凍融循環條件下石灰改良土路基回彈模量研究

宋金華，林園皓

(河北工業大學 土木與交通學院，天津 300401)

0 引 言

石灰改良土在本質上屬于重塑土，與施工期間相比，運營期間的路基路用性能會發生改變，同時其物理力學性質也不完全一樣。季凍地區路基的力學性能受路基土體含水量、壓實度、凍融循環次數和應力狀況等的影響很大。作為表征路基剛度的重要指標，路基回彈模量可反映在重復的車輛荷載下路面結構的應力-應變關系，它也是國際上用來評估路面厚度設計的主要參數之一。有研究者提出：在修正路基回彈模量受干濕循環或凍融循環次數變化影響時可借用干濕循環或凍融循環強度折減系數[1-2]。受該觀點啟發，通過室內模擬試驗，筆者參考折減強度的概念，對石灰改良土路基動回彈模量凍融循環折減系數進行了詳細分析計算，深入研究了經歷凍融循環后的石灰改良土路基回彈模量變化規律，對更深入地研究路基結構長期性能演變規律提供一定基礎，同時對我國公路路基設計方法完善具有一定借鑒意義。

1 試驗材料與方案

1.1 土樣基本物理性質

試驗土體取自于天津津北公路。津北公路修建在由吹填形成的海相沉積軟土地基上，其主要由黏性土和淤泥質土組成，有機質含量豐富，含水量較高，多呈灰色，具有高壓縮性和靈敏度、低滲透性、低強度等特點。為全面了解海相沉積軟土的工程特性，筆者通過一系列常規試驗得到了其基本物理指標，見表1。

表1 試驗土體基本物理指標Table 1 Basic physical index of test soil

通過比重計法測定土樣顆粒組成可知，粒徑為0.05～2 mm砂粒占總質量的12%左右；粒徑為0.002～0.05 mm粉粒占總質量的55%左右；粒徑小于0.002 mm黏粒占總質量的33%左右。因此，土樣呈現砂粒很少、黏粒較多、粉粒最多的規律，同時在砂粒組中基本上不存在大于0.2 mm的粗顆粒，故該土樣屬于不良級配土。這是其通透性差的重要原因之一。

1.2 土樣準備

筆者按2%、4%、6%和8%這4種摻灰比將石灰(采用唐山新啟建材有限公司的土壤改良CaO，其中CaO含量大于85%)與土進行初拌，再加適量蒸餾水，攪拌均勻并密封，浸潤24 h。按照平衡含水率(equilibrium moisture content, EMC)、最佳含水率(optimal moisture content, OMC)與介于EMC及OMC之間的過渡含水率(transition moisture content, TMC)分別制作素土和石灰改良土試樣，素土與改良土試樣均按90%與96%的壓實度壓實。試樣直徑D=39.1 mm，高H=80 mm，采用三瓣飽和器分層擊實后放在保濕缸中進行常溫養護7 d[3]。

1.3 動回彈模量實驗

根據瀝青路面的應力狀況與結構特點(表2)，制定路基土動回彈模量動態三軸試驗加載順序[4]。

表2 加載序列Table 2 Loading sequence

為與季凍地區溫度的變化狀況接近，凍融溫度設置為-15～5 ℃。凍融時，先將未凍融試樣放入凍箱中，在-15 ℃下凍結12 h，再升溫度至5 ℃，持續12 h，此過程為一次凍融循環。凍融次數設置為1、3、6、8、10，對凍融后的土體試樣進行動三軸試驗。此外，為深入了解凍融對路基土體回彈模量的影響，設置在相同條件下未凍融試樣的動三軸對照試驗。本試驗輸入振動頻率為f=5 Hz的正弦波。

為便于分析臨界動應力，并考慮到石灰改良土與素土的動力特性等因素，本試驗設置動應力由30 kPa到50 kPa逐步提高，直至試樣發生破壞。路基應力實際測量結果表明：基床表層的側向壓力較低，為20～60 kPa，因此施加的試驗圍壓設置20、50、80 kPa這3級。剪切速率為0.5%/min，采用應變控制模式。按照SL237—1999《土工試驗規程》[5]要求，將軸向累計應變達到5%時作為破壞標準。取100作為每級加載的循環次數，取應變水平穩定后的最后8次均值作為回彈變形。動回彈模量大小如式(1)：

(1)

式中：MR為動回彈模量；σd為軸向重復偏應力峰值，σd=σ1-σ3，σ1為最大主應力，σ3為最小主應力，分別對應著實驗中的豎向應力和圍壓應力；εR為軸向回彈應變均值。

2 實驗結果與分析

2.1 動回彈模量與應力狀態關系

當黏質土試件在凍融循環次數N=1，摻灰比為4%(質量比，下同)，ωOMC=15%，ωTMC=17%，ωEMC=20%，壓實度K=96%的條件下，回彈模量與應力狀態的關系，如表3。

表3 4%石灰土動回彈模量與應力狀態的關系Table 3 Relationship between dynamic resilience modulus and stress state of 4% lime soil kPa

