劉昌建 莊心善

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院 武漢 430068)

前言

廣泛分布于我國(guó)各地區(qū)的膨脹土對(duì)國(guó)家的工程建設(shè)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)了解，早期在工程建設(shè)過(guò)程中，由于膨脹土不能當(dāng)作填料，開挖出來(lái)的膨脹土需要在工地周邊安排很大面積的地方堆放，不僅會(huì)破壞地形地貌，而且由于膨脹土難以被壓實(shí)，暴雨沖刷后容易產(chǎn)生水土流失甚至是泥石流，對(duì)道路安全和耕地等造成威脅。另外，對(duì)挖出的膨脹土還要進(jìn)行回填，回填的材料可能需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，這也加重了工程建設(shè)的成本并且可能會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的破壞。因此如何改良膨脹土的變形特性成為了近年來(lái)眾多學(xué)者的研究方向。部分學(xué)者利用石灰，水泥，粉煤灰對(duì)膨脹土進(jìn)行改良，取得了顯著的效果，膨脹土的特性明顯得到了改善。邊加敏等的研究表明，隨著摻灰率的增大，改良土的粘聚力，內(nèi)摩擦角，CBR值均增大，不同膨脹土強(qiáng)度增大的幅度有所不同。吳新明等的研究指出，改良土的強(qiáng)度與摻砂率，浸水時(shí)間和養(yǎng)護(hù)時(shí)間有關(guān)，抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量的增大而增大；浸水后，強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)降低，降低的數(shù)值與摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間成反比。相關(guān)研究表明，對(duì)膨脹土摻入10%左右的風(fēng)化砂處理，其脹縮特性得到明顯改善，且能有效提高膨脹土的抗剪強(qiáng)度，滿足路基設(shè)計(jì)要求，本次利用GDS真三軸儀動(dòng)力加載模塊進(jìn)行了一系列風(fēng)化砂改良膨脹土動(dòng)力試驗(yàn)，研究不同粒徑風(fēng)化砂改良膨脹土動(dòng)彈性模量和等效阻尼比的特性。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自合肥某高速公路工程，外觀呈黃色，吸水失水后體積脹縮明顯，天然密度為1.9Vg/cm3，自由膨脹率為44%。為了研究粒徑大小對(duì)改良風(fēng)化砂的影響，將風(fēng)化砂進(jìn)行篩分，取有效粒徑為中砂，粗砂和細(xì)砂的風(fēng)化砂按照Msand∶Msoil=1∶10的質(zhì)量比摻入到膨脹土中進(jìn)行土樣配制。

1.2 試樣制備

由擊實(shí)試驗(yàn)得到素膨脹土最大干密度1.655 g/cm3，最優(yōu)含水率為15.52%，制樣時(shí)以最大干密度為1.7 g/cm3,含水率為15.5%，將粒徑為粗砂，中砂和細(xì)砂的風(fēng)化砂與膨脹土進(jìn)行均勻拌合，于恒溫箱內(nèi)靜置24 h之后，制成高度100 mm，直徑50 mm的圓柱體試樣。將制備好的土樣放入飽和器內(nèi)抽氣飽和，再放入GDS壓力室內(nèi)進(jìn)行20 h的反壓飽和，直至飽和系數(shù)B值到達(dá)0.98以上，再進(jìn)行動(dòng)力實(shí)驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)原有土體所處的自然環(huán)境，確定一組試驗(yàn)圍壓100 MPa，在不排水條件下，采用頻率f=1 HZ的正玄波，將該率下預(yù)設(shè)的動(dòng)荷載分10級(jí)施加到土樣上，每級(jí)振動(dòng)循環(huán)10次，當(dāng)試樣的軸向動(dòng)應(yīng)變達(dá)到5%時(shí)，視為試樣被破壞。具體實(shí)驗(yàn)方案見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)方案表

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 動(dòng)彈性模量的變化規(guī)律

動(dòng)三軸試驗(yàn)得到的動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變滯回曲線，計(jì)算滯回曲線兩頂點(diǎn)之間的斜率可得到動(dòng)彈性模量：

