干濕循環對路基改良土加州承載比與回彈模量的研究

崔宏環，朱超杰，張立群，胡淑旗

(1.河北省土木工程診斷、改造與抗災實驗室，河北 張家口 075000；2.河北建筑工程學院 土木工程學院，河北 張家口 075000)

0 引言

公路路基的強度和耐久性是保證公路正常使用的重要參數，許多專家學者結合公路實際運營條件、水文地質特征以及病害防治措施開展了大量試驗，從素土[1]到石灰改良土[2]再到水泥改良土[3-4]對多種路基填料的路用性能進行了系統的分析，得出了寶貴的結論。公路運營過程中會經歷不同氣候環境的影響，服役過程中的高速公路水損破壞約占在役公路破壞形式的50%[5-7]。潘宇雄等[8]、鄧爽[9]分析了不同干濕循環路徑、干濕溫度條件下加州承載比(California Bearing Ratio，CBR)值及其他指標的變化規律；付星[10]研究了木質素改良土在干濕循環作用下的變化規律；楊和平等[11]從試樣膨脹率、內摩擦角和黏聚力方面入手分析了抗剪強度衰減的原因；阮艷彬等[12]模擬施工至服役過程中含水率的變化，分析了回彈模量的變化規律。

回彈模量和CBR值是路基填料的2個重要指標，分別反映了土基彈性變形階段內抵抗豎向變形及塑性變形的能力，二者均能反映土樣的剛度。諸多專家學者在研究中發現素土的回彈模量與CBR值(公式中用CBR表示)滿足E=aCBRb(E為回彈模量 ；a為系數 ；CBR為加州承載比；b為系數 )[13-17]的函數關系，但是這些成果是建立在素土或者改良后的土樣之上，對于改良土模擬服役過程中二者之間關系的相關研究成果較少。

試樣經歷外界條件損傷過程中的宏觀表現為各力學指標的衰減，不能很好地表述試樣內部的變化過程，因此宏觀與微觀相結合的方法描述損傷相對更加客觀。方晟等[18]、高曙光等[19]和張文豪等[20]通過微觀研究得出粉煤灰、水泥以及水玻璃等改良土骨架特征的變化過程，隨著改良劑產生凝膠使得土體顆粒的連接排列方式逐漸變為空間網狀結構，形成穩定的網狀骨架結構，從而增加了土體的整體性，有效地提高土樣的水穩定性。前人采用微觀與宏觀相結合的方法對土樣顆粒形態進行分析，而定量化描述微觀變化的研究相對較少。由于回彈模量反映的是試樣的剛度，與骨架有著很大的關系，因此采用骨架面積的變化進行相關分析可行性較高。

綜上所述，本研究結合冀北地區路基土的結構與環境特性，開展室內試驗，模擬水泥改良土在服役過程中的環境變化，分析干濕循環作用下改良土各項指標的變化規律以探尋運營階段路基改良土CBR與回彈模量之間的關系，采用宏觀力學指標與微觀試驗相結合的方法，以土顆粒在干濕循環過程中骨架面積的變化進行定量化分析干濕循環作用下改良土的損傷機理。為高質量路基工程建設提出相應防控技術建議。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選用河北金隅水泥P.O42.5普通硅酸鹽水泥為改良劑，試驗用水為張家口市自來水，土樣取自張家口市某工程現場，通過室內基礎試驗分析，得出該土樣為粉質黏土，物理技術指標見表 1。

表1 試驗土體基本物理指標

圖1為改良土擊實曲線，由圖1可以看出，水泥改良土改良后，隨著水泥摻量的增加，最佳含水率均有所升高，最大干密度開始降低。且隨水泥摻量的增加最佳含水率呈上升趨勢，最大干密度呈下降趨勢，究其原因是水泥與水和土顆粒發生化學反應較快，使得土顆粒凝聚成為較大團狀體，影響壓實效果，從而導致最大干密度下降，最佳含水率升高。

圖 1 擊實曲線Fig.1 Compaction curve

1.2 試驗方案

本試驗按照GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》及JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》進行實施，試驗方案見表2。將現場取回的土樣晾曬、碾壓和過20 mm篩，篩除大顆粒土樣及石子等雜物，放置烘箱中干燥24 h。按照各水泥改良土的最優含水率制備98 擊的CBR試樣及95%壓實度100 mm ×100 mm圓柱體試件，以備進行無側限抗壓及回彈模量試驗，養護齡期分別設定為7、28、90 d，滿齡期后進行干濕循環及其他力學性能試驗。

