摘 要

自然环境变化的复杂多样是影响公路路基长期服役性能的重要因素。路基土的湿度在大气、地下水作用下处于不断变化中，会引发路基土发生强度衰减、变形过大等问题。本文采用自主设计的干湿循环装置进行了干湿循环试验，并用GDS测试了干湿循环后试样的力学特性。使用测试得到的累积塑性应变曲线和动态回弹模量来评价干湿循环效应对石灰改性膨胀土路基的影响，得到的主要结论如下：

1、本文设计的干湿循环装置可以为试样提供轴压和侧向限制条件，较好的模拟路基土体真实服役状态，且可以使试样双向增失水，使试样内部含水率更快达到均匀，较好的模拟路基土体增失水过程；

2、干湿循环次数增加会使试样的累积塑性应变增大、累积塑性应变达到稳定需要的振动次数增多。通过开展有荷条件下的干湿循环试验发现，干湿循环时竖向荷载的存在对累积塑性应变发展有抑制作用，在两次干湿循环后时，荷载的约束作用使累积塑性应变稳定值减少了80.4%；

3、应力状态对于动回弹模量有显著的影响，在路基影响深度范围内，动回弹模量随着围压的增加而增大。对干湿循环后的试样进行动回弹模量测试后，发现干湿循环作用整体上使试样的动回弹模量降低；

4、对于有荷条件下干湿循环4次以内以及无荷条件下干湿循环2次以内的试样，其动回弹模量随着动偏应力幅值的增加而增加；对于无荷条件下干湿循环3次的试样，在围压较小的情况下，其动回弹模量随着动偏应力幅值的增加变化不大，甚至略有降低。

关键词：干湿循环；石灰改性膨胀土；累积塑性应变；动态回弹模量

Abstract

The complexity and variety of natural environment are important factors that affect the long-term service performance of highway subgrade. The humidity of subgrade soil is constantly changing under the action of atmosphere and groundwater, which will cause problems such as low strength and deformation of subgrade soil. In this dissertation, drying and wetting cycling test was carried out by a self-designed drying and wetting cycling device. The mechanical properties of samples after drying and wetting cycle were tested by GDS. The cumulative plastic strain curve and dynamic resilient modulus were recorded to evaluate the effect of drying and wetting cycling on lime-treated expansive soil subgrade. The main conclusions are as follows:

1. The drying and wetting cycling device designed in this paper can provide axial load and lateral confinement for the sample, so the device can simulate the actual service state of the subgrade soil. And the device provides two paths for the samples to increase and lose water, which makes water in the sample come to a balance faster, so the device can provide a better way to simulate the water change condition of the subgrade soil.

2. With the times of drying and wetting cycling grow, the stable value of cumulative plastic strain and the times of vibration that cumulative plastic strain development takes to reach balance increase. By carrying out drying and wetting cycling test, it is found that the load provided in the process of drying and wetting cycle can decrease the development of cumulative plastic strain. After the two drying and wetting cycles, the constraint effect of loading reduces the cumulative plastic strain stability value by 80.4%.

3. The stress state has a significant influence on the dynamic resilience modulus, and the dynamic resilient modulus increases with the raise of the confining pressure. After testing the dynamic resilient modulus of the specimens that experience drying and wetting cycles, it is found that the dynamic resilient modulus of the specimens decreases on the whole.

4. The dynamic resilient modulus increases with the growing of the amplitude of the dynamic deviator stress for the samples that have been through 4 and less than 4 drying and wetting cycles under load or have been through 2 and less than 2 drying and wetting cycles without load. When the confining pressure is low, the dynamic resilient modulus keeps original state or even decreases with the growing of the amplitude of the dynamic deviator stress for the samples that have been through 3 drying and wetting cycles.

Key Words: drying and wetting cycle; lime-treated expansive soil; cumulative plastic strain; dynamic resilient modulus