(1)

式中：σd為動(dòng)應(yīng)力；εd為動(dòng)應(yīng)變；Ed為動(dòng)彈性模量。

取每級(jí)循環(huán)荷載帝3～7次循環(huán)應(yīng)力的動(dòng)彈性模量的平均值和對(duì)應(yīng)的平均應(yīng)變作為該級(jí)荷載的動(dòng)彈性模量和動(dòng)應(yīng)變。

2.2 粒徑大小對(duì)改良膨脹土動(dòng)彈性模量的影響分析

圖1為100 kpa圍壓，頻率1 HZ情況下，改良膨脹土的動(dòng)彈性模量-動(dòng)應(yīng)變關(guān)系曲線。

圖1 不同粒徑下改良土動(dòng)模量-動(dòng)應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖1可知，風(fēng)化砂改良品膨脹土的動(dòng)彈性模量隨著動(dòng)應(yīng)變的增大而減小，當(dāng)動(dòng)應(yīng)變較小時(shí)，εd<0.2%時(shí)，動(dòng)彈性模量隨著應(yīng)變變化顯著；相同動(dòng)應(yīng)變的情況下，粗砂的動(dòng)彈性模量最大，細(xì)砂的動(dòng)彈性模量最小。這是因?yàn)榇诸w粒摻入后，粗細(xì)顆粒的擠密增大了顆粒之間的嵌合，顆粒間相互結(jié)合形成骨架，使改良膨脹土的內(nèi)摩擦角，粘聚力均增大。

2.3 粒徑大小對(duì)改良膨脹土等效阻尼比的影響分析

阻尼系數(shù)與臨界阻尼比系數(shù)ccr之比為阻尼比λ：

(2)

又因?yàn)槟芰繐p失數(shù)為：

(3)

(4)

式中：ΔW為一個(gè)周期內(nèi)損耗的能量；W為作用的總能量。

研究表明，對(duì)于粘彈性體而言，一個(gè)周期內(nèi)損失的能量可近似等于滯回曲線圍成的面積。一個(gè)周期內(nèi)動(dòng)荷載儲(chǔ)存的能量為：

(5)

即為原點(diǎn)到最大幅值點(diǎn)連線下的三角形面積，故式(5)可表示為：

(6)

由圖2可知，改良膨脹土的等效阻尼比λ隨應(yīng)變的增大而增大，在應(yīng)變?chǔ)興<0.2%范圍內(nèi)，等效阻尼比λ變化明顯;在相同應(yīng)變的情況下，粗砂改良膨脹土的阻尼比最小，細(xì)砂改良膨脹土的阻尼比最大，這是因?yàn)榇稚疤岣吡烁牧寂蛎浲恋目紫堵?，使土體內(nèi)部顆粒的接觸面積減小，降低了動(dòng)應(yīng)力傳遞能量的效率。

圖2 不同粒徑下改良土阻尼比-動(dòng)應(yīng)變關(guān)系曲線

3 結(jié)論

相同摻量，圍壓和頻率下，改良土動(dòng)彈性模量隨著動(dòng)應(yīng)變的增大而減小，在動(dòng)應(yīng)變?chǔ)興<0.2%范圍內(nèi)，動(dòng)彈性模量變化顯著；在動(dòng)應(yīng)變相同的情況下，粗砂改良土的動(dòng)彈性模量最大，細(xì)砂改良土的動(dòng)彈性模量最?、谙嗤瑖鷫汉皖l率下，不同粒徑改良膨脹土的等效阻尼比隨著動(dòng)彈性模量的增大而增大；在相同應(yīng)變條件下，粗砂改良膨脹土的阻尼比最小，細(xì)砂改良膨脹土的阻尼比最大。通過(guò)對(duì)動(dòng)彈性阻尼比的比對(duì)應(yīng)得到對(duì)于膨脹土加中砂還是細(xì)砂來(lái)改良膨脹土的性能結(jié)論。