干濕循環對橡膠顆粒穩定輕質土的單軸抗壓特性研究①

冀 皓, 李明東,*, 鄒白濤, 李魯鑫, 楊 庚

(1.東華理工大學土木與建筑工程學院,江西 南昌 330013;2.寧夏送變電工程有限公司,寧夏 銀川 750003)

0 引 言

公路結構破壞的因素除荷載作用之外,還包含環境影響以及環境與荷載的共同作用。路基填料在受到環境因素影響時,易發生路面塌陷、滑坡等水損害問題,導致公路使用壽命縮短,降低其社會服務水平。為此,眾多專家學者通過大量試驗,對素土[1-2]、水泥改良土[3]及輕質土[4-5]等多種路基填料的性能進行了系統的分析,得出了寶貴的結論。

輕質土作為一種新型土工材料,具有輕質高強的特點,在路基工程領域具有廣泛的應用背景,國內外學者對其各項性質進行了大量的研究工作。彭遠勝等[6]通過試驗研究發現,鋁土尾礦泡沫輕質土的無側限抗壓強度隨著鋁土尾礦泥摻量的增加呈指數型減小,在單軸受壓破壞之后存在應變軟化和應變硬化行為,具備良好的緩沖性能。茍樂宇等[7]利用天然生長的真菌對輕質土進行改良,發現其表現出較好的韌性,峰值強度與殘余強度的比值穩定。WEI H等[8]研究表明,添加粉煤灰和橡膠粉增強了輕質土的骨架,提高了土的黏聚力。橡膠顆粒穩定輕質土是由橡膠顆粒、水泥和工程棄土制成的輕質土,它既能提高廢棄輪胎的資源化循環利用,又能充分發揮橡膠顆粒的穩定性,特別可以適用于路基填土中。為將橡膠顆粒穩定輕質土應用于實際工程領域中,試驗研究了其在干濕循環作用下的應力-應變曲線性態和單軸抗壓強度衰減規律,揭示了橡膠顆粒穩定輕質土在干濕循環作用下的劣化機理,為進一步研究其在路基填筑領域的應用提供了依據。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

試驗用土為南昌市紅黏土。取土后,按照《土工試驗方法標準》[9](GB/T 50123-2019)測定紅黏土的基本物理指標,結果如表1所示。顆粒分布曲線如圖1所示,不均勻系數cu為5.01189>5,曲率系數cc為0.794,塑性指數為18.16,為級配不連續不均勻的低液限黏土。

試驗所用的橡膠顆粒粒徑小于2mm,呈顆粒狀,輪胎顆粒的堆積密度采用比重瓶法測定,比重為1.34。

圖1 紅黏土和橡膠顆粒的顆粒分析曲線

1.2 干濕循環試驗方法

試樣制備后放入恒溫養護箱,養護至規定齡期(28d),養護完成后,以24h為一個循環周期,將養護好的試樣放進烘箱內,在60℃下烘烤12h,冷卻至室溫,再將試樣放入20±5℃水中吸水,時長為12h,每隔兩小時記錄一次質量,待質量與初次養護完成時質量相同視作一次循環完成,如圖2所示。分別在循環次數N=0,1,3,5,10時,測定試樣無側限抗壓強度,并選取經歷十次循環的試樣測取干濕循環下的試樣質量,查看質量變化規律,分析隨干濕循環次數的增加,試樣力學性能的變化。當試樣平均損失率大于5%時或達到10次循環即停止干濕循環試驗[10]。

2 結果與分析

2.1 干濕循環次數對應力-應變關系曲線的影響

橡膠顆粒穩定輕質土在單軸壓縮試驗中表現出的應力-應變關系是其最基本的力學性質之一,是研究其強度、變形、裂縫開展的依據。圖2是橡膠顆粒穩定輕質土在不同干濕循環次數(N=0,1,3,5,10)下的應力-應變曲線。

干濕循環會降低橡膠顆粒穩定輕質土的剛度,如圖2(a)所示,隨著循環次數的增加,應力-應變曲線斜率和強度峰值相應減小。在同一應力條件下,隨著循環次數的增加,其應變也在增大。說明干濕循環過程中,橡膠顆粒穩定輕質土的土體結構產生變化,土顆粒與橡膠顆粒之間孔隙增大,土體結構松散,導致破壞時應變增大。

圖3為不同橡膠顆粒摻量下彈性模量變化的擬合曲線。橡膠顆粒含量小于20%時,隨著循環次數的增多,橡膠顆粒穩定輕質土的彈性模量及無側限抗壓強度在逐漸降低;橡膠顆粒含量大于30%時,隨循環次數的增大,輕質土的彈性模量變化不明顯。這是由于在橡膠顆粒含量較少時,試樣中黏性土的含量較大,經過多次的干濕循環,試樣內部裂隙得到發展,強度明顯變低,更易發生破壞;橡膠顆粒含量較多時,試樣中橡膠顆粒與土顆粒之間的聯接較為復雜,經過多次干濕循環后,土樣的應力-應變關系變化趨于穩定。

