石灰改良路基紅黏土的動態回彈模量影響因素分析

歐陽衛鋒，馮小雨

(新疆交通科學研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

紅黏土主要分布于我國的西南、中南和華東地區，其中在廣西和云南、貴州地區分布較為廣泛，是一種液限較高的塑性黏土，其天然含水率、液塑限、塑性指數、孔隙比都比較高。在干燥狀態下，其力學強度比較高，壓縮性低，但在含水率增高的情況下，開始顯著變軟，成為軟塑甚至流塑狀態，性能變差，作為特殊性巖土在公路填筑路基材料使用中受限[1-2]。

公路作為一個線型工程，不同地區很難避讓紅黏土地區，也會遇到紅黏土填筑路堤的情況。紅黏土作為一種特殊性黏土，填筑路基時，遇水承載力急劇降低，失水硬度較高，用于填筑路基存在一系列不利問題。路基紅黏土由于自身的性能特征，作為路基填料性能較差。由于液限高，承載能力低、穩定性能差的原因，紅黏土不能滿足公路路基設計規范中填料的填筑要求。如果采用換填墊層而不能有效利用本地紅黏土，將大大增加工程造價，同時造成環境破壞。而通過改良的路基紅黏土，性能往往會有較大的改善。常見的改良方法有石灰、水泥改良，摻入沙或碎石對其改性，充分對紅黏土進行改良利用是一種必然趨勢。

路基土動態回彈模量是公路設計中的一個重要參數，路基設計中以路床頂面回彈模量為設計指標，同時為路面結構設計提供重要參數。在公路的設計中，要求路基頂有足夠的路基回彈模量從而可以保證路基承載力要求，而過高回彈模量取值又會造成不必要的資源浪費。路基回彈模量影響因素主要有圍壓、偏應力、含水率、壓實度等因素。本文主要研究石灰改良紅黏土的力學性能，對壓實度和含水率等參數不做深入研究，主要考慮石灰劑量、圍壓、偏應力三個因素對路基紅黏土的回彈模量影響。

本文采用動三軸儀進行重復加載三軸試驗，在未摻加石灰、石灰摻量5%、石灰摻量10%三種工況條件下，對試件施加不同的圍壓和不同的偏應力，分析石灰劑量、圍壓、偏應力三個變量對紅黏土材料的動態回彈模量的影響。

1 試驗過程

1.1 土樣基本物理性質指標

本文以湖南紅黏土地區的一條公路為研究對象，通過室內重型擊實、液塑限等試驗方法確定了樣品的基本物理力學參數：最大干密度為1.60 g/cm3，最佳含水率為23.5%，液限為56.8%，塑限為36.2%，塑性指數為20.6%。

1.2 試件成型與加載波形

室內試驗采用重型擊實試驗確定紅黏土的最大干密度和最佳含水率：最大干密度為1.60 g/cm-3，最佳含水率為23.5%。本文采用93%的壓實度時，測定不同石灰劑量條件下回彈模量的變化規律。試驗采用尺寸為φ100 mm×200 mm的圓柱形試件，采用靜壓成型法加工試件。

試驗采用動三軸儀進行紅黏土的重復加載三軸試驗，將試件包裹橡膠膜后放入三軸壓力室，施加預壓后，開始分別施加圍壓和偏應力。軸線加載波形為半正弦波，一次加載循環周期為1 s(加載期為0.2 s，間歇期為0.8 s)，加載作用次數為150次，加載前進行預載次數為1 500次。

1.3 試驗加載方案

采用雙圓均布荷載作用下的連續彈性層狀體系力學分析模型，根據相關力學參數的分析計算，結合國內外學者的研究成果，并參考國外相關規范[3-4]，本試驗依據路基實際運行中的受力狀態范圍，圍壓采用10 kPa、20 kPa、30 kPa和40 kPa，偏應力采用10 kPa、20 kPa、30 kPa和40 kPa，研究不同應力狀態下的動態回彈模量變化規律。試驗加載方案采用的圍壓和偏應力組合加載序列方案如表1所示。

表1 重復加載試驗方案表

經過1 500次預壓和150次正式加壓，試件軸向變形已經趨于穩定，取最后五次重復加載下軸向重復應力峰值與軸向回彈應變峰值的比值(146次、147次、148次、148次、150次)的平均值作為該應力狀態下的回彈模量。如式(1)所示[5]：

(1)

