干濕循環作用對水泥改良泥質板巖土路基動力響應影響的模型試驗

朱自強，劉雨,2，陳俊樺

(1.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南長沙，410012；2.湖南省有色地質勘查研究院，湖南長沙，410015；3.桂林電子科技大學建筑與交通工程學院，廣西桂林，541004)

化學改良土在路基工程中應用很廣，工程中最常見的化學改良土為石灰改良土和水泥改良土。通常水泥改良土的力學穩定性比石灰改良土的強。水泥改良土或石灰改良土的強度和剛度高，抗水軟化性強，承載性良好。但文獻[1-7]的研究表明，即使經過石灰或者水泥改良，土的靜動強度、靜動彈性模量、內摩擦角和黏聚力等仍然會在干濕循環作用下產生一定程度的衰減。地下水位上升和下降、降雨和蒸發等干濕交替是化學改良土路基產生不均勻沉降和破裂等現象的重要原因之一。干濕循環作用降低改良土的力學性質，從而影響改良土路基的動力響應，給道路交通運行帶來安全隱患。研究干濕循環對化學改良土路基動力響應的影響可以為化學改良公路、鐵路等化學改良道路工程的安全穩定性評估提供參考。路基動力響應研究方法主要包括數值模擬、現場試驗和模型試驗[8-9]。數值模擬一般是根據實際工況建立路基動力計算模型，通過數值計算得到動應力、動應變和振動速度等物理量的響應規律[10-12]。現場試驗需要在路基土內埋設動土壓力盒、動位移計和振動速度傳感器等測量元器件，當路面車輛經過時，通過測量元件采集測點的響應信號，從而獲得路基動力響應規律[13-15]。數值模擬可以節省研究成本和方便控制試驗條件，但由于土的工程性質均較復雜，數值模擬結果往往與現場實測結果之間有較大差距。現場試驗具有研究成本高、試驗條件難控制等缺點，例如，現場路基干濕循環就很難得到控制，但現場試驗結果能夠比較真實地反映實際車輛荷載作用下的路基動力響應特點。路基模型試驗通常是根據實際工程建立路基比例模型，對路基面進行動力加載時，通過埋設在路基體內的元器件測得動應力、動應變和振動速度等[16-17]。據尺寸不同，路基比例模型包括足尺比例模型和非足尺比例模型；據材料不同，路基比例模型分為同材料模型和相似材料模型。路基比例模型動力響應與實際路基的動力響應有相似性。當路基模型的材料和尺寸均與實際相同時，模型試驗結果的可靠度最高[16-17]。目前，人們對干濕循環條件下改良土路基動力響應的研究很少。與現場試驗相比，模型試驗可以模擬干濕循環作用和靈活控制加載試驗條件，例如，為模擬路基干濕循環，可以在路基模型周邊修建可蓄排水的水池。與數值模擬相比，模型試驗結果更接近現場實測結果[1]，可見足尺比例路基模型試驗是開展干濕循環條件下化學改良土路基動力響應研究的最優方法。由于含綠泥石、高嶺石和蒙脫石等為親水礦物成分，所以，泥質板巖土的水穩性差，表現為泥質板巖土顆粒遇水易發生崩解，從而導致泥質板巖土體發生軟化以及干濕作用下出現干縮和濕脹等現象。干濕變化對泥質板巖土的力學性質有重要影響[1,18-19]，從安全角度考慮，對于高等級公路或者高速鐵路的路基，一般采用化學改良后的泥質板巖土進行填筑[19-20]。為揭示干濕循環對化學改良泥質板巖路基動力響應的影響規律，本文作者以水泥改良泥質板巖土筑的公路路基為研究對象，在實驗室內設計和建立干濕循環條件下足尺比例泥質板巖路基的動力加載與測試系統。通過開展干濕循環條件下的路基動力響應測試，測得動應力、動應變和累積變形等響應量，分析干濕循環作用對這些響應量的影響。

1 干濕循環條件下的路基動力試驗設計

1.1 路基模型設計

1.1.1 泥質板巖土樣

土樣取自湖南岳陽市區，為褐黃色泥質板巖土。土中主要含白云母、石英、綠泥石、高嶺石和鈉長石等礦物成分，其中，綠泥石和高嶺石為吸水礦物成分。土樣的顆粒粒徑小于40 mm，不均勻系數和曲率系數分別為28.7 和7.4。未改良土的級配曲線見圖1。根據GB/T 50145—2007 “土的工程分類標準”，泥質板巖土樣命名為級配不良的含細粒土礫。

