干濕循環對粉煤灰改良黃土路基的動強度影響規律分析

黃文寧，萬春浪

(廣西長長路橋建設有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著我國經濟發展的不斷提速和西部大開發戰略決策的落實，西部地區交通工程建設不斷推進，涉及黃土路基分布段落的高等級公路建設工程也愈發常見。黃土屬于典型的第四紀沉積物，在半干旱或干旱氣候作用下逐漸演變而成[1]。黃土的動力易損及水敏特性明顯，具備特殊的力學和結構特征，在車輛荷載及干濕循環綜合作用下易出現失穩現象，從而引發營運公路路面開裂及路基沉降變形等病害問題，嚴重影響公路通行安全性，甚至有可能造成駕乘人員傷亡，造成經濟損失并導致不良社會影響。

已有研究成果及工程應用經驗表明，對不良路基土質進行針對性改良處治能夠高效解決路基土的沉降及變形問題，從而增強路基穩定性。熱力發電站在生產過程中產生的粉煤灰固態廢棄物，有較強的吸水能力和吸附活性，現作為改性材料廣泛投入房建、公路、鐵路等基層改良工程中，可以實現廢棄物再生利用，從而降低環境污染，同時節約經濟成本。21世紀初，陳存禮等[2]嘗試在黃土中摻配粉煤灰、石灰以及水泥等改良材料，控制其摻配比例并研究對改良后路基土力學性能的影響規律，在得出規律性結論的同時推薦了黃土摻配改良方案；張向東等[3]在路基素土中摻配不同比例二灰改良材料制備二灰改良土試樣，與素土進行對比，開展動力特性試驗，結合經濟性準則確定了合理的配合比方案，認為二灰摻配比例應控制在40%以下；祝艷波等[4]通過室內試驗，利用粉煤灰、石灰以及水泥等改良材料對高速公路泥巖路基土開展改良試驗，通過水土特性試驗和微觀結構觀測試驗對改良后土體的力學特性和改良原理進行分析，發現改良后泥巖路基土的強度、水穩定性和耐崩解性能顯著提升，并推薦了11%以上的粉煤灰摻配比例；王峻等[5]利用粉煤灰改良黃土路基動力特性，研究其摻配比例對改良土阻尼比、動彈性模量及動本構關系的影響規律，并推薦了15%～20%的摻配比例。

西部地區降雨較少，屬干旱地區，氣候周期性變化規律明顯，在雨季降雨及蒸發干濕循環作用下，路基土體在非飽和及飽和狀態間交替變化，多次干濕循環作用會逐漸改變土體結構特征，進而導致路基土強度和穩定性發生變化，最終出現路基和路面病害。對此，也有專家學者對路基改良土體在干濕循環作用下的變化規律展開研究。其中，多項研究[6-7]針對黃土土水特征曲線變化規律進行探討，通過控制干濕循環作用及初始干密度指標，應用數學模型對試驗數據進行擬合，提出了黃土在干濕循環作用下的滯回性規律；劉文化和涂義亮等[8-9]對粉質黏土在干濕循環作用下的變形及強度變化規律展開研究，發現粉質黏土粘聚力及強度均隨干濕循環作用次數增加而迅速下降，認為裂隙發展是其劣化的主要原因。

總體來說，現有針對粉煤灰改良黃土路基的研究，多以靜力學研究為主，動力學相關研究則主要集中在膨脹土體及粉質黏土方面[10-12]，尤其是涉及干濕循環作用下的動強度分析研究還較為薄弱。本文依托貴州省烏當至長順高速公路建設項目，針對黃土路基段土質改良方案展開探究。在原路基黃土素土內摻配一定比例的粉煤灰，以靜壓方案制備不同粉煤灰摻配比例的改良黃土試件，在室內模擬多種干濕循環作用條件并開展三軸試驗，以此分析粉煤灰改良黃土路基在干濕循環作用下的動強度及動殘余變形演變規律，獲取模擬干濕循環作用次數、粉煤灰摻配比例及循環剪切次數等指標的影響，最后推薦粉煤灰改良黃土路基方案的合理粉煤灰摻配比例。

1 工程背景

貴州烏當至長順高速公路總建設長度為128.82 km，其中，本研究項目TJ-8標段(K112+300～K129+820)線路總長為17.52 km。該路線途經羊昌(平壩)，止于長順縣廣順鎮的曹擺，與花安高速公路交叉并順接在建的貴安支線。K124+200～K129+820段為黃土分布區域，擬采用摻配粉煤灰方案進行路基土質改良。