干濕循環是一個多因素相互作用的復雜過程，循環次數、循環幅度、含水率和裂隙等各因素對其力學性狀都具有顯著影響[21]，為模擬最不利影響，干濕循環采用先濕后干的方法[22]，增濕過程中每隔2 h稱量1次試樣的質量，當試樣質量不再發生變化達到自然飽和時，即完成了一次增濕過程；脫濕在100 ℃±2 ℃的鼓風干燥箱內進行，采用同樣的方法，當試樣質量不再發生變化時認定完成了一次干燥過程，再次增濕時將試樣從干燥箱中取出冷卻至室溫后重復上述過程。

達到養護齡期后將CBR試樣取出，并將模具與試樣一起置于水槽中。0次干濕循環試樣直接浸水96 h后進行貫入試驗，其他試樣重復干濕循環過程，達到預定干濕循環次數后浸水96 h，然后進行室內CBR貫入試驗。分析其土質改良后的CBR值變化規律，結合工程實際情況，得到最優的改良配比。

試驗發現無側限抗壓與回彈模量試驗由于沒有模具的約束，在增濕過程中直接浸水試樣崩解，故利用毛細作用進行干濕循環。基于粉質黏土毛細水作用強烈的特征，干濕循環中的毛細作用可使試樣充分飽和，該方法可模擬干濕循環中的吸濕過程[20]。具體操作方法：將水池內鋪滿透水石，放上濾紙，然后將稱重后的試樣置于濾紙上。達到干濕循環次數后增濕12 h，然后進行室內抗壓及回彈試驗。 取無側限抗壓及回彈試驗結束后試樣中心附近的部分土體，置于卡爾蔡司光學顯微鏡下放大320倍觀察并提取圖像信息。試驗儀器及過程如圖2所示。

圖2 試驗儀器及過程Fig.2 Test equipment and process

表2 試驗方案

2 試驗現象與結果

2.1 干濕循環作用下物理力學指標的變化規律

圖3為素土CBR值隨干濕循環次數的變化規律，由圖 3可以看出，未經干濕循環的素土試樣CBR值均大于10%，能夠滿足公路工程中的使用要求。經歷第1次干濕循環后2種齡期的CBR值分別降低了59.0%、59.7%，隨著干濕循環次數的增加，CBR值逐漸降低，經歷第5次干濕循環時，7 d養護齡期試樣CBR值降低了75%，僅有2.84%(實際試驗所得)已不再滿足最低工程要求[21]，經歷11次干濕循環(干燥時)時2種齡期的試樣均發生崩解(不再滿足試驗條件，故15次干濕循環)，CBR值為0(圖3)。通過上述分析可以看出，干濕循環對試樣的損傷非常嚴重。在寒旱交替頻繁地區有必要考慮土樣的改良。

圖 3 素土CBR值隨干濕循環次數的變化規律Fig.3 The CBR value of plain soil changes with the number of drying-wetting cycles

圖4為7 d齡期水泥改良土干濕循環CBR值變化規律，由圖 4可以看出，7 d養護齡期的改良土試樣初始CBR值均較低，水泥摻量2%改良土試樣在第3次干濕循環后CBR值達到最大，為207%，隨著干濕循環次數的增加，CBR值逐漸降低并趨于穩定，在15次干濕循環時降至最低，為105.28%。6%、8%摻量的水泥改良土在前5次干濕循環中CBR值持續增加，到第5次干濕循環時達到最大，分別為845%、971%，這是因為改良土水泥摻量較多，養護齡期較短，隨著干濕循環次數的增加，水化反應持續進行，試樣內部水化修復作用修復了干濕循環所造成的損傷，因此CBR值逐漸增加。 5次干濕循環后水泥的水化作用逐漸降低，不足以修復干濕循環所造成的損傷，所以5次干濕循環后CBR值呈現降低趨勢。

圖4 7 d齡期水泥改良土隨干濕循環次數的CBR值變化規律Fig.4 Change rule of CBR value of cement-modified soil with the number of drying-wetting cycles at 7 d age

