凍融作用下生石灰處置過濕粘土動態回彈模量試驗研究

張文思,趙國君

(1.大眾卓越控股集團 長春市 130000；2.吉林建筑大學 交通科學與工程學院 長春市 130118)

動態回彈模量是路基土體抗變形能力的表征，《公路路基設計規范》(JTG D30-2015)附錄A(路基土回彈模量標準試驗方法)和 附錄B(路基土動態回彈模量取值范圍)對路基設計指標與試驗方法提出了新的要求，由于吉荒高速公路沿線可借鑒的生石灰處置過濕土的動態回彈模量的研究內容尚處于空白，因此，使用DTS-30多功能氣壓伺服路面材料動態測試系統對5%和7%生石灰摻量條件下過濕粘土的動態回彈模量進行試驗研究，分析不同應力狀態、凍融作用、生石灰摻量以及含水率對生石灰處置過濕粘土路基動態回彈模量的影響規律，結合路基實際圍壓工作范圍，給出生石灰處置過濕粘土動態回彈模量建議值。

1 原材料試驗

按照《公路土工試驗規程》(JTG E40-2007)對原材料進行了相關基本物理性質試驗，試驗結果表明：試驗用土液限為38.4%，塑限為21%，塑性指數為17.4%，依據《巖土工程勘察規范》為粘土。土樣最佳含水率為14.8%，最大干密度為1.834g/cm3，土顆粒以粒徑小于0.075mm粉粒和粘粒為主，占總比例的97.7%。試驗使用的生石灰鈣鎂含量為70.5%，為鈣質III級生石灰。

2 動態回彈模量試驗

2.1 試驗儀器

試驗采用多功能氣壓伺服路面材料動態測試系統，該系統由DTS-30加載系統、CADS數據采集控制系統和TestLab測試軟件組成。

2.2 試件制備

采用濕土法和二次摻灰的方法制備試件，即先在土中加入水，拌和后密封放置一夜使其均勻，第二天進行第一次摻灰，燜料24h后進行第二次摻灰，再燜料24h靜壓成圓柱形試件，試件的標準尺寸為直徑10cm、高度20cm。在試件靜壓過程中，若試件含水率過高，土會從試模中擠出，此時試件無法滿足壓實度要求。經過反復試驗，5%生石灰摻量時含水率上限為ωopt+6%，7%生石灰摻量時含水率上限為ωopt+8%。

2.3 試驗方案

試驗選取應力狀態、生石灰摻量、含水率和凍融作用作為變量，探究生石灰處置過濕粘土動態回彈模量的演化規律。應力狀態的選取參考羅志剛給出的路基細粒土試件加載序列，見表1；5%生石灰摻量試件的含水率分別為ωopt、ωopt+4%、ωopt+6%，7%生石灰摻量試件的含水率分別為ωopt、ωopt+4%、ωopt+6%、ωopt+8%，素土不考慮過濕狀態,試件的壓實度為94%。試件在20℃溫度、95%濕度條件下養生7d，然后進行7次凍融循環，每種工況進行3個平行試驗。

試驗采用DTS-30加載重復循環半正矢脈沖荷載，施加荷載的頻率為1Hz，持續時間為0.8s，間歇時間為0.2s，每個序列的循環荷載加載100次，為避免加載初期試件變形不穩定帶來的影響，取最后5次加載得到的應力應變平均值來計算動態回彈模量。三軸室壓力采用壓力傳感器進行檢測，位移傳感器使用LVDT，試件垂直永久應變上限為5%，超過5%應立即停止試驗。

在正式進行試驗之前對試件進行預加載，加載次數為1000次。進行預加載主要基于以下原因：模擬路基在施工時所處的應力狀態；消除試件在初始加載階段不穩定的影響，提高試驗精度。

表1 生石灰處置過濕粘土動態回彈模量試驗加載序列

2.4 試驗結果分析

試驗數據見表2、表3。

凍融作用下應力狀態與動態回彈模量的關系以素土和生石灰摻量為5%條件下的ωopt、ωopt+6%處置土為例，如圖1、圖2、圖3。

2.4.1應力狀態對動態回彈模量的影響

(1)動態回彈模量與圍壓的關系

整體上看，動態回彈模量隨著圍壓的增大而增大。由圖1(a)，素土的動態回彈模量趨勢線由下至上、由左到右越來越密，說明素土的動態回彈模量在低圍壓和低偏應力條件下變化較大，隨著圍壓和偏應力的增加，動態回彈模量受到的影響逐漸減小。生石灰處置過濕粘土在不同工況條件下，動態回彈模量受到不同圍壓和偏應力的影響差異不大。

表2 素土和5%生石灰處置過濕粘土

表3 7%生石灰處置過濕粘土動態回彈模量(單位：MPa)

(2)動態回彈模量與偏應力的關系

由圖1(a)所示，素土的動態回彈模量隨著偏應力的增大而降低。凍融前，降低趨勢為線性降低；凍融后，隨著偏應力的增大，降低趨勢逐漸減緩，說明低偏應力對素土的動態回彈模量影響較大，偏應力增大后，動態回彈模量受偏應力的影響逐漸變小。生石灰處置土不論是凍融前還是凍融后，在最佳含水率條件下，動態回彈模量隨著偏應力的增大緩慢增大；在過濕條件下，偏應力對動態回彈模量的影響減弱很多,隨著偏應力的增大呈現緩慢減小的趨勢，甚至還有所增加，是因為重復加載使試件的壓實度略有增加以及試驗時間較長導致的試件水分損失。