2 原材料及試驗方案

2.1 原材料檢測及試件制備

試驗所用路基原狀素土取自黃土分布段工程現場，取土深度擬定為5.0 m，判斷其屬于Q3黃土。對取樣的素土進行室內土工試驗檢測，檢測結果如表1所示。

粉煤灰取自國家電網當地某熱電公司，對其進行化學成分檢測，檢測結果如表2所示。

表1 土樣土工試驗檢測結果表

表2 粉煤灰化學成分檢測結果表

通過橡皮錘將取樣的原狀素土碾碎，將碾碎后的土體用2 mm方孔篩過篩，將其置于105.0 ℃的烘箱中烘干。同樣，粉煤灰也進行烘干處理備用。粉煤灰的摻配比例指的是摻配的粉煤灰質量與黃土素土質量間的比例，并將其換算為百分數。本文在試驗中擬定的粉煤灰摻配比例范圍為0%～30%，步長為5%，共7組試件，其中0粉煤灰摻配比例指的是未摻加粉煤灰的黃土素土。

為了確保粉煤灰與黃土間能夠充分拌和均勻以有針對性地進行性能對比分析，稱取經計算得到質量精確的烘干粉煤灰和烘干黃土，將二者充分干拌，隨后按照黃土素土測得的16.7%最佳含水率，計算所得試件加水量，均勻灑水后將其再次充分攪拌，填入薄膜袋中并置于密封設備中靜置48 h。按照黃土素土測得的1.72 g/cm3最大干密度依照兩段靜壓方案重塑，選取0.94的壓實系數。至此，各組粉煤灰改良黃土試件制備完成，將其置于恒定溫濕環境中養護28 d進行后續試驗。

2.2 干濕循環作用模擬方案

開展粉煤灰改良黃土的室內模擬干濕循環作用試驗，將改良土的干濕循環次數擬定為0～5次。干濕循環的基本原理是將養護完成后的改良土試樣先進行飽和處理后再進行干燥處理，其中以抽真空方案實現改良土試樣的飽和處理，將其飽和處理完成后，在常溫環境下置于室內通風處自然干燥。為確保粉煤灰改良黃土試樣在各環節中的含水率能得到嚴格控制，應采用稱重方案進行含水量控制。此外，除含水量必須符合預期要求外，水分在粉煤灰改良黃土試樣中的均勻性也至關重要，因此待試樣自然干燥至初始含水率對應的重量后，還應將其密封24 h以確保水分可均勻分散于試樣中。

2.3 動三軸試驗方案

選用DYNTTS伺服電機動三軸試驗一體化系統，針對不同粉煤灰摻配比例的改良黃土試件分別進行動三軸試驗，基于此分析粉煤灰改良黃土路基在干濕循環作用下動強度及動殘余變形演變規律，獲取模擬干濕循環作用次數、粉煤灰摻配比例及循環剪切次數等指標對其的影響。

嚴格遵照《土工試驗方法標準》(GT/T50123-2019)的相關要求開展試驗，將各組粉煤灰改良黃土試樣制備成圓柱體試件，其高度為100 mm，底面圓形直徑為50 mm。試驗分為兩個步驟，分別為固結環節和循環環節。試驗過程中的軸向固結壓力均確定為200 kPa，固結比Kc=0.4，以改良黃土試件的軸向變形量≤0.005 mm/min為固結穩定的標準，采用等幅正弦加載作為循環剪切加載方案，其加載頻率控制為1 Hz，循環剪切次數N分別取10、50、100、200次，施加多種動應力，其中最大動應力為110 kPa。對試驗過程中的動應力及動應變對應變化情況進行記錄并分析。

3 試驗數據分析

3.1 循環剪切次數對動應力-應變曲線的影響分析

根據上文動三軸試驗部分動應力范圍檢測數據，可以獲取各組粉煤灰改良黃土試件在4種循環剪切次數下的動應力-應變關系曲線，如圖1～4所示。

圖1 N為10次時的動應力-應變對比曲線圖

圖2 N為50次時的動應力-應變對比曲線圖

圖3 N為100次時的動應力-應變對比曲線圖

圖4 N為200次時的動應力-應變對比曲線圖

從圖1～4可以發現，在同等循環剪切次數條件下，動應力水平對不同粉煤灰摻配比例改良黃土試件的動應變差異情況有著顯著的影響。在動應力水平較低時(動應力為10 kPa及30 kPa)，各組試件的動應變值基本呈線形增長趨勢，而隨著動應力水平的提升，動應變與動應力間的非線性程度顯著提升，曲線斜率逐漸增大。

在同等循環剪切次數條件下，粉煤灰摻配比例差異帶來了動應變值的差別。同等動應力條件下，粉煤灰摻配比例越大，對應試件的動應變值越低，且這一動應變差異隨動應力的增長越加明顯，即當改良土中粉煤灰摻配比例為30%時，試件產生的動應變最低。

分析循環剪切次數對粉煤灰改良黃土試件的動應力-應變曲線影響規律發現，隨著循環剪切次數的提升，同等動應力條件下，各組試件的動應變值整體呈上升趨勢，同時動應變與動應力間的非線性程度也隨之提升。在循環剪切次數條件較低時(循環剪切次數為10次)，動應變與動應力間的非線性程度相對較低，即曲線斜率相對平緩，而當循環剪切次數增長后，動應力-應變非線性程度則有了顯著增長。

