潮濕路基水泥改良細粒土動態回彈模量試驗研究

黃崇偉，朱寶兵，章毅，孫瑜*，郭丹丹

（1.上海理工大學 交通運輸工程系，上海市 200093；2.浙江明德建設有限公司，浙江 杭州 311202；3.上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200125）

0 引言

路基土回彈模量MR是國內外路基設計的重要參數［1-2］，這一概念最初是在路基土與瀝青路面疲勞損壞關系的研究基礎上引入的，定義為瞬時動態脈沖荷載下動態偏應力與回彈或可恢復應變的比值［3-4］。隨著中國公路設計理念與方法的發展，近幾年的公路設計與運營實踐表明，動態回彈模量更能反映行車荷載對路基的作用［5］。因此，動態回彈模量已被規范“作為過渡”采用［6］。

已有研究表明：路基土動態回彈模量受多種因素的影響，如土的類型、含水率、壓實度、應力狀況等［4，7］。對于中國南方地區的潮濕路基而言，其動態回彈模量受這些因素的影響規律往往與一般路基存在差異，且在實際施工中發現潮濕路基土壓實困難，易出現“彈簧”現象。因此，需要對潮濕路基細粒土開展改良處置以滿足工程需要。目前，基于路基土無機結合料改良處置技術［8-9］，中國先后開展了“高等級公路潮濕路基綜合穩定技術”“過濕土加固處理技術”等研究。在各種無機結合料中，水泥水化產物強度較高、穩定性較好、適用性較強、施工較便捷，因此在實踐中得到廣泛應用。

綜上，面向設計與施工，對于潮濕路基水泥改良細粒土的研究值得進一步探索，其中潮濕路基水泥改良細粒土的動態回彈模量影響因素分析尤為關鍵。鑒于此，本文在現有研究的基礎上，選擇粉土、黏土和淤泥質土3 種典型的潮濕路基細粒土，基于水泥處置改良技術，通過室內動三軸試驗，探究含水率、壓實度、水泥摻量、養生齡期和應力狀態對潮濕路基細粒土動態回彈模量的影響，以期為今后潮濕細粒土路基設計與施工提供參考。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

3 種典型的潮濕路基細粒土樣本取自上海崇明生態大道新建公路路基，其物理力學性能指標如表1所示。

表1 3 種典型潮濕路基細粒土物理力學性能指標

試驗采用的水泥為42.5 號水泥，其技術性質如表2 所示。

表2 水泥技術性質

1.2 試驗方案

1.2.1 影響因素

水泥改良細粒土本質上為土體，其動態回彈模量會受土體本身材料性質和物理狀況（含水率和壓實度）的影響［10］。其次，由于它是水、土體、水泥3 種物質耦合的結構，其中水泥與水產生水化反應，生成水化產物并在土體中相互交織搭配，將土顆粒包覆起來，隨著時間的增加，水化產物也會增加，這種耦合結構逐漸堅固。因此，除了受含水率的影響，水泥改良細粒土還受到水泥摻量和養生齡期的影響。

此外，在路基動態回彈模量本構模型［11］中，NCHRP1-28A 模型對于動態模量的預測效果較好，且被《AASHTO 路面結構設計指南（2002 版）》所采用［12］，如式（1）所示。由此可知：應力狀態是影響路基土動態回彈模量的原因之一。

式中：MR為回彈模量；θ為體應力，θ=σ1+σ2+σ3，σ1、σ2、σ3為 主 應 力；τoct為 八 面 體 剪 應 力，τoct=；ki為 回 歸 常數，k1、k2≥0，k3≤0；pa為大氣壓力。

1.2.2 方案設計

（2）生產管控集成化，建立一體化集成化的全流程的數字化管理體系，并與智能硬件進行集成，實現產品生命周期管理（PLM）、企業資源計劃（ERP）、制造執行系統（MES）、供應鏈管理（SCM）和智能機器聯網等系統和硬件的數據集成和整合，達成快速響應市場的網絡化協同制造體系，實現在客戶定制化需求下達按需按時按量的規?；a。

依據既有研究提出的路基土室內試驗應力加載序列［13］，潮濕路基水泥改良細粒土動態回彈模量試驗選擇圍壓應力為15～60 kPa，以15 kPa 為間隔，循環偏應力為30 kPa、55 kPa、75 kPa 和105 kPa。根據3 種土樣物理力學性能測試結果，結合現有研究、現場施工需求和規范［6］要求，并考慮影響因素，上述3種典型土樣動態回彈模量試驗方案如表3 所示。