1.1.2 路基模型的幾何尺寸

圖1 泥質板巖土樣的級配曲線Fig.1 Gradation curve of argillaceous-slate soil sample

根據JTG D30—2015“公路路基設計規范”設計足尺比例的公路路基模型。路基模型高度為2.30 m，長度為3.00 m。路基頂部寬為3.75 m，底部寬度為9.75 m。路基邊坡坡度為1.0:1.5。路基模型從上而下分為路面結構和路基本體。其中，路面結構是厚度為0.30 m的混凝土板，板面長×寬為3.75 cm×3.00 cm，混凝土強度等級為C30。路基本體填料為水泥改良后的泥質板巖土，高度為2.00 m。路基模型橫斷面示意圖見圖2。

圖2 路基動力試驗模型橫斷面Fig.2 Diagram of cross section of dynamic test model of subgrade

1.1.3 泥質板巖土改良及填筑工藝

以圖1所示的級配曲線制作泥質板巖土樣，然后在制作好的土樣中摻入普通硅酸鹽水泥P.O32.5對土進行化學改良。根據文獻[13-15]的研究成果，當土中水泥質量分數超過4%時，泥質板巖改良土符合高速公路或者高速鐵路路基填筑的要求。對于本文試驗，水泥改良土中摻入的水泥質量分數為5%，土中含水率為15%，土干密度為2.0 g/cm3。當養護齡期達到28 d 時，改良土的無側限抗壓強度約為1.0 MPa。按照JTGF 10—2006“公路路基施工技術規范”的要求填筑路基。采用湖南理工學院結構實驗室內的路基模型進行實驗。

1.2 路基動力加載和動力響應測量系統設計

1.2.1 路基動力加載系統和加載條件設計

路基動力加載通過湖南理工學院結構實驗室內的靜動力加載系統進行，該系統主要由法定平臺、反力鋼架、FCS011 電液伺服協調加載控制系統和作動器等組成。系統可施加力為-300～300 kN，加載頻率為0～20 Hz。加載模式包括力加載和位移加載，動態加載波形包括矩形波、三角波和諧波等。對于路基動力加載試驗，作動器作用在路基頂部的混凝土面板上，作用面為矩形，矩形長×寬為0.30 m×0.40 m。

公路面上作用的車輛移動荷載通常為復雜的隨機循環荷載，就目前國內外的技術水平而言，要使路基比例模型動力試驗的動力加載完全與實際情況相符很難實現。車輛移動荷載可以假設為一系列簡諧振動疊加而成的周期性動荷載，車輛移動荷載對路面的作用可以簡化為單個車輪對路面的集中作用[21]。根據該假設，路基動力加載條件可以簡化，動力加載可以采用1個作動器進行，且加載波形可以選用形式簡單的諧波。對于本文試驗，通過1個作動器在路面混凝土板上施加正弦波動力開展路基動力加載。作動器中軸線經過混凝土面板板面的中心，路基動力加載示意圖見圖3。

圖3 路基動力加載和干濕循環控制系統示意圖Fig.3 Diagram of dynamic loading and drying-wettingcontrol on subgrade

正弦波動力的表達式為[9]

式中：F為作動器施加的動力；P為動力幅值；f為加載頻率；t為時間；φ為初始相位。

單次試驗中加載作用的總時間為

式中：tend為加載作用的總時間；Nend為動力加載的總循環次數。

1.2.2 路基動力響應測量系統設計

路基動力響應測線布置在包含作動器中軸線的路基橫斷面上，如圖2所示。圖2中，測線沿豎向布置，共有5條測線，從左至右，各測線依次記為V1，V2，V3(在橫斷面中心線上)，V4和V5。V1和V5及V2和V4分別關于V3對稱，V1(或V5)與V3的距離為1.875 m，V2(或V4)與V3的距離為0.800 m。每條測線上均有4個測點。設測點與混凝土板頂部之間的距離為測點深度，記為h。對于任意1 條測線上的測點，從路面往下，測點深度h依次為0.55，0.85，1.25 和2.05 m。考慮到對稱性的影響，除了V3同時布置動土壓力盒、動應變計和位移計外，V1和V2只布置動土壓力盒，V4和V5只布置動應變計。動土壓力盒與動應變計分別測量動應力和動應變。采用位移計測量累積變形。路基動力響應試驗一般主要研究豎向物理量的動力響應，因此，在試驗中，動應力數據由測線V1，V2和V3采集，動應變數據由測線V3，V4和V5采集，累積變形由測線V3采集。測得的動力響應物理量均為豎向的物理量。