式中：MR——回彈模量(Pa)；

σd——軸向重復應力峰值，即主應力差(Pa)；

ε1R——軸向回彈應變峰值。

1.4 試驗結果

為了研究紅黏土在摻加不同劑量石灰后，路基紅黏土的動態回彈模量變化規律，本文在最佳含水率狀態下，擬定了加入5%和10%兩種石灰劑量工況同未添加石灰的紅黏土工況進行對比試驗研究。紅黏土動態回彈模量試驗結果如表2所示。

表2 不同石灰摻量條件下的回彈模量試驗結果表

1.5 含水率對動態回彈模量的影響分析

石灰摻量對紅黏土回彈模量的影響分析：在圍壓、偏應力相同的狀況下，石灰劑量增加至5%時，回彈模量提高的幅度在5～15 MPa左右，回彈模量提高5%～15%左右；石灰劑量增加至10%時，回彈模量提高的幅度在10～25 MPa左右，回彈模量提高10%～20%左右。摻加石灰可以有效提高紅黏土回彈模量。

偏應力對紅黏土回彈模量的影響分析：在圍壓、石灰摻量條件相同的條件下，分析偏應力在10 kPa、20 kPa、30 kPa、40 kPa條件下回彈模量的變化規律。試驗結果顯示，在圍壓相同的情況下，隨著偏應力值的增大，回彈模量顯著降低，不同圍壓下，偏應力由10 kPa增加至40 kPa時，回彈模量降低至初始值的75%～85%左右。隨著偏應力的增加，土體的剪應力不斷增加，土體更容易破壞。

圍壓對紅黏土回彈模量的影響分析：在偏應力、石灰摻量條件相同的條件下，分析圍壓分別為10 kPa、20 kPa、30 kPa、40 kPa條件下，回彈模量的變化規律。試驗結果顯示，隨著圍壓的增加，回彈模量顯著提升，在偏應力為40 kPa的條件下，圍壓由10 kPa增加至40 kPa時，回彈模量提升10%～40%左右。隨著圍壓的提高，紅黏土回彈模量有了顯著的提高。

摻加石灰可以有效改善紅黏土的力學性質[4-5]，隨著石灰加入量的不斷提高，材料的動態回彈模量值有了更顯著的提高。紅黏土地區缺乏級配良好的礫類土作為筑路材料時，摻加石灰進行紅黏土處置，可以有效改善其物理力學性質與工程特性。如圖1所示。

圖1 不同石灰摻量對回彈模量的影響曲線圖

2 基于三參數本構模型的參數擬合

公路路基設計規范推薦利用三參數本構模型進行回彈模量值的確定，本文通過重復加載試驗測定不同應力狀態下的回彈模量值。依據本試驗結果，采用1stOpt軟件，對三參數模型進行參數擬合分析，擬合結果如表3所示。

表3 三參數模型待定參數擬合結果表

(2)

式中：MR——路基回彈模量值；

k1、k2、k3——模型參數；

θ——體應力；

pa——大氣壓強絕對值，近似取值100 kPa；

τoct——八面體剪應力。

由表3可知，采用三參數模型，利用本試驗數據對該模型進行參數擬合，擬合的判定系數在89.3%～93.6%之間。對比擬合曲線和實測曲線可知，試驗數據和擬合數據的相關性比較高，沒有出現計算值和實測值嚴重偏離的現象，擬定的模型參數可以較好地反映不同石灰劑量下不同應力狀態時路基紅黏土回彈模量值的大小。

3 結語

本文通過采用動三軸儀進行重復加載三軸測試，測定了在不同石灰摻量條件下，路基紅黏土在反軸向復荷載作用下紅黏土的應力應變關系。研究表明，紅黏土的回彈模量與石灰摻量、圍壓、偏應力有顯著的關系。擬定三參數的模型參數可以為石灰改良紅黏土設計中回彈模量取值提供依據。

(1)紅黏土中摻入石灰可以有效改善紅黏土的力學性能，提高路基承載能力。石灰劑量增加至5%～10%時，回彈模量提高5%～20%左右。

(2)隨著偏應力的增加，土體的剪應力不斷增加，回彈模量不斷減少，土體更容易破壞；隨著圍壓的增加，回彈模量增大，可以提高路基承載力。

(3)不同石灰劑量條件下擬定的三參數模型，可以為石灰改良紅黏土回彈模量取值提供參考。