压实红黏土的湿化变形试验研究_谈云志

第33卷第3期岩土工程学报Vol.33No.32011年.3月ChineseJournalofGeotechnicalEngineeringMar.2011压实红黏土的湿化变形试验研究谈云志1,2，孔令伟2，郭爱国2，万智3（1.三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北宜昌443002；2.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北武汉430071；3.湖南省交通科学研究院，湖南长沙410015）摘要：为模拟路基土体在湿化与交通荷载耦合作用下的变形规律，对传统湿化变形试验方法进行了改进，并研制出一套改进后的湿化变形试验装置。认为湿化变形是由基质吸力丧失而产生，由此推导出丧失基质吸力与湿化变形的定量关系。利用改进的装置研究了红黏土的湿化变形规律及其湿化变形模量。结果表明，红黏土的初始压实状态对其变形影响显著，变形过程可以分为启动、加速和稳定三个阶段。未湿化试样的变形主要发生在启动阶段，而湿化试样的变形则主要发生在加速阶段。关键词：红黏土；路基；湿化变形；湿化模量中图分类号：TU443文献标识码：A文章编号：1000–4548(2011)03–0483–07作者简介：谈云志(1979–)，男，湖北阳新人，讲师，从事非饱和土力学研究。E-mail:[e-mail]。ExperimentalstudyonwettingdeformationofcompactedlateriteTANYun-zhi1,2,KONGLing-wei2,GUOAi-guo2,WANZhi3(1.ThreeGorgesUniversityKeyLaboratoryofGeologicalHazardsinThreeGorgesReservoirArea,MinistryofEducation,Yichang443002,China;2.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,InstituteofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430071,China;3.HunanCommunicationsResearchInstitute,Changsha410015,China)Abstract:Inordertosimulatethesubgradedeformationcausedbythecouplingeffectofwettingandtrafficloads,thetraditionalwettingdeformationtestmethodisimproved,andasetofupgradedwetting-deformationequipmentsaredeveloped.Itisregardedthatthewettingdeformationisgeneratedbythelossofmatrixsuction,andaconstitutiverelationshipbetweenlostmatricsuctionandwettingdeformationdeduced.Finally,thewetting-deformationregularityandmodulusarestudiedbyusingtheimproveddevice.Theresultsshowthattheinitialcompactionstateoflateritehassignificanteffectonthedeformation,andtheprocesscanbedividedintothreestages:initiation,accelerationandstabilityones.Deformationofthespecimenwithoutwettingmainlyoccursattheinitiationstage,whilethewettingdeformationofthespecimenmainlyoccursattheaccelerationstage.Keywords:laterite;subgrade;wettingdeformation;wettingmodulus0引言红黏土是一种水敏性很强的特殊土，其强度与水分之间关系非常密切。红黏土路基地处地球表面，其水分强烈地受大气与地下水的变化影响。特别是在与交通荷载甚至是超重车载的耦合作用下，路基土体的力学性能发生剧烈的衰减，且衰变规律非常复杂。主要表现为：①在湿热耦合作用下水分迁移进入路基内部，弱化路基填料性能从而产生显著的压缩蠕变，随时间增加，引起路堤超量下沉，以及在路堤不均匀荷载作用下产生不均匀变形；②路肩和路基边坡因蒸发效应而开裂，又因降雨而泥化，甚至遇到极端冰雪天气还会出现冻融，因反复的循环作用，其抵抗外部营力的能力急剧衰减，从而出现路基边坡浅层的滑塌。路基土体的变形主要包括两部分：①压缩变形，土体在某一荷载作用下产生的变形称为压缩变形，主要由土体自重应力和行车荷载等产生的附加应力引起；②增湿变形是指压缩变形稳定后，由于含水率增加而发生的附加变形。路基正常营运过程中，压缩变形一般会趋向稳定状态。处于地表的路基因受季节性的气候反复作用，增湿变形将不断累积。因此，路基土体的后期沉降主要取决于由于含水率变化所产生的───────基金项目：国家自然科学基金项目（51009084)；交通部西部交通建设科技项目（200631878530）；中国科学院知识创新工程重要方向项目（kzcx2-yw-150）；岩土力学与工程国家重点实验室重点项目（SKLZ0803）收稿日期：2009–11–09484岩土工程学报2011年增湿变形。增湿变形模式与应力状态相关，当处于各向等压湿化或围压较低、湿化应力水平较低时，主要表现湿化压缩；当应力水平较高时，湿化变形主要表现为湿化沉降及侧向鼓出等现象[1]。