表3 3 種典型土樣動態回彈模量試驗方案

1.2.3 試件制備與測試

試驗采用直徑100 mm、高200 mm 的圓柱形試件。試件養護溫度為（20±2）℃，相對濕度90%以上。

采用動態三軸壓力室測試裝置進行測試，如圖1所示，測試條件及步驟均與《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）的要求一致，并在測試結束后按照規范規定計算動態回彈模量。

圖1 動態三軸試驗測試裝置

2 結果分析與討論

2.1 壓實度對動態回彈模量的影響

保持粉土和黏土含水率為13%、淤泥質土含水率為20%不變，分析不同水泥摻量的3 種土樣或改良土壓實度對其動態回彈模量的影響，結果如圖2所示。

圖2 不同水泥摻量改良細粒土的壓實度與動態回彈模量關系

由圖2 可知：不同水泥摻量下，壓實度的增大均能提高水泥改良土的動態回彈模量。對于素土（水泥摻量為0），隨著壓實度的增大，3 種土樣動態回彈模量的提升幅度分別為13.8%、20.2%和11.8%；然而，當3 種土樣摻入水泥進行改良時，當粉土和黏土的水泥摻量為3%或淤泥質土水泥摻量為10%時，其動態回彈模量隨壓實度增大的提升幅度反而分別只有9.0%、5.9%和4.5%，只有水泥摻量進一步增大后，其動態回彈模量隨壓實度增大的提升幅度才有所增大，且增大趨勢與水泥摻量的增加并非嚴格遞增關系。比如粉土，當水泥摻量從3%增至7%時，其動態回彈模量隨壓實度增大的提升幅度分別為9.0%、19.0%、24.3%、19.0%和28.0%，其增幅并非嚴格遞增。這是因為壓實度增大后，水泥改良土在荷載作用下的回彈變形減小，表現為模量增大。然而，水泥摻量較小時，水泥水化反應還不足以將土樣內部的水分消耗完全，殘余的水分應在養生過程中從水分蒸發通道里排出，但壓實度增大后，阻斷了一部分水分蒸發通道，因此較小水泥摻量的土樣動態回彈模量隨壓實度增大的提升幅度反而不及素土；當水泥摻量逐漸增大后，水泥水化反應消耗的水分更多，土樣內殘余的水分減少，對養生期間水分蒸發通道的需求降低，因此土樣動態回彈模量隨壓實度增大的提升幅度增大。此外，由于水分蒸發通道被阻斷的隨機性較大，所以該增幅并非嚴格遞增。

基于上述結果與分析，對于水泥改良土，當水泥摻量較小時，壓實度宜控制為95%，而水泥摻量較大時，壓實度宜控制為96%。

2.2 含水率對動態回彈模量的影響

保持壓實度為96%不變，分析不同水泥摻量的3種土樣或改良土含水率對其動態回彈模量的影響，結果如圖3 所示。

圖3 不同水泥摻量改良細粒土含水率與動態回彈模量關系

由圖3 可知：隨著含水率的增大，不同水泥摻量下水泥改良土的動態回彈模量均呈下降趨勢。對于素土，3 種土樣動態回彈模量的最大下降幅度（最大含水率與最小含水率相比）分別為28.0%、41.8%和37.7%；而水泥摻入后，其動態回彈模量隨含水率增加的最大下降幅度分別為21.8%、27.8%和28.1%，當粉土或黏土水泥摻量大于3%或淤泥質土水泥摻量大于10%時，就有較明顯幅度的下降。因此，3 種土樣中，不論是否摻加水泥，當含水率從最佳含水率附近值增大到一定程度（粉土、黏度為13%～18%，淤泥質土為20%～30%）時，粉土動態回彈模量隨含水率的總變化幅度略低于黏土和淤泥質土。

2.3 水泥摻量對動態回彈模量的影響

圖4 不同壓實度和含水率的改良土水泥摻量與動態回彈模量關系

由圖4 可知：對不同水泥改良土，隨水泥摻量的增加，其動態回彈模量均呈增大的趨勢，且在水泥摻量小于4%時，粉土和黏土的動態回彈模量增大趨勢較為顯著，在水泥摻量小于14%時，淤泥質土動態回彈模量增大趨勢較為顯著。對于粉土和黏土而言，當水泥摻量從0 增至4%時，在壓實度為95%和96%時粉土的動態回彈模量最大分別增大了73.3% 和94.7%，黏土的動態回彈模量最大分別增大了171.1% 和183.9%，而當水泥摻量從4% 繼續增至7%時，在壓實度為95%和96%時粉土的動態回彈模量最大分別只增大了9.0%和16.6%，黏土的動態回彈模量最大分別只增大了18.8%和12.0%。對于淤泥質土而言，當水泥摻量從0 增至14%時，在壓實度為95%和96%時其動態回彈模量最大分別增大了234.0%和282.3%，而當水泥摻量從14%繼續增至20%時，在壓實度為95%和96%時其動態回彈模量最大分別只增大了32.5%和18.5%。由此可見，對于3 種水泥改良土而言，水泥摻量均并非越大越好，摻加一定量的水泥即可使其動態回彈模量有顯著提升。