在影響回彈模量的眾多因素中，偏應力只是其中之一。通過分析可知：石灰改良土回彈模量受圍壓影響敏感程度要高于偏應力，隨著圍壓應力增大、含水量減小而逐漸增大，隨著重復荷載偏應力增加而有所降低。在OMC狀態下，重復荷載偏應力對回彈模量影響并不顯著；在TMC和EMC狀態下，隨重復荷載偏應力增加回彈模量出現降低趨勢[5-6]。含水率從OMC狀態轉變為TMC狀態時，回彈模量降低了35%～65%。從TMC狀態轉變為EMC狀態時，回彈模量降低趨勢并不明顯。

2.2 隨摻灰比、凍融次數和含水率變化規律

不同摻灰比的石灰土在圍壓σ=80 kPa，偏應力σd=30 kPa，壓實度K=96%，OMC下，回彈模量隨凍融循環次數與摻灰比變化關系如表4。

表4 不同摻灰比的路基土經過凍融后的動回彈模量Table 4 Dynamic resilience modulus of subgrade soil with different ash ratio after freezing and thawing

由表4可知：當試件摻灰比從0%增加到8%時，MR提高顯著，摻灰比每增加1%，MR增加35%，當摻灰比達到6%時，回彈模量對摻灰比增加量的敏感程度降低。隨著凍融次數增加，不同摻灰比下的動回彈模量均呈現下降趨勢，經過6次凍融循環后，逐漸趨于穩定。摻入石灰對回彈模量的增大效果非常明顯。在其他應力狀態下的變化規律與此類似[7]。

當凍融次數不大于6時，試件每經歷一次凍融循環，MR就會有一定程度降低。故定義石灰土路基經歷凍融循環后的MR上、下限凍融次數分別為N=1、6時的MR值，即試件MR分別經歷1～6次凍融循環后都還在該范圍之內。

當N=1、6，摻灰比為6%時，試件在不同平衡含水率下MR分布如圖1。由實驗結果可知：當ωEMC=20%，ωTMC=±3%時，試件的MR在經歷6次凍融循環之后有所降低，但大于20 MPa，其集中分布于20～40 MPa；當ωEMC=25%，ωTMC=±3%時，試件經歷6次凍融循環后，MR降低幅度大，而且分布范圍較廣，其分布區域主要集中在0～30 MPa，試件在循環偏應力達到105 MPa時被破壞，認為此時MR=0[8]，因為不能得到合理有效的動回彈模量值。隨著平衡含水率值增大，石灰路基土回彈模量受凍融循環影響程度不斷增加。當平衡含水率值較小時，回彈模量受影響程度較?。划斊胶夂瘦^大時，動回彈模量變化較為明顯，而且趨于不穩定狀態。

圖1 不同平衡含水率下MR的分布區域Fig. 1 Distribution area of MR under different equilibrium moisture contents

2.3 石灰改良路基土凍融循環折減系數

鑒于季凍地區路基力學性能受凍融循環影響，隨季節變化波動較大，目前研究動回彈模量濕度循環調整系數文獻較多，而研究凍融循環變化對動回彈模量影響文獻非常少，因此筆者在此基礎上并結合強度折減系數概念提出了路基動回彈模量凍融循環折減系數。

筆者定義路基土凍融循環折減系數η為：在EMC狀態下，經歷凍融循環次數N后的路基回彈模量MR與初次達到EMC時的路基回彈模量MR1之比，如式(2)：

(2)

此處η僅反映路基動回彈模量取值受凍融循環次數影響。凍融循環對路基回彈模量影響的大小與η大小成反比。為得到受凍融周期性波動影響的MR，首先應確定相應周期的η，然后乘以初次達到平衡含水率狀態時的路基動回彈模量MR1。

通過分析室內動回彈模量實驗結果，比對實驗數據發現：進行曲線擬合時用冪函數的效果較佳，所有的R2>0.95，在接受范圍之內。表5為回歸分析結果。因此，不同狀態下動回彈模量相對穩定值可通過回歸分析而得到，同時基于此擬合曲線可計算出石灰改良土路基動回彈模量η值[9-13]。

表5 動回彈模量實驗結果擬合數據Table 5 Fitting data of dynamic resilient modulus test results

表6為石灰改良土路基動回彈模量凍融循環折減系數的計算結果。其中：MR1取N=1時的對應值，MR取N=8時的對應值。

表6 動回彈模量凍融循環折減系數Table 6 Reduction coefficients of dynamic resilient modulus of freezing-thawing cycle

通過計算結果可知：在一般情況下，隨著圍壓增大，凍融循環折減系數不斷增大，說明可通過增大圍壓來降低凍融循環對石灰改良路基土動回彈模量影響；但對于較大EMC，當偏應力較低時出現了隨圍壓增大折減系數η逐漸減小現象，即此狀態下圍壓增大會產生負面影響。故此時應同時增大圍壓與偏應力才能有效降低凍融循環對石灰改良路基土動回彈模量影響。

3 結 論

1)提出石灰改良土路基凍融循環實驗方法。

2)凍融循環對石灰改良土路基動回彈模量影響較大，MR隨著凍融次數N的增大而減??；當應力狀態相同時，石灰改良土路基的平衡含水率越高，動回彈模量對凍融次數的敏感程度越高，且MR趨于不穩定。

3)基于凍融循環次數變化時石灰改良路基土動回彈模量變化規律，提出了石灰改良路基土動回彈模量凍融循環折減系數。