所以，路基中间部位的土体应属于湿化压缩，靠近路基边坡部分属于湿化沉降或侧向鼓出变形。湿化变形概念源于土石坝等水利工程，指粗粒料在一定应力状态下浸水，由于颗粒之间被水润滑以及颗粒矿物浸水软化等原因而使颗粒发生相互滑移、破碎和重新排列，从而产生变形，并使土体中的应力发生重分布的现象[2-5]。湿化变形问题在公路路基中同样存在，特别是对于一些水敏性较强的黏土更加突出。很多学者对黄土的湿陷性及膨胀土的湿化膨胀特征开展了卓有成效的研究，并都认为黄土和膨胀土在浸水湿化之后会引起相当量的湿化变形[6-16]。而红黏土也属于一种水敏性强的特殊黏土，红黏土的湿化变形与黄土的湿陷及膨胀土的膨胀变形有其不同之处，但目前有关于红黏土湿化变形的成果并不丰硕。根据试验目的和对传统湿化变形试验方法的修正，在三轴试验仪器的基础上改装了增湿变形试验装置，开展了同一初始含水率的3种干密度、3种应力水平的湿化变形试验，初步实现增湿和恒定荷载的耦合作用试验。依据非饱和理论提出增湿变形模量概念，利用试验结果确定了模量的相关参数。1试验设计1.1试样基本物理性质试验土样取自厦门至成都高速公路湖的南省郴州段K27桩号土样，为红褐色黏土，土的基本物理特性，如表1。表1试验用红黏土的物理性质指标Table1Physicalpropertyindicesoflateritesoil天然含水率/％天然密度/(g·cm-3)比重液限/％塑限/％塑性指数自由膨胀率％30.91.802.6561.035.026.028.51.2试样制备选取重塑风干红黏土，制备了3种压实度的三轴试样，干密度分别为：1.37g/cm3、1.44g/cm3、1.51g/cm3，试样直径5cm高度10cm。试样采用千斤顶压样成型法，先根据最优含水率（24.2%）配置土样后用塑料袋密封放置保湿缸内静置一周；然后，根据干密度和初始含水率计算每个三轴样的湿土质量，再把称后的土样倒入预先定制好的钢模内进行静压。钢模的内直径与试样直径相同、高度15cm，其中多出的5cm由两个高度2.5cm、直径5cm的垫块填充，当千斤顶把两个垫块完全压平的时候，试样刚好达到预定的密度。静压完成后不能立刻卸掉千斤顶，要让施加的力稳定一段时间防止试样回弹。最后，用其它垫块从底部把试样慢慢顶出。压样前钢模内要涂少许凡士林以便减少脱模时试样与钢模间的摩擦力。试样成型后要用密封袋封装好后再次放入保湿缸内静置以备供试验所用。1.3仪器与试验步骤试验仪器的主要部分是在三轴剪切仪的基础上改装而成（见图1）。试验围压由氮气瓶提供；轴向荷载通过砝码加载；进入试样的水分利用带有刻度的玻璃滴量测；试样的变形通过固定在传力杆上的百分表读取。试验步骤（1）饱和透水石并排空滴定管与透水石之间胶管内部和三轴底座内部的空气。（2）试样周围贴上滤纸条，套上橡胶膜后固定在压力室的底座上，盖好压力室并充满蒸馏水。（3）对试样施加预定的围压，利用砝码平衡围压对传力杆向上的压力和传力杆与“O”型圈间的摩擦力。（4）固定百分表使百分表接触到压力室顶部，并注意百分表的量程要有足够的范围，一般保持在85%以上的量程内。（5）打开压力室与滴定管间的阀门让水充满橡胶膜与试样间的空隙，然后用吸球往滴定管内加水至试样顶部的高度并记下刻度值，立刻对试样施加预定的外部荷载。试验开始后吸水比较快，滴定管的水头要尽量保持与试样顶部齐平，可通过松紧台架上的蝴蝶夹上下移动滴定管来达到保持水头不变的目的。在试验过程中读取试样的变形时同时要记下滴定管内的水头刻度。图1湿化试验仪器概图Fig.1Sketchofwettingtestapparatus1.4试验方案通过增湿试验模拟路基土体在水分的湿化作用下其变形性状，路基中不同部位的土体压实度不一样，第3期谈云志，等.压实红黏土的湿化变形试验研究485且受到的交通荷载大小也不同。利用3种不同初始干密度试样在完全浸水饱和的过程中受恒载作用下的变形试验，了解荷载与水共同作用下路基土体的耦合变形特征。根据行车荷载引起的附加应力在路基中的分布规律，确定不同压实度试样的外部荷载应力，3种干密度试样1.51，1.44，1.37g/cm3所对应的外部净法向应力分别为192，172，160kPa，围压均为50kPa。湿化试验时，对试样同时加水和法向应力；未湿化试验时则只施加法向应力。试样配置完成后实际含水率25.1%，不同干密度试样的土水特征曲线，如图2。初始体积含水率及对应的基质吸力，如表2。水分湿化试样的过程也即为基质吸力丧失的过程。图2土水特征曲线Fig.2Soilwatercharacteristiccurves表2试样的含水率与基质吸力Table2Watercontentandmatricsuctionofsamples干密度/(g·cm-3)体积含水率/(m3·m-3)基质吸力/kPa1.510.344493.91.440.361265.61.370.379181.42湿化变形计算方法及模型2.1湿化变形计算方法现有土石坝中粗粒料的湿化变形计算方法主要有两类：①单线法，指在干态下沿某一加载路径达到某一应力状态，然后在保持应力状态不变的条件下进行浸水湿化饱和，此过程中发生的变形即作为该应力状态下的湿化变形量，如图3（a）；②双线法，指分别进行干态和湿态下的试验，得到相应的应力应变关系，然后用相同应力状态下湿态与干态变形的差值作为该应力状态下发生浸水湿化时的湿化变形量，如图3（b）。单线法实际包含了不同初始密度试样在恒载作用下的蠕变变形，而并非纯粹为水分增大引起的湿化变形；而双线法其本质是两种不同初始含水率试样的剪切试验，没有考虑水分湿化过程中引起的湿化变形。但对于粗粒料来说，其颗粒间的浸水通道通畅，30～40min时间便可完成试样的浸水饱和[17]。所以，对于粗粒料的湿化变形试验，双线法比单线法更符合实际情况。而对于黏土的湿化变形，能否忽略湿化过程中的变形采用双线法研究是个值得商榷的问题。因为黏性土的渗透系数非常小，要达到土体的饱和状态十分缓慢