圖1 素土

圖2 生石灰5%，ωopt

圖3 生石灰5%，ωopt+6%

(3)動態回彈模量與體應力的關系

體應力是各項主應力之和，即θ=σ1+σ2+σ3，而偏應力σd=σ1-σ3，在動態回彈模量試驗中σ2=σ3，所以θ=σd+σ3+σ2+σ3=σd+3σ3，即體應力在數值上等于偏應力與3倍圍壓之和，所以體應力對動態回彈模量的影響可以視作偏應力與圍壓共同對動態模量的影響。在相同圍壓條件下，體應力對動態回彈模量的影響與偏應力對其的影響基本一致，此時由于圍壓為定值，所以體應力對動態回彈模量的影響程度不如偏應力。同理在相同偏應力條件下，體應力對動態回彈模量的影響與圍壓的影響一樣，但影響程度不如圍壓。試驗得到的動態模量與體應力的關系圖，與上面得到的分析結果一樣，參考圍壓、偏應力對動態回彈模量的影響，這里不再重復。

2.4.2凍融作用對動態回彈模量的影響

由上述分析可知動態回彈模量隨著圍壓的增大而增大，隨著偏應力的增大而減小，據此選取最不利的應力狀態，即σ1=120kPa、σ3=15kPa，以最不利應力狀態下的動態回彈模量來探究凍融作用對其的影響，各個工況下動態回彈模量的凍融折減值見表4。

表4 最不利應力狀態條件下動態回彈模量(單位：MPa)

由表4可知，素土的動態回彈模量折減為60.73%，遠大于生石灰處置土的折減值。從總體上看，經過凍融作用后5%生石灰摻量下的動態回彈模量比7%摻量對應的模量低， 5%生石灰摻量下動態回彈模量的衰減程度比7%生石灰摻量下的衰減程度小，說明生石灰的摻入使得過濕粘土的抗凍性得到顯著改善，但過多的生石灰不利于提高過濕土的抗凍性。

2.4.3生石灰摻量對動態回彈模量的影響

總體上來看無論凍融前還是凍融后，最佳含水率條件下生石灰處置土的動態回彈模量與素土相比顯著增大。在含水率相同時，凍融前動態回彈模量隨生石灰摻量的增大而增大，凍融后5%和7%生石灰摻量條件下動態回彈模量相差不多，7%的動態回彈模量略高。在最不利應力狀態條件下，凍融前當含水率為ωopt+4%、ωopt+6%時，7%生石灰摻量條件下的動態回彈模量比5%分別增加了41.25%、83.71%。

2.4.4含水率對動態回彈模量的影響

在生石灰摻量相同的情況下，含水率越高，動態回彈模量越低，土體抵抗變性的能力越差。以最不利應力狀態條件即σ1=120 kPa、σ3=15 kPa時的動態回彈模量為例，5%生石灰摻量時，ωopt+4%、ωopt+6%條件下動態回彈模量與ωopt時相比，凍融前的折減值分別為32.09%、50.18%，凍融后的折減值為24.85%、30.64%；7%生石灰摻量時，ωopt+4%、ωopt+6%、ωopt+8%的動態回彈模量與ωopt相比，凍融前的折減值分別為7.22%、11.64%、26.94%，凍融后的折減值為16.17%、31.16%、46.94%。可以看出，含水率越大，動態回彈模量的折減值越大。

2.4.5生石灰處置過濕粘土動態回彈模量建議取值

綜上，生石灰處置過濕粘土的動態回彈模量受應力狀態的影響很大，羅志剛給出的路基中應力變化取值范圍σ1=10～180kPa，σ3=0～60kPa，選取接近中間值的應力組合σ1=105 kPa、σ3=30 kPa，以此應力狀態時不同工況條件下生石灰處置過濕粘土動態回彈模量作為建議取值，見表5。

表5 生石灰處置過濕粘土動態回彈

3 結論

借助動態加載試驗方法，對生石灰處置過濕粘土在不同工況條件下的動態回彈模量進行了試驗研究，分析了應力狀態(圍壓、偏應力、體應力)、凍融作用、生石灰摻量以及含水率對生石灰處置過濕粘土動態回彈模量的影響規律，得到如下主要結論：

(1)分析應力狀態對生石灰處置過濕粘土動態回彈模量的影響規律得出，動態回彈模量隨圍壓的增大而增大,隨偏應力增大整體上呈現降低趨勢，偏應力對生石灰處置過濕粘土動態回彈模量的影響比素土更為顯著。體應力對生石灰處置過濕粘土動態回彈模量的影響規律與圍壓和偏應力相似。

(2)凍融作用下生石灰處置過濕粘土動態回彈模量試驗結果得出，經過凍融作用后動態回彈模量隨著生石灰摻量的增大而增大，生石灰有效改善了過濕粘土凍融后的抗變形能力。

(3)不同生石灰摻量、含水率條件下的試驗得出，生石灰處置過濕粘土的動態回彈模量隨著生石灰摻量的增大而增大，隨著含水率的增大而減小，含水率越大，凍融后動態回彈模量折減值越大。