岩，岩性为灰色、浅黄色、紫灰色，粉砂状结构，质地较软。采用X射线衍射仪（XRD）对粉砂岩进行矿物成分分析，测得该粉砂岩主要成分为72.12%的石英（Q）、12.58%的长石（P）、7.25%云母（M）、2.93%方解石（C）、5.12%高岭石（K）（如图1所示）。

根據《公路土工试验规程》[7]对填料进行土工试验，得到岩土颗粒级配曲线（如图2所示）。由图2可知，d10、d30、d60对应的粒径分别为0.025 mm、0.2 mm、0.8 mm，由式（1）、式（2）计算可得填料不均匀系数Cc为2、曲率系数Cu为32，满足路基填料不均匀系数Cu≥5、曲率系数Cc=1～3的要求，属于级配良好的土。采用P[KG-1.5mm]·O 32.5普通硅酸盐水泥对填料进行改良，水泥掺量分别为3%、5%、7%（质量比）。将原状填料及改良填料进行击实试验，分别得到最佳含水率与最大干密度（见表1）。击实曲线如图3所示。

1.2 试验过程

按照击实试验得到的最佳含水率和最大干密度对原状填料和水泥掺量分别为3%、5%、7%的改良填料进行试样制备，记录质量为m0。为模拟填料真实吸水-失水过程，采用自然浸水饱和与风干的方法对制备的试样进行循环次数为0（未进行干湿循环试验）、1、3、5、10次的干湿循环试验：（1）将制备好的试样浸没于25 ℃水中进行自然饱和48 h;（2）将完成步骤（1）的试样放置在阴凉通风处进行风干，每隔1 h进行一次质量称取，直至质量在m0±5 g时停止风干;（3）记完成步骤（1）、步骤（2）过程为1次干湿循环试验。对完成干湿循环后的试样进行崩解性试验、无侧限抗压强度试验、承载比试验、三轴试验。

2 结果与分析

2.1 崩解性试验

将完成不同干湿循环作用次数的填料置于耐崩解试验仪中进行崩解性试验，崩解率如图4所示（原状填料崩解性极强，各干湿循环次数下均完全崩解，考虑到比例原因，未在图中画出）。随着干湿循环次数增加，各水泥掺量改良填料崩解率均增加，且前3次干湿循环时崩解速率较快。同一干湿循环次数下，改良填料水泥掺量越大，崩解率越小，耐崩解性越好。相较于原状填料完全崩解的现象，各水泥掺量改良填料崩解率均极小，最大值为0.46%。原因在于水泥是一种水硬性无机胶凝材料，能够使得改良填料形成坚固、紧密的结构，有效地提高了改良填料的耐崩解性，满足路基填筑要求。

2.2 无侧限抗压强度试验

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[8]要求，取标准养护条件下7 d后的改良填料进行无侧限抗压强度试验。不同干湿循环次数下各水泥掺量改良填料无侧限抗压强度变化曲线如图5所示。随着干湿循环次数的增加，各水泥掺量改良填料无侧限抗压强度均减小，且前3次干湿循环时衰减速率较快。同一干湿循环次数下，改良填料无侧限抗压强度随水泥掺量增加而增大，但增长率逐渐放缓，且3%、5%、7%水泥掺量改良填料无侧限抗压强度分别为原状土无侧限抗压强度的4.85、6.82、7.12倍，表明水泥作为一种改良剂有效地提高了路基填料的无侧限抗压强度，满足路基填筑要求。

2.3 承载比试验

根据《公路路基设计规范》[9]可知二级公路CBR≥6%，不同干湿循环次数下各水泥掺量改良填料承载比贯入试验曲线如图6所示。随着水泥掺量的增加，同一贯入量值对应的单位压力逐渐增大，以干湿循环次数n=3为例，贯入量为5 mm时，水泥掺量为0、3%、5%、7%对应的单位压力分别为709.92 kPa、8 865.53 kPa、18 558.41 kPa、24 375.03 kPa，对应的CBR值分别为5.76%、84.43%、176.75%、232.14%，不同水泥掺比试样分别为原状填料单位压力的12.48、26.14、34.34倍。由此可知原状填料不满足CBR值要求，但水泥能够有效提高填料CBR值。随着干湿循环次数增加，各水泥掺量改良填料同一贯入量值对应的单位压力逐渐减小，且前3次干湿循环时衰减速率较快，以水泥掺量5%、贯入量5 mm为例，不同循环次数后（n=1、3、5、10）的单位压力衰减率分别为10.8%、3.1%、1.1%、1.0%，表明干湿循环的劣化作用逐渐减弱。前3次干湿循环后，各水泥掺量改良填料贯入量为5 mm时对应的单位压力衰减率分别为45.2%、25.3%、13.6%、7.8%。由此可知水泥作为一种改良剂有效地提高了试样抗干湿循环劣化作用，满足路基填筑要求。

[XCmh6.EPS;%48%48;P][TS（][HT9.SS][JZ]（a）0%水泥掺量[TS）][JY]

[XCmh7.EPS;%48%48;P][TS（][HT9.SS][JZ]（b）3%水泥掺量[TS）]

[XCmh8.EPS;%48%48;P][TS（][HT9.SS][JZ]（c）5%水泥掺量[TS）][JY]

[XCmh9.EPS;%48%48;P][TS（][HT9.SS][JZ]（d）7%水泥掺量[TS）]