圖3 不同橡膠顆粒摻量下彈性模量變化的擬合曲線

橡膠顆粒穩定輕質土的無側限壓縮變形可分為三個階段:(1)壓密階段。該階段應變增長較快,但應力增長較為緩慢,土體內部孔隙被壓縮,隨循環次數的增多,該階段更為明顯;(2)彈性變形階段。在此階段,隨著應變的增加,應力近似呈直線增漲,且在直線末端接近應力峰值,這一階段的應力-應變關系符合線彈性特征;(3)應變軟化階段。該階段應變增長較快,應力在達到峰值之后逐漸下降,此時試樣已經達到破壞狀態。

2.2 干濕循環次數對無側限抗壓強度的影響規律

圖4為干濕循環下橡膠顆粒穩定輕質土抗壓強度的變化曲線。由圖可知,無側限抗壓強度在干濕循環作用下衰減,強度降低主要發生在前三次循環,橡膠顆粒含量較小時降低更為明顯。無側限抗壓強度隨干濕循環次數的增加,總體呈現先減小后趨于平緩的規律,這是由于養護完成后的試樣內部存在一定的孔隙,在干濕循環過程中橡膠顆粒穩定輕質土不斷吸水-失水,試樣內部呈現不均勻特性,內部孔隙聯通,試樣會產生由外到內的收縮,導致產生細微裂縫,降低橡膠顆粒穩定輕質土的抗壓強度。在達到一定的循環次數后,土體內較為脆弱的結構已完全破壞,此時試樣強度主要由內部的穩定結構提供。經過十次干濕循環,橡膠顆粒穩定輕質土的無側限抗壓強度損失率為:51.33%,37.93%,46.42%,34.01%,36.17%,26.62%,由此可知,干濕循環對橡膠顆粒穩定輕質土的抗壓特性影響較大。

圖4 干濕循環下橡膠顆粒穩定輕質土無側限抗壓強度的變化情況

3 強度預測模型

眾多學者[11-12]在輕質土的強度預測方面進行了研究,并得出各種強度預測公式,不過其原理大致相似。試驗中橡膠顆粒穩定輕質土強度主要是受干濕循環作用下土體孔隙變化、橡膠顆粒摻量影響,基于試驗研究結果,建立強度預測模型。

由圖4可知,干濕循環作用下橡膠顆粒穩定輕質土無側限抗壓強度符合指數遞減形式,可用指數函數進行擬合,擬合參數如表2所示,R2均大于0.85,擬合效果較好。由此可得出干濕循環無側限抗壓強度RCG與干濕循環次數N之間的關系如式(1)。

(1)

式(1)中:A1,B1,C1均為每個橡膠顆粒含量下的擬合值,且A1+C1=RCG0,如表4.1所示;RCG0為0次干濕循環時的無側限抗壓強度值。

表2 干濕循環下橡膠顆粒穩定輕質土抗壓強度的擬合結果

橡膠顆粒摻量為0%時強度預測模型擬合數據與實際試驗數據對比分析結果如表3所示。分析各摻量下預測誤差可以發現,橡膠顆粒摻量小于40%時,誤差整體小于5%;橡膠顆粒摻量為50%時,擬合值較大導致模型預測存在偏差。

表3 橡膠顆粒0%摻量下無側限抗壓強預測模型誤差分析度

4 結 論

試驗通過對經歷干濕作用后的試樣進行無側限抗壓強度試驗,分析了干濕循環對試樣無側限單軸抗壓變形特性和強度特性的影響,探明了各指標與干濕循環、橡膠顆粒含量之間的關系,主要結論如下:

(1)橡膠顆粒穩定輕質土的應力-應變曲線為軟化型,可以被概括為壓密、彈性變形、應變軟化3個特征階段。

(2)橡膠顆粒穩定輕質土中,橡膠顆粒與土顆粒之間聯接不夠緊密,干濕循環會導致顆粒間孔隙增大、土體結構松散,降低橡膠顆粒穩定輕質土的剛度,隨著循環次數的增加,應力-應變曲線斜率和強度峰值相應減小,試樣的無側限抗壓強度損失率最大可達51.33%。

(3)橡膠顆粒含量小于20%時,隨著干濕循環次數的增多,橡膠顆粒穩定輕質土的彈性模量呈線性減小;橡膠顆粒含量大于30%時,土樣的彈性模量受循環次數影響的變化較小。添加橡膠顆粒對輕質土的水穩系數有一定的提升作用,但隨著橡膠顆粒摻量的增加,會導致試樣內部氣體含量增加,強度損失率曲線呈線性增漲。

(4)基于試驗數據建立了橡膠顆粒穩定輕質土的干濕循環強度預測模型,及其橡膠顆粒摻量強度預測模型,可以對不同摻量橡膠顆粒穩定輕質土在干濕循環作用下的無側限抗壓強度進行準確預測。