圖5為28 d齡期水泥改良土隨干濕循環CBR值變化規律，由圖5可以看出，在干濕循環作用下2%、4%水泥摻量改良土CBR值經歷第3次干濕循環時達到峰值，比大水泥摻量改良土較早出現，2%水泥摻量改良土經歷12次濕循環后試樣崩解。6%、8%水泥摻量改良土CBR值先增大后減小，經歷第9次干濕循環后CBR值開始降低，這與前人的研究一致[22]，即28 d養護齡期水泥土仍留有較小部分水泥會在干濕循環過程中繼續發生水化作用。

圖5 28 d齡期水泥改良土隨干濕循環次數的CBR值變化規律Fig.5 Change rule of CBR value of cement-modified soil with the number of drying-wetting cycles at 28 d age

圖6為28 d齡期水泥改良土隨干濕循環回彈模量變化規律，由圖6可以看出，回彈模量隨干濕循環次數的增加而增加，經歷第9次干濕循環時回彈模量達到最大，隨后降低。4%水泥摻量改良土在經歷前2次干濕循環后趨于穩定，反復的干濕循環使得未被凝結硬化的細顆粒土隨滲流水發生搬運遷移，局部級配發生變化，試樣整體強度下降，與粗粒土經干濕循環后的變化較為相似[23]。

圖6 28 d齡期水泥改良土隨干濕循環次數的回彈模量變化規律Fig.6 Change rule of springback modulus of cement-modified soil with the number of drying-wetting cycles at 28 d age

圖7為28 d齡期水泥改良土隨干濕循環無側限抗壓強度變化規律，由圖7可以看出，28 d養護齡期4%水泥摻量的改良土隨干濕循環次數的增加強度先增大后降低，在第3次干濕循環時達到峰值，為1.38 MPa，隨后遞減，在15次干濕循環時降至最低，為0.59 MPa。6%、8%水泥摻量的改良土無側限抗壓強度先增加后降低，第9次干濕循環時達到峰值并隨后降低。

圖7 28 d齡期水泥改良土隨干濕循環次數的無側限抗壓強度變化規律Fig.7 Change rule of unconfined compressive strength of cement-modified soil with the number of drying-wetting cycles at 28 d age

機理解釋：水泥摻量越高，各強度指標峰值出現越遲，這是因為較高水泥摻量改良土的凝結硬化持續時間較長，峰值前，水泥水化反應可以不斷地修復試樣內部損傷，實現強度的長期增長，而較低水泥摻量改良土在經過一定時間后水泥水化所需的水泥量已經消耗完畢，不能進行水化修復試樣內部所產生的損傷。因此各項指標隨干濕循環先增加后降低，這與前人的研究一致[22]，即28 d養護齡期水泥土仍留有較小部分水泥會在干濕循環過程中繼續發生水化作用。

圖8為28 d回彈模量與CBR對比圖，其中折線為CBR值隨干濕循環的變化規律，柱狀為回彈模量隨干濕循環的變化規律，通過對比發現 4%、6%、8%水泥摻量改良土的CBR值與回彈模量均隨著干濕循環次數的增加先增加后降低，變化趨勢較為相似，因此采用數理統計方法做進一步分析，通過公式(1)計算皮爾遜積矩相關系數發現，3種工況下皮爾遜系數值分別為0.828、0.897、0.925，比較接近1，同時相伴概率Sig.(通過SPSS軟件模擬得出)分別小于0.021、0.008、0.004，均在0.05級別內，相關性顯著，說明二者具有很好的相關性，結果見表3。

(1)

表3 回彈模量與CBR之間皮爾遜積矩相關系數Tab.3 Pearson product moment correlation coefficient between springback modulus and CBR

圖8 28 d回彈模量與CBR對比Fig.8 Comparison of 28 d springback modulus and CBR

圖9為回彈模量與CBR回歸分析曲線，已有研究表明，回彈模量與CBR之間滿足的函數關系為E=a(CBR)b。通過分析圖9的CBR值與回彈模量的回歸曲線發現，回彈模量隨CBR值的增加而增加，經歷干濕循環的水泥改良土試樣仍然滿足上述函數關系，各參數見表3，圖9(a)—圖9(c)分別為不同水泥摻量下回彈模量與CBR值之間的關系曲線，陰影部分為95%置信區間。由圖9可以看出，干濕循環作用下4%水泥改良土決定系數(R2)稍低，為0.704，6%、8%水泥摻量改良土經歷干濕循環后R2均超過0.80，說明水泥改良土經歷干濕循環損傷后的試樣滿足上述函數關系，且水泥摻量6%與8%的改良土比4%改良土函數的適用性高。