[JZ][HT9.H]图6 改良填料单位压力与贯入量关系变化曲线图

2.4 三轴试验

不同水泥掺量下改良填料三轴试验应力-应变曲线如图7～10所示，可知应力-应变曲线可分为5个阶段[10]。

（1）压缩阶段：改良填料试样内部初始裂纹在荷载作用开始时闭合，应力随着应变增加缓慢增大，应力-应变曲线呈现出下凹型。

（2）弹性阶段：随着荷载进一步增大，改良填料试样内部初始裂纹闭合完毕，试样岩土颗粒作为骨架开始承受荷载，岩土颗粒间开始相对错动并产生新裂纹，应力随着应变增加线性增长，应力-应变曲线呈现出直线型。

（3）弹塑性阶段：荷载作用下产生的裂纹逐渐增大并和初始裂纹融合、贯通，再扩展延伸至试样表面，应力随着应变增加缓慢增长，应力-应变曲线呈现出上凸型。

（4）破坏阶段：达到峰值强度后，试样沿裂纹贯通面破坏，应力随着应变增加急剧下降，应力-应变曲线呈现出直线型。

（5）残余强度阶段：试样完全破坏后，其承载能力由破坏面之间的摩擦力提供，应力随着应变增加保持不变，应力-应变曲线呈现出平直线型。

由图7可知，原状填料应力-应变曲线压密阶段和破坏阶段不明显，原因在于试验岩土颗粒较为松散，在荷载作用下较早地出现相对错动，且塑性变形较大。在围压相同的条件下，试样峰值应力随着干湿循环次数增加逐渐减小，但衰减率逐渐放缓，且前3次衰减最为显著。以围压25 kPa为例，不同循环次数后（n=1、3、5、10）的峰值应力衰减率分别为31.88%、8.37%、3.94%、4.30%，表明干湿循环的劣化作用逐渐减弱。在干湿循环次数相同的条件下，试样峰值应力随着围压增加逐渐增大。以循环次数n=3為例，不同围压下（σ3=25、50、100 kPa）的峰值应力分别为690.02 kPa、992.27 kPa、1 201.98 kPa，表明增加围压能够有效提高试样峰值应力。残余强度变化规律和峰值应力一致。

由下页图8～10可知，改良填料水泥掺量不改变应力-应变曲线形式。随着水泥掺量的增加，试样峰值应力逐渐增大。以围压50 kPa、干湿循环n=3为例，水泥掺量分别为3%、5%、7%时峰值应力较原状填料分别提高174.20%、228.05%、254.16%，表明增加水泥掺量有效提高了试验峰值强度。随着干湿循环次数的增加，试样峰值应力逐渐减小。以水泥掺量5%、围压50 kPa为例，不同循环次数后（n=1、3、5、10）的峰值应力衰减率分别为4.93%、3.18%、1.56%、1.63%，较原状填料衰减率大幅度减小，表明干湿循环的劣化作用逐渐减弱，且水泥作为一种改良剂有效地提高了试样抵抗干湿循环产生劣化作用的能力。随着围压增加，试样峰值应力逐渐增大。以水泥掺量5%、干湿循环n=3为例，不同围压下（σ3=25、50、100 kPa）的峰值应力分别为3 037.45 kPa、3 255.11 kPa、3 428.28 kPa，表明增加围压能够有效提高试样峰值应力。残余强度变化规律和峰值应力一致。

不同水泥掺量改良填料弹性模量变化曲线如图11所示。随着干湿循环次数增加，改良填料弹性模量逐渐减小，前3次变化最为显著，但整体衰减速率逐渐降低。以5%水泥掺量改良填料为例，围压分别为25、50、100 kPa时，干湿循环3次时弹性模量减小率分别为73.9%、83.3%、64.9%，表明干湿循环对改良填料的劣化作用前3次最为显著，且随着循环次数的增加呈现出逐渐减弱的趋势。随着水泥掺量的增加，改良填料弹性模量逐渐增加。以围压25 kPa为例，水泥掺量分别为3%、5%、7%时，初始弹性模量较原状填料（0水泥掺量）分别提高了189.3%、293.5%、362.3%，表明水泥作为一种改良剂有效地提高了填料的弹性模量。随着围压的增加，改良填料弹性模量逐渐增加。以干湿循环3次为例，水泥掺量分别为0、3%、5%、7%时，围压为100 kPa时弹性模量较25 kPa时分别提高了44.5%、11.3%、19.0%、6.7%，表明增加围压是提高填料弹性模量的一种有效方式，但效果不如掺入水泥有效。三轴试验结果表明水泥改良填料能够满足路基填筑要求。

3 結语

（1）水泥与干湿循环是路基填料工程特性的重要影响因素。采用水泥作为改良剂对路基填料进行改良，并对改良填料进行干湿循环，再对干湿循环后改良填料进行崩解试验、无侧限抗压强度试验、承载比试验、三轴试验。试验结果表明，水泥使得填料的崩解性得到了改善，无侧限抗压强度和承载比指标得到了大幅度提高，三轴试验峰值应力与弹性模量增幅明显，而干湿循环作用则与之相反。

（2）干湿循环对路基填料工程特性的劣化作用主要集中在前3次，随着循环次数的继续增加，其影响效果越来越弱。水泥改良填料能够有效地降低干湿循环的劣化作用，不同水泥掺量的改良填料在经历干湿循环作用后均能够满足现场填筑要求。路基填料水泥掺量越高，其工程特性越好，考虑到经济因素，本文建议选取5%水泥掺量作为最佳掺比。

参考文献：

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3699501908272