水泥改良土動態回彈模量隨水泥摻量變化的原因可能是水泥的水化反應對土體顆粒黏結性的影響。如前所述，水分會破壞素土本身顆粒的黏結性，而水泥的摻入使得水分會與其產生水化反應，消耗土體內部的水分。若水泥摻量恰好合適，土體內部的水分與水泥的水化反應充分，則會與土體共同形成抵抗回彈變形的能力，提高土體的回彈模量。若水泥摻量過少，土體內部的水分未被水泥消耗完全，土體內部殘余的水分仍會一定程度影響土顆粒的黏結性，土體回彈模量提升有限。若水泥摻量過大，水泥與土體內部水分發生反應后的水化物性能欠佳，其與土體共同抵抗回彈變形的能力受限，對土體本身回彈模量的進一步提升則不再有太大貢獻。

基于上述結果與分析，對于粉土和黏土，水泥摻量宜為4% 左右，而對于淤泥質土，水泥摻量宜為14%，且水泥摻量依據含水率的大小略微浮動。

2.4 養生齡期對動態回彈模量的影響

保持粉土和黏土含水率為13%、淤泥質土含水率為20%不變，分析不同水泥摻量的3 種土樣或改良土養生齡期對其動態回彈模量的影響，結果如圖5所示。

圖5 不同水泥摻量的改良土養生齡期與動態回彈模量關系

保持粉土和黏土水泥摻量為4%、淤泥質土水泥摻量為14%不變，分析不同含水率的3 種土樣養生齡期對其改良土的動態回彈模量的影響，結果如圖6所示。

由圖5、6 可知：對于素土，養生齡期從7 d 到28 d，3 種土樣動態回彈模量基本均無提升。這可能是因為，如土樣中不摻雜水泥，土樣的動態回彈模量已在養生初期的7 d 內完全形成。然而，當3 種土樣摻入水泥進行改良時，不論何種水泥摻量或含水率下，其動態回彈模量均隨養生齡期的增大而提高。這是因為，水泥水化作用，一般需28 d 完成，而在28 d 的養生過程中，水泥水化反應會持續發生。此外，不難發現，當養生齡期不斷增大，不論何種水泥摻量或含水率下，3 種改良土的動態回彈模量增幅均呈不斷減小的趨勢，這是因為，水泥水化程度會隨著養生齡期的增長而不斷減弱，在水泥水化過程后期，土樣抵抗回彈變形的能力已趨于穩定。

因此，不同水泥摻量或含水率下，對于3 種水泥改良土而言，均需在一定的養生齡期條件下，動態回彈模量才能達到一定值，但養生齡期并非越長越好，14 d 的養生齡期為宜。

2.5 應力狀態對動態回彈模量的影響

保持壓實度為96%，粉土和黏土含水率為13%、水泥摻量為4%；淤泥質土含水率為20%、水泥摻量為14%，分析不同應力狀態下3 種改良土的動態回彈模量變化，結果如圖7 所示。

由圖7 可知：3 種改良土的動態回彈模量均隨圍壓的增大而增大，隨循環偏應力的增大而減小，且動態回彈模量隨應力狀態變化的幅度并不小?？紤]到應力狀態對3 種改良土動態回彈模量的顯著影響，在動態回彈模量設計時，若受條件限制無法估算路基土的實際受力水平時，建議不宜取高值。

3 結論

（1）壓實度對潮濕路基水泥改良細粒土的動態回彈模量的影響不顯著。建議在現場施工時不宜通過提高壓實度的方式提高水泥改良土的強度。

（2）含水率對潮濕路基改良細粒土的動態回彈模量影響比較明顯，呈現出線性反比的現象，且只需較小摻量的水，改良土的動態回彈模量就有較明顯的下降幅度。

（3）水泥摻量對動態回彈模量的影響最大，但水泥摻量并非越大越好。對于粉土和黏土，水泥摻量宜為4%左右；對于淤泥質土，14%左右的水泥摻量為宜。

（4）潮濕路基水泥改良細粒土的動態回彈模量均隨養生齡期的增大而提高，且在7～14 d 的養生齡期內提高更明顯，而在14 d 養生后提高幅度不大，建議將14 d 作為水泥改良土的養生齡期。

（5）潮濕路基水泥改良細粒土的動態回彈模量隨循環偏應力的增大而減小?？紤]到應力狀態的顯著影響，在潮濕路基細粒土動態回彈模量設計時，建議取保守值。