2.2 電子顯微鏡微觀分析

通過Carl Zeiss光學顯微鏡進行微觀分析，制樣時取試樣破壞面附近的部分土體，置于光學顯微鏡下放大320倍進行觀察并提取圖像信息。采用imageplus 8.0進行圖像處理，如圖10所示。圖10中白色部分為試樣骨架，水泥改良土的初期強度主要靠水泥水化反應產生膠凝物質的吸附作用。這些水化產物，在土的空隙中相互交織搭接，將土顆粒包裹連接起來，使土喪失原有的塑性等性質，并且隨著水化產物的增加，混合料也逐漸堅固起來。

圖9 回彈模量與CBR回歸分析Fig.9 Regression analysis of springback modulus and CBR

圖10是28 d齡期干濕循環作用下試樣微觀原圖，圖11是28 d齡期干濕循環作用下試樣微觀變化規律。由圖11(a)—圖11(c)可以看出，水泥改良土經3次干濕循環后土顆粒比較松散，并伴有部分微小裂隙產生；當干濕循環次數達到第9次后，在水化作用下試樣內部骨架較為密實，顆粒排列定向性良好，整體呈現出網狀結構，試樣各項指標均較高。前期干濕循環中由于存在水化反應，所以試樣骨架面積增多，但骨架形狀多為顆粒狀，且在試樣表面可以看到很多較大的孔隙和裂隙，因此試樣的整體性遭受了一定的破壞。經歷15次干濕循環后的改良土試樣中未出現明顯裂縫，骨架以粒狀為主，顆粒之間的聯結減弱，形成松散的結構。在整個劣化過程中，前期骨架增多，占主導優勢，使得試樣強度一直增加，但是到了干濕循環后期，骨架基本不再增加，而試樣整體強度受裂紋影響為主，造成試樣以劣化為主要表現形式。因此隨著干濕循環次數的增加，水泥改良土的損傷在不斷地增加。

水泥改良土的強度與水泥的摻量有很大的關系，水泥摻量的增加必然使水化產物增加，產生更多的膠凝物質，增強吸附作用，由圖11(d)—圖11(i)可以看出，6%水泥摻量下的改良土土體單元排列緊密，定向性較好，骨架清晰可見，而8%水泥改良土更加密實，未出現明顯的顆粒狀骨架，但隨著干濕循環次數的增加，2種水泥改良土試樣均出現少量貫通縫，且骨架由大塊絮狀物轉變為顆粒狀，試樣各種性能均受到一定的影響。

由于回彈模量反映了改良土的剛度，而骨架是決定試樣變形的重要因素，因此將試樣的骨架面積與回彈模量進行對比，通過計算骨架面積的方法進行分析。圖12為28 d齡期干濕循環作用下試樣骨架面積關系圖，其中折線為回彈模量隨干濕循環的變化規律，柱狀為骨架面積隨干濕循環的變化規律，通過對比可以發現，二者均呈現先增加后降低的現象，骨架面積的變化趨勢與回彈模量的趨勢較為一致。采用上述數理統計方法進行分析，通過公式(1)計算皮爾遜積矩相關系數發現，3種工況下皮爾遜系數值分別為0.998、0.997、0.991，非常接近1，同時相伴概率Sig.(通過SPSS軟件模擬得出)分別小于0.05、0.05、0.09，說明二者具有很好的相關性，結果見表4。

圖13為骨架面積與回彈模量關系圖，圖像橫坐標表示骨架面積，縱坐標表示回彈模量，從而建立回歸曲線作進一步分析，分析發現骨架面積和回彈模量經過不同干濕循環劣化后，基本上分布在直線附近，說明二者具有較好的線性相關性，且滿足以下函數關系

E=aA+b。

(2)

式中：A為骨架面積；a、b分別為擬合參數。

擬合參數見下表5。

圖10 28 d齡期干濕循環作用下試樣微觀原圖(320倍原圖)Fig.10 The Microscopic original images under the action of drying-wetting cycles at 28 d age (320 times original image)

圖 11 28 d齡期干濕循環作用下試樣微觀變化規律(320倍處理后)Fig.11 The microscopic changes of samples under the action of drying-wetting cycles at 28 d age (320 times after treatment)

圖12 28 d齡期干濕循環作用下試樣骨架面積關系圖Fig.12 The relationship between the skeleton area of the sample under the action of drying-wetting cycles at 28 d age

表4 骨架面積與回彈模量的皮爾遜積矩相關系數Tab.4 Pearson product moment correlation coefficient of skeleton area and springback modulus