3.2 粉煤灰摻配比例對動強度的影響分析

在上文試驗條件下，粉煤灰改良黃土試件的動強度可定義為某循環剪切次數條件下導致某一動應變所需的臨界動應力值?？紤]到工程應用中一般取0.3%作為填筑路基的變形允許值，因此在本研究中將動殘余變形(即動應變)為0.3%時對應的臨界動應力作為粉煤灰改良黃土試件的動強度取值，即在動應力-應變曲線上找到0.3%動應變對應的動應力值。將不同循環剪切次數下不同粉煤灰摻配比例的改良黃土試件動應力數據匯總如圖5所示。

圖5 不同改良黃土試件臨界動應力對比柱狀圖

從圖5可以發現，在同等粉煤灰摻配比例條件下，各組粉煤灰改良黃土試件對應的動強度(即臨界動應力)隨循環剪切次數的提升而呈負相關趨勢，其降低速率逐步變緩呈平穩態勢，從最初的8%～10%降低至2%，即粉煤灰摻配比例引起的改良黃土路基的動強度差異隨循環剪切次數增加而逐步縮小。

當循環剪切次數較低(循環剪切次數為10次及50次)時，改良黃土試件的動強度隨粉煤灰摻配比例的提升呈現出波動上升的趨勢；而當循環剪切次數較高(循環剪切次數為100次及200次)時，改良黃土試件的動強度隨粉煤灰摻配比例的提升呈現出明顯的正相關的趨勢。當改良黃土路基在粉煤灰摻配比例為30%時，試件動強度和動殘余變形分別處于最大峰值和最小峰值。

3.3 干濕循環作用次數對動強度的影響分析

當粉煤灰摻配比例為25%～30%時,改良土體抗變形能力較好，可達到動力穩定狀態。為進一步分析干濕循環作用對其動強度的影響規律，針對不同模擬干濕循環作用次數及循環剪切次數下改良黃土試件動強度變化趨勢進行研究。此處選擇25%粉煤灰摻配比例的試件組展開討論，檢測結果如下頁圖6所示。

圖6 動強度隨干濕循環作用變化曲線圖

由圖6可知，相較于未進行干濕循環作用的試件組，經過模擬干濕循環作用后，各組改良黃土試件的動強度迅速下降。隨著干濕循環作用次數提升至5次，粉煤灰改良黃土試件動強度先降后升。

為對該現象產生原理進行探究，通過SEM觀測試件的微觀圖像。干濕循環作用0、2、5次對應的改良黃土試件微觀圖像分別如圖7～9所示。由圖7～9可以發現，干濕循環作用0次的改良黃土顆粒間的空隙較為豐富；在干濕循環作用兩次后，黃土中起到粘結作用的易溶鹽隨干濕循環作用析出，土體顆粒內部的接觸方式發生變化，受力結構被破壞，微裂隙快速發展，因此其動強度迅速降低；而在干濕循環作用5次后，易溶鹽成分已逐漸處于穩定狀態，新的受力結構框架已經形成，顆粒間擠壓作用達到新的平衡，此外微裂隙也在干濕重復作用下被逐步填充起來，這導致了其動強度相較于干濕循環作用兩次時有所提升。

圖7 干濕循環0次土樣 微觀示例圖

圖8 干濕循環兩次土樣 微觀示例圖

圖9 干濕循環5次土樣微觀示例圖

4 結語

本文依托貴州省烏當至長順高速公路建設項目，針對黃土路基段土質改良方案展開探究。在原路基黃土素土內摻配一定比例粉煤灰，以靜壓方案制備不同粉煤灰摻配比例的改良黃土試件，在室內模擬多種干濕循環作用條件開展三軸試驗，并基于此分析粉煤灰改良黃土路基在干濕循環作用下動強度及動殘余變形演變規律，獲取模擬干濕循環作用次數、粉煤灰摻配比例及循環剪切次數等指標的影響；推薦粉煤灰改良黃土路基方案的合理粉煤灰摻配比例。本文研究成果可為黃土路基改良工程提供一定的數據參考，得出以下主要結論。

(1)粉煤灰改良劑的摻配可有效增強黃土路基的動強度指標，并限制其動殘余變形的發展。

(2)改良黃土路基在粉煤灰摻配比例為30%時的動強度和動殘余變形分別處于最大峰值和最小峰值。

(3)室內模擬干濕循環作用會顯著降低各組改良黃土試件的動強度，引起動殘余變形的提升，在兩次模擬干濕循環作用后逐漸穩定。

(4)應用中考慮車輛荷載及干濕循環，推薦粉煤灰摻配比例為25%～30%。