1.3 路基干濕循環設計

土的干濕循環過程包括吸水和失水。由于影響這一過程的因素很多，如溫度、土的內部結構和礦物成分等，故目前國內外學者對土干濕循環控制標準的認識尚未達成一致。對于室內試驗，控制土干濕循環的主要方法為自然風干、烘干、自然吸水和反壓飽等，干濕循環周期按天(d)或者小時(h)度量[1-8]。文獻[1]認為，由于土中孔隙較大，粗粒土容易吸水與失水，因此，提出了按天計算的干濕循環試驗標準，即將試樣浸泡水中使其自然吸水，吸水1 d后使試樣自然風干，風干時間為1 d，此過程為1 次干濕循環。本文試驗的路基填土屬于水泥改良泥質板巖粗粒土，因此，試驗采用文獻[1]中的干濕循環控制標準。在路基周邊修筑磚砌水池，并對水池進行防滲處理。水池可蓄排水，從而可以用來模擬路基干濕循環。水池幾何尺寸見圖3。圖3中，水池高度為2.00 m，水池底板長度和寬度分別為11.75 m 和3.00 m。路基的1次干濕循環試驗過程為：首先對水池進行蓄水，蓄水高度1.80 m，使浸泡在水中的路基自然吸水；當路基浸泡水中1 d后，水池排水；排水完成后，將路基自然風干，風干時間為1 d。

1.4 干濕循環條件下動力響應測試方案

1)由于當水泥改良土的齡期達到28 d 時其強度才逐漸趨于穩定，因此，當改良土路基齡期為28 d時對路基開展干濕循環試驗。干濕循環次數記為M，共開展15次干濕循環。

2)每當路基完成1次干濕循環后，對路基測量1次循環動力加載和相應的動力響應。循環動力加載函數見式(1)，加載參數為：P=25 kN，f=4 Hz，φ=0°，Nend=40 000次，tend=10 000 s。

2 試驗結果及分析

2.1 干濕循環對動應力響應的影響

設豎向最大動應力、豎向最大動應變和豎向累積變形分別為σmax，εmax和w，它們為路基動力響應特征量。本文通過分析它們與干濕循環次數之間的關系以揭示干濕循環作用對動力響應的影響。

2.1.1 干濕循環作用對動應力的影響

圖4和圖5所示分別為V2和V3測線上各測點的σmax首先與M之間的關系。從圖4和圖5可看出：對于同一測點，隨著M增加，σmax不斷減小且減小到一定程度后幾乎不再發生變化。例如，圖5中V3測線上深度h=0.55 m的測點，隨著M從0次增加到8 次，σmax由42.3 kPa 減 小 至31.8 kPa，減 少10.5 kPa，隨后，當M從8 次增加到15 次時，σmax由31.8 kPa 減少至28.6 kPa，減少3.2 kPa。在M從0 次增加至15 次的過程中，σmax雖然不斷減少，但減小幅度逐漸趨近于0 kPa，σmax-M曲線也趨近水平。這表明干濕循環對路基動應力響應有一定影響，干濕循環作用能使豎向動應力減小，但這種減小作用是有限的，隨著干濕循環次數增加而逐漸失效。2.1.2 動應力沿路基深度方向傳播衰減規律及干濕循環對動應力衰減的影響

圖4 測線V2豎向最大動應力與干濕循環次數之間的關系Fig.4 Relationship between vertical maximum dynamic stress and dry-wetting cycle times of line V2

圖5 測線V3豎向最大動應力與干濕循環次數之間的關系Fig.5 Relationship between vertical maximum dynamic stress and dry-wetting cycle times of line V3

圖6所示為V3測線上各測點的σmax與路基深度h之間的關系曲線。從圖6可以看出：豎向最大動應力隨著測點深度或者傳播距離的增加而衰減。為分析干濕循環作用對動應力傳播衰減的影響，利用下式對σmax和h之間的關系進行擬合：

式中：k為豎向最大動應力傳播的場地系數；α為最大豎向動應力的衰減系數。

圖6 測線V3豎向最大動應力與測點深度之間的關系Fig.6 Relationship between vertical maximum dynamic stress and depth of testing point of line V3