圖13 骨架面積與回彈模量關系圖Fig.13 The relationship between the skeleton area and the springback modulus

2.3 力學性能指標綜合分析及應用

圖14為7 d無側限抗壓強度與干濕循環之間的關系，由圖14可以看出，隨著干濕循環次數的增加，不同水泥摻量的改良土7 d無側限抗壓強度先增加后降低，在第9次干濕循環時達到最大，分別是0.91、3.14、3.47 MPa。4%水泥摻量的改良土無側限抗壓強度位于圖形的最低端，明顯低于6%、8%水泥摻量改良土，說明無側限抗壓強度受水泥摻量的影響較大。6%與8%水泥改良土的變化趨勢一致，無側限抗壓強度先增加后減小，在第9次干濕循環時達到峰值，說明隨著干濕次數的增加、時間的延長，干濕循環劣化占主導地位，但是水泥的水化作用對于強度的貢獻不會消失。

表5 擬合參數

圖14 7 d無側限抗壓強度與干濕循環次數之間的關系Fig 14 The relationship between 7 d unconfined compressive strength and the number of drying-wetting cycles

圖15為90 d回彈模量與干濕循環之間的關系曲線，由圖15可以看出，水泥摻量大的改良土經歷第1次干濕循環時回彈模量有較大降幅，第9次干濕循環后，回彈模量的降低速度有所減緩，說明前9次干濕循環對回彈模量的損失值較大，后幾次的干濕循環對試樣的損傷有所降低。而4%水泥改良土經歷3次干濕循環后逐漸趨于穩定，說明水泥摻量越大，試樣塑性越低，整體性越高，在經歷干濕循環過程中，對試樣的整體性破壞較大，回彈模量的降幅也較大；而水泥摻量較小的試樣整體性差，保留有部分塑性，因此在高溫收縮的過程中受到的損傷較小。但是大劑量水泥改良土經歷干濕損傷后彈性模量明顯要高于低劑量水泥改良土。

6%、8%水泥改良土干濕循環過程中7 d無側限抗壓強度在第1次干濕循環中出現的最低值分別為1.58、1.81 MPa，15次干濕循環時回彈模量出現的最低值分別為165、290 MPa，均滿足公路路基填筑要求。

圖15 90 d回彈模量與干濕循環次數之間的關系Fig.15 The relationship between the 90 d springback modulus and the number of drying-wetting cycles

目前CBR值在改良土中尚未有明確的規定，結合路基填料[24]、碎石材料[25]的填筑標準以及7 d無側限抗壓強度，90 d回彈模量綜合分析，建議水泥改良土7 d的CBR值以370%作為參考，28 d的CBR值以500%作為參考。 2%、4%、6%、8%水泥改良土均可作為路基填料，改良處置后的土樣各項指標遠大于素土，由于2%水泥改良土在干濕循環過程中完整性遭到破壞，6%水泥改良土的各項指標比4%水泥改良土有較大幅度的提高，因此，建議在多雨地區利用水泥改良土處置不良土樣時以6%水泥摻量作為參考。

3 結論

本研究利用水泥改良土模擬水汽交換下的力學試驗，得到經歷干濕循環后的回彈模量與CBR值指標的函數關系，參考現有標準對改良土7 d無側限抗壓強度以及90 d回彈模量對比分析，提出水泥改良土在經歷干濕循環以后CBR的參照基準，綜合分析得出以下結論。

(1)水泥改良土經歷干濕循環后的CBR值與回彈模量滿足E=a(CBR)b的函數關系，且6%與8%水泥摻量的改良土比4%水泥摻量的改良土滿足性更高。

(2)養護齡期較短的水泥改良土受干濕循環損傷作用不明顯，水泥改良土對早期外界帶來的損傷具有一定的修復作用。

(3)通過微觀與宏觀對比分析得出,28 d養護齡期的改良土試樣經干濕循環后骨架面積的變化趨勢與回彈模量較為一致，即隨著干濕循環次數的增加骨架面積先增大后減小，骨架排列方式也隨之改變。

(4)通過7 d無側限抗壓強度、90 d回彈模量及相關規范的綜合分析，建議水泥改良土7 d的CBR值以370%作為參考，28 d的CBR值以500%作為參考。6%水泥改良土的各項指標遠大于素土，建議在多雨地區使用水泥改良土處置不良土樣時，以6%水泥改良土作為參考。