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 石灰改性膨胀土的研究现状 1

1.2.2 干湿循环作用对路基影响的研究现状 2

1.3 研究内容和技术路线 3

第2章 石灰改性膨胀土样干湿循环试验 5

2.1 试验材料 5

2.1.1 试验土样的选取 5

2.1.2 试样的制备 6

2.2 干湿循环装置与方法设计 7

2.2.1 干湿循环装置介绍 7

2.2.2 干湿循环装置使用方法 10

2.3 干湿循环前期试验 11

2.3.1 干湿循环前期试验方法 11

2.3.2 前期试验结果分析 12

2.4 干湿循环试验 14

2.4.1 干湿循环试验方法 14

2.4.2 干湿循环试验步骤 16

第3章 干湿循环后试样的动三轴试验 18

3.1 试验设备介绍 18

3.2 累积塑性应变试验方法与步骤 21

3.2.1 累计塑性应变试验方法 21

3.2.2 累积塑性应变试验步骤 23

3.3 动回弹模量试验方法与步骤 24

3.3.1 动回弹模量试验方法 24

3.2.2 动回弹模量试验步骤 25

3.3 试验结果处理方法 26

3.3.1 累积塑性应变试验结果处理方法与代码 26

3.3.2 动回弹模量试验结果处理方法与代码 30

3.4 动三轴试验结果与分析 33

3.4.1 累积塑性应变试验结果与分析 33

3.4.2 动回弹模量试验结果与分析 36

第4章 结论与展望 44

4.1 主要结论 44

4.2 工作展望 44

参考文献 46

致 谢 49

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

膨胀土由于包含丰富的膨胀性粘土矿物——蒙脱石、高岭石，因而具备了较差的工程特性，例如：软化、失水收缩等。并且由于在膨胀土公路施工中，土体天然含水率较一般粘性土高，难以压到规范所规定得压实度，并且水稳定性较差，因此膨胀土填筑的路基在服役期间由于发生湿度变化产生土体膨胀，降低干密度最终导致承载力下降，使得路面发生早期破坏[1]的实例层出不穷。近年来，随着我国经济建设的迅猛发展，高等级公路及高速铁路的大量修建，2020年以前，我国将新增4万公里高速公路、百万公里普通公路、15%将穿越膨胀土分布区，膨胀土对道路的危害和破坏日渐增多，日益引起交通部门和道路建设领域工程师们的高度关注。交通部《公路水路交通中长期科技发展规划纲要》(2006-2020年)已将“特殊地质条件下公路建设技术”明确列为交通科技重点研发领域二“特殊自然环境下工程建养技术”的研发方向之一。膨胀土作为典型的特殊土，其主要特点是工程性质差，不能直接作为公路路基特别是路床的填料。公路部门经过调查发现，采用膨胀土填筑的路基，经过多年的运行后，在交通循环荷载作用和自然条件侵蚀下，产生严重的路基病害，路基产生较大的永久变形，路基顶部产生翻浆冒泥，造成路面板脱空，导致公路路面结构状态恶化和维修工作量的增加。特别近年来交通量日益增大，车辆荷载大幅度增加，暴露的问题也越来越多，也越来越严重。对于大量在建和待建的我国膨胀土地区高等级公路，如何避免目前已经出现的路基病害及路面过早破坏的问题，确保公路建设满足设计要求，提高和改善公路的长期使用性能，显得十分的重要和紧迫。

对现有处治膨胀土路基的真实服役状态调查分析表明，由于在路基施工时添加石灰、水泥、粉煤灰等进行了处治，路基的工程特性和力学强度指标都有一定幅度的提高，因此，通常在竣工时，路基的强度和力学性能是满足要求的。但在交通荷载、自然荷载和雨水、环境气候波动变化等条件的影响下，其强度随时间的增长不断降低而变得不足，进而影响路基的整体服役性能。因此，充分考虑真实的路基服役状态，研究长期气候变化引起的路基湿度改变作用下处治膨胀土路基的力学性能衰变规律具有重要意义。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 石灰改性膨胀土的研究现状

目前，膨胀土的处理措施比较成熟，常用的有击实法、掺料改良法、化学试剂法，铺设土工合成材料等措施，达到改善强度和控制变形的目的，从而起到较好的减轻或根治病害的作用。目前，在众多的改性方法和添加剂中，掺石灰是最成熟的，并且经济有效的处治方法，相关的研究也较多。

杨志强^[1]等，采用粉末x射线衍射法试验证实，养护后石灰与土反应生成具有胶凝性的水化硅（铝）酸钙（CSH）微晶体。并且通过扫描电镜发现CSH的产生和结晶加固了土的微观结构，使生成物的强度随时间得以增长。罗小艳^[2]等，利用非饱和三轴仪对石灰改良花岗岩残积土进行控制吸力固结排水剪切试验，发现石灰含量与围压增加都会使强度峰值增大，基质吸力相同时，粘聚力和内摩擦角随着石灰含量的增加而增大，细颗粒土体变特性受颗粒粒径影响小。王雁然^[3]等，通过一系列的室内外试验发现，改性膨胀土的CBR值一般都大于30%，CBR值的大小主要受控于干密度、含水量及石灰掺量，其中确定最佳石灰掺量是改善膨胀土路基CBR值的关键。程钰^[4]等，认为采用湿法掺灰、干法制样的修正湿法不仅能够降低膨胀土体结构性的影响，还避免了出现击实曲线的双峰特性。边加敏^[5]，通过SWCC的研究表明石灰改良膨胀土的水稳定性较素土得到了较大幅度的提高。陈善雄^[6]等通过开展系统的膨胀土及石灰稳定土的物理力学试验，发现石灰对中膨胀土改性效果显著，能有效抑制其胀缩潜势和提高土体强度，中膨胀土石灰改性的质量掺和比宜按5%控制。

1.2.2 干湿循环作用对路基影响的研究现状

大量的研究及工程实践表明，气候变化引起的路基湿度和温度改变对路基的性能有不可忽略的影响，特别是在湿度、温度长期循环变化作用下，这种影响更为显著。路基一般属于非饱和土范畴，其强度和变形特性受路基湿度（含水率）的影响很大。许多学者对路基土干湿循环效应展开了研究。