圖6中，擬合曲線的相關系數為0.982～0.998，擬合關系良好。α和M之間的關系見圖7。從圖7可以看出：對于測線V1，V2和V3，隨著M增加，α均逐漸增加，但增加幅度逐漸減小，使得α逐漸趨于穩定值。例如，對于測線V2，當M從0次逐漸增加至8次時，α從1.17逐漸增加到1.35，增加0.18；當M繼續從8次逐漸增加至15次時，α從1.35增加至1.40，增加0.05。在M從0次增加至15次的過程中，α雖然增加，但增加幅度不斷減小，最終α-M曲線趨近水平。干濕循環作用對路基豎向動力應傳播衰減有一定影響，隨著干濕循環次數增加，豎向最大動應力的衰減增加并最終逐漸趨于穩定。

圖7 豎向最大動應力的衰減系數與干濕循環次數之間的關系Fig.7 Relationship between attenuation of vertical maximum dynamic stress and dry-wetting cycle times

2.2 干濕循環對動應變響應的影響

2.2.1 干濕循環作用對動應變的影響

圖8和圖9所示分別為V3和V4測線上各測點的εmax與M之間的關系。從圖8和圖9可以看出：對于同一測點，隨著M增加，εmax不斷增大且增大到一定程度后幾乎不再發生變化。例如，對于圖8中V3測線上h=0.85 m 的測點，隨著M從0 次增加到9 次，εmax從188.6με增加至233.7με，減少45.1με；當M從9 次繼續增加到15 次時，εmax由233.7με增加至236.3με，增加2.6με。在M從0次增加至15次的過程中，εmax雖然不斷增加，但增加幅度逐漸減小并趨近于0，εmax-M曲線也趨近水平。因此，與豎向最大動應力一樣，豎向最大動應變響應也隨干濕循環次數而發生變化并最終趨于穩定。不同的是，隨著干濕循環次數的增加，豎向最大動應變逐漸增加，而豎向最大動應力則相反。

圖8 測線V3豎向最大動應變與干濕循環次數之間的關系Fig.8 Relationship between vertical maximum dynamic strain and dry-wetting cycle times of line V3

圖9 測線V4豎向最大動應變與干濕循環次數之間的關系Fig.9 Relationship between vertical maximum dynamic strain and dry-wetting cycle times of line V4

2.2.2 動應變沿路基深度方向傳播衰減規律及干濕循環對動應變衰減的影響

圖10所示為V3測線上各測點的豎向最大動應變和測點深度之間的關系曲線。從圖10可以看出εmax隨著h增加而衰減。利用下式對εmax和h之間的關系進行擬合：

式中：l為豎向最大動應變傳播的場地系數；β為豎向最大動應變的衰減系數。

圖10 測線V3豎向最大動應力與測點深度之間的關系Fig.10 Relationship between vertical maximum dynamic strain and depth of testing point of line V3

圖10中，擬合曲線相關系數為0.994～0.998，擬合關系良好。豎向最大動應變的衰減系數和干濕循環次數之間的關系見圖11。從圖11可見：隨著M增加，β逐漸增加，但增加幅度逐漸減小，β逐漸趨于穩定值。例如，對于測線V3，當M從0次逐漸增加至8 次時，β從1.96 逐漸增加到2.38，增加了0.42；當M從8 次逐漸增加至15 次時，β從2.38增加至2.43，增加了0.05。在M從0增加至15的過程中，β雖然增加，但增加幅度不斷減小，最終β-M曲線趨近水平。與豎向最大動應力的衰減一樣，隨著干濕循環次數增加，豎向最大動應變的衰減增加并最終逐漸趨于穩定，即豎向最大動應變的衰減在一定程度上受到干濕循環作用的影響。

圖11 豎向最大動應變的衰減系數與干濕循環次數之間的關系Fig.11 Relationship between attenuation of vertical maximum dynamic strain and dry-wetting cycle times

2.3 干濕循環對累積變形的影響

根據彈塑性力學，動應變包括可逆的彈性應變和不可逆的塑性應變。累積變形屬于不可逆變形。圖12所示為累積變形w與干濕循環次數M之間的關系。從圖12可以看出：測點深度h=0.55 m處的累積變形最大，當M=15 次時，w=2.5 mm；h=0.85 m 處的累積變形次之，當M=15 次時，w=1.4 mm；對于測點深度h=1.25 和2.05 m 的測點，累積變形為0 mm。這表明累積變形是在路基一定深度內產生的，超過了該臨界深度，累積變形為0 mm。在本文試驗條件下，該臨界深度不小于1.25 m。在臨界深度以上，測點深度越小，測得的累積變形越大。從圖12還可以看出：在臨界深度以上范圍內，即當h≤1.25 m 時，隨著干濕循環次數增加，測點的累積變形不斷增加并逐漸趨于穩定，即干濕循環作用對路基動力累積變形有一定影響。與動應變一樣，累積變形同樣隨深度增加而衰減。

圖12 豎向累積變形與干濕循環次數之間的關系Fig.12 Relationship between vertical accumulative deformation and dry-wetting cycle times

2.4 干濕循環對路基動力響應影響原理

水泥改良后，泥質板巖土中形成了水泥凝膠膠結網絡，這使得改良土由水泥膠結形成的網絡骨架和凝膠包裹的土顆粒構成。由于水泥在改良土中所占質量分數僅為5%，水泥凝膠不可能完全包裹住全部土顆粒團，因而水泥凝膠與外界有交流，同時，膠結網絡也不是均勻分布在土內，故水泥改良土的力學性質實際上由水泥膠結網絡和土顆粒的性質決定。水泥膠結網絡骨架的水穩性強，但膠結包裹的土顆粒團仍然保持原有的力學特性，水穩性差，因此，土顆粒團會發生干縮和濕脹等現象。干縮和濕脹變形必然會受到水泥膠結骨架的限制，當變形超過骨架的強度時，骨架產生開裂現象，其強度和剛度隨著裂縫擴展而降低，即干濕循環作用使改良路基的彈性模量降低。

根據一維彈性平面縱波理論，材料的動彈性模量近似和波阻抗成正比[22-25]，故干濕循環導致水泥改良路基的波阻抗減小。路基頂面作用的振動波經過混凝土板傳播到改良土路基的過程實際上可以看作入射應力波由波阻抗不變的混凝土板透射到波阻抗減小的路基土中。作用在混凝土板上的是入射波和反射波，作用在路基土上的是透射波。根據一維彈性平面縱波在2種介質物質的反射與透射理論，當入射應力波強度及入射波作用物體的波阻抗均不變時，透射波作用物體的波阻抗越小，透射波產生的應力越小，而產生的應變越大[25-27]。按照該理論，對于本文試驗，加載動力不變相當于入射波應力強度不變，而入射波作用的混凝土板的波阻抗也沒有發生變化。干濕循環次數增加導致路基的波阻抗減小，從而減小路基中透射波產生的動應力，增大透射波產生的動應變與累積變形，即干濕循環減小路基中的動應力(見圖4和圖5)，增大路基中的動應變(見圖8和圖9)和累積變形(見圖12)。

影響固體材料中應力波隨距離傳播而衰減的因素很多，波阻抗就是其中的重要因素[28-29]。在入射應力波強度不變時，波阻抗越小，透射應力強度衰減越快[22-24]。對于本文試驗，隨著干濕循環次數增加，路基的波阻抗降低，因此，路基動力響應衰減隨著干濕循環次數增加而增大，即動應力和動應變的衰減隨干濕循環次數的增加而增大(分別見圖7和圖11)。

由于干濕循環作用對泥質板巖土的動彈性模量的影響是有限的[1]，即干濕循環對泥質板巖土的波阻抗的影響也是有限的，因此，動應力、動應變和累積變形等雖然會隨干濕循環增加而發生變化，但最終會趨于穩定。

3 結論

1)干濕循環作用對路基豎向動應力和豎向動應變的響應均有一定影響，但對兩者的影響存在異同點。在動力加載條件不變的情況下，隨著干濕循環次數增加，豎向最大動應力逐漸減少并最終趨于穩定；而豎向最大動應變逐漸增加，最終也趨于穩定。

2)干濕循環作用對路基動力響應傳播衰減有一定影響。沿路基深度方向，豎向最大動應力和豎向最大動應變均逐漸衰減。衰減系數均隨著干濕循環次數的增加而增大，且增大到一定程度后趨于穩定。

3)累積變形在路基一定深度內產生。超過該臨界深度，累積變形為0 mm，在該臨界深度范圍內，累積變形隨深度的增加而減小。對于本文試驗，該臨界深度不小于1.25 m。隨著干濕循環次數增加，累積變形不斷增加并逐漸趨于穩定。

4)雖然干濕循環作用增大了路基的動力變形，對路基動力安全穩定性產生了不良影響，但隨著干濕循環次數增加，這種影響逐漸減弱，因此，干濕循環作用對水泥改良泥質板巖土路基動力安全穩定性產生的不良影響有限。