Zhan^[7]通过现场监测与室内模型试验研究了含水率对路基性能的影响，获得了降雨入渗致使路基土体的有效应力的减少及抗剪强度降低的结论。Daniel^[8]给不同压实度的重塑膨胀土样施加不同轴向荷载，发现增湿过程中土样体积胀缩情况与轴向压力和膨胀压力的大小有关。Liu^[9]通过对不同干湿循环次数、初始状态的淤泥质黏土进行的一系列动三轴试验以及电镜扫描发现，宏观的力学变化与土体微观结构的重组变化情况一致。Estabragh^[10]使用改进的固结仪对压实膨胀土样进行有持续压力的干湿循环试验，发现土样的膨胀收缩过程是可逆的，并且滞回效应随着干湿循环次数的增加二减弱。许第慧^[11]针对干湿循环作用下的压实路基土进行了九组室内模型试验，得到了路基中侧壁土压力和底层土压力的变化规律。为了获得反复干湿循环因素与土体强度变化的关系，吕海波等^[12]通过南宁地区原状膨胀土干湿循环试验，探讨了膨胀土抗剪强度与含水率、循环次数、循环幅度等循环控制参数的关系。张芳枝、陈晓平^[13]及刘义虎、杨果林^[14]分别利用非饱和土三轴仪和室内模型试验测试了土试样经过多次吸湿-脱湿循环路径后的力学特性，研究了反复干湿循环效应对非饱和土变形和强度特性的影响。利用数值模拟方法，Mathieu^[15]分析了水分含量在路基应力传输方面的贡献，认为应力在土壤中的传输因为水分含量的变化而极为敏感。尹宏磊等^[16]探讨了干湿循环过程中材料参数的变化对压实土体性能的影响，结果表明抗剪强度随干湿循环的变化会对压实土产生不可忽视的影响。Allam和Sridharan^[17]对经历数次干湿循环的低膨胀性粘土进行了一系列固结不排水剪切试验，结果发现干湿循环提高了土体的抗剪强度。Rogers等^[18]对高液限黏土进行了大量干湿循环试验，通过直剪试验和三轴剪切试验研究了反复干湿循环次数对土样强度的影响规律。研究发现，土样的强度随干湿循环作用的变化无明显规律，但未经历干湿循环试样的强度比干湿循环试样更大。Albrecht和Benson^[19]对八种天然击实土进行了干湿循环试验，并对其开展了收缩试验和渗透试验，研究了干湿循环作用对击实粘土渗透特性的影响。

从众多文献中可知，如何在还原土样应力状态和吸、排水条件下对土样进行干湿循环，是正式试验前首先需要考虑的问题。然而，在现有的试验方法中还原土样的应力状态条件与土样的定量增失水过程两者不可兼得。许多文献都是采用直剪或者静三轴试验得到土样抗剪强度、内摩擦角、粘聚力的变化，来评价干湿循环对路基土体的影响作用。但路基结构的破坏往往是由于产生了过大的变形，而不是发生了强度破坏，因此采用动三轴试验得到的累积塑性应变和动回弹模量来评价干湿循环效应对路基土体长期服役性能的影响具有重要的意义。

1.3 研究内容和技术路线

本文以石灰改性膨胀土为研究对象，探究湿度变化对其力学特性的影响。首先自主设计一种用于模拟真实服役条件下路基土体干湿循环过程的装置，并使用该装置进行不同循环次数的干湿循环试验，然后使用GDS进行室内动三轴试验，研究不同干湿循环次数对石灰改性膨胀土动态回弹模量和累积塑性应变的影响。上述研究成果力图为考虑路基在湿度变化下长期服役性能的设计方法提供科学依据。

论文的研究技术路线如图1.1所示：

动态回弹模量试验

累积塑性应变试验

Python数据处理

结论

试样制备

干湿循环装置设计

干湿循环试验

图1.1 技术流程图

第2章 石灰改性膨胀土样干湿循环试验

2.1 试验材料

2.1.1 试验土样的选取

本文所采用的膨胀土取自广西南宁，杨明亮[ ]等学者对其石灰处治后特性的研究表明：该种膨胀土按照《公路土工试验规程》和《公路工程无机结合料稳定土试验规程》进行掺灰比试验，按照不同0%、2%、4%、6%和8%处治试验，改性土料密封七天后进行相关测试，其结果表明，当掺灰比超过4%时，石灰处治膨胀土的塑性指数、粘粒含量和只有膨胀率指标都大幅下降。因此本文采用略高于此指标的5%掺灰比。通过试验发现，土体改性之后其塑性指数低于17%，自由膨胀率低于40%，基本可以认为土料的膨胀潜势达到非膨胀土的膨胀潜势。

将膨胀土和石灰拌和均匀，加入蒸馏水后，闷料2~3天后水的含水率会出现明显下降。这是因为石灰会与土体里的水反应消耗部分水，由于本文要定量控制土样含水率的变化，需要土体拥有较为精确的含水率。因此在闷料时，会多次测定试料的含水率，然后补水至目标含水率并重新拌料，加入水的质量根据式子（2-1）计算得到，这一补水过程可以模拟工程实际中的翻料，闷料操作。在预定做试验的前一天，使用烘干法测定试料的含水率，以此作为试样的初始含水率。

（2-1）

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