高莉莉，張建文

(1.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 江蘇 鹽城 224000； 2.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院)

土壤固化劑作為一種可以將土壤快速固化，并且顯著提高土壤工程特性的功能性材料在應(yīng)急工程、低等級道路、鐵路、水利和農(nóng)業(yè)等工程中得到了廣泛應(yīng)用，其中水泥土的應(yīng)用具有比較長的歷史，對其研究也積累了很多成果，特別是針對一些特殊土質(zhì)的處理，包括疏浚污泥、鹽漬土、含有機質(zhì)土、粉質(zhì)土、濕陷性黃土等。在不斷應(yīng)用研究中人們逐漸認(rèn)識到水泥、石灰等傳統(tǒng)的固化材料在應(yīng)用中存在著諸多不足，比如早期強度比較低、水穩(wěn)性差、容易開裂等。

現(xiàn)代土壤固化技術(shù)針對傳統(tǒng)材料的不足進(jìn)行了諸多改進(jìn)，同傳統(tǒng)的材料相比有著很多優(yōu)點，比如可以適用于更多的土體類型，施工更簡便，工程特性更好等，因此不斷獲得工程人員的青睞，固化劑種類包括有機固化劑、有機無機復(fù)合固化劑、離子型固化劑和生物酶類固化劑?，F(xiàn)有研究主要針對某一特殊土質(zhì)提出改進(jìn)辦法，研究項目也主要是靜態(tài)工程特性，針對固化土的動力學(xué)特性研究較少，而固化土在實際工程中多承受動態(tài)荷載，因此掌握固化土在動態(tài)荷載作用下的工程特性對于指導(dǎo)工程實踐具有更大的參考價值。

針對以上不足，該文對某新型固液混合固化劑加固土開展不同圍壓、不同固化劑摻量的動三軸試驗，并對動應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線進(jìn)行分析，可為固化土的工程應(yīng)用提供理論借鑒。

1 試驗概況

1.1 試驗材料及試驗儀器

土樣為黃土質(zhì)黏砂土，液限為30.5%，塑限為19.9%，最大干密度為1.88 g/cm3，最佳含水量為11.4%。所用固化劑為CAU-4型固液復(fù)合型固化劑，其固體組分為粉末狀物質(zhì)，顏色為黑灰色，密度約為2.7 g/cm3，易吸水，耐火性好。與土壤混合后會產(chǎn)生含32個結(jié)晶水的鈣礬石針狀結(jié)晶體，交錯穿插于土團(tuán)粒中，可將土壤中大量的自由水以結(jié)晶水的形式固定下來，有效地填充土團(tuán)粒間的孔隙使土體變得致密，有效增強土體強度。液體組分為無色、無味狀液體，偏黏稠，密度為1.4～1.5 g/cm3，易溶于水。與水作用后可產(chǎn)生大量Ca2+或者M(jìn)g2+、Al3+等， 促使其與土膠粒吸附層進(jìn)行離子交換作用，通過降低土壤膠粒電勢、減薄土壤膠粒雙電層的厚度，使土顆粒聚集成團(tuán)，形成團(tuán)粒化和砂質(zhì)化結(jié)構(gòu)，將土壤的親水性轉(zhuǎn)化為憎水性，可達(dá)到加強土體強度和穩(wěn)定性的目的。

試驗儀器為TDJSZ型土體動、靜剪切流變儀。試驗振動頻率為2 Hz。在試驗過程中，當(dāng)試件的全幅應(yīng)變增長速率突然加快時，試件表面出現(xiàn)明顯裂縫，緊接著試件整體出現(xiàn)嚴(yán)重形變破壞，此時的全幅應(yīng)變通常不超過4.5%。綜合考慮靜態(tài)試驗過程中試件破壞時的全幅應(yīng)變通常為3%左右，故可認(rèn)為全幅值應(yīng)變達(dá)到5%為動態(tài)試驗試件的破壞標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 試驗方案

試驗方案如表1所示(其中動應(yīng)力幅值級別上欄表示擬定應(yīng)力值，下欄表示儀器設(shè)置加載重量，其換算后就等于上欄應(yīng)力值)，分為3個固化劑摻量水平和3個圍壓水平。試驗中測定動模量的方法為：作用于試件的軸向動應(yīng)力從一個小的幅值開始振動加載，后逐級增大幅值繼續(xù)振動試驗，直至達(dá)到試驗破壞標(biāo)準(zhǔn)時，試驗終止。記錄試驗過程中每級荷載的動應(yīng)力和動應(yīng)變，確定各動應(yīng)變幅值時的動強度和動模量。

表1 動三軸試驗方案

2 動三軸試驗數(shù)據(jù)分析

動三軸試驗是運用與靜三軸試驗相似的軸向加載應(yīng)力條件，對一定密度和含水率的試件通過固結(jié)穩(wěn)定后在不排水條件下施加設(shè)置好的一定水平的主動應(yīng)力，并在這一水平的動應(yīng)力幅值作用下持續(xù)振動加載，加載至試件振動破壞為止，試驗過程中記錄動態(tài)的應(yīng)力、應(yīng)變和孔壓變化及循環(huán)周次。整理動三軸試驗數(shù)據(jù)，分別對不同圍壓以及不同固化劑摻量條件下，動應(yīng)力幅值和分別達(dá)到預(yù)設(shè)破壞要求時的循環(huán)作用次數(shù)的關(guān)系進(jìn)行分析研究。

圖1為10%固化劑摻量下，動應(yīng)力幅值與疲勞破壞周次的關(guān)系。圖2為100 kPa圍壓下，動應(yīng)力幅值與疲勞破壞周次的關(guān)系。

圖1 10%固化劑摻量條件下動應(yīng)力幅值與

圖2 100 kPa圍壓條件下動應(yīng)力幅值與疲勞破壞周次的關(guān)系

從圖1、2不難發(fā)現(xiàn)：在不同圍壓、相同固化劑摻量和不同固化劑摻量、相同圍壓下，動應(yīng)力幅值和疲勞破壞周次的關(guān)系曲線很近似，都表現(xiàn)為：隨著破壞周次的增大，相應(yīng)的動應(yīng)力幅值先是迅速降低，在經(jīng)歷一個比較 “光滑的過渡”后，逐漸在低應(yīng)力幅值趨于相對穩(wěn)定。在摻量相同時，不同圍壓條件下二者關(guān)系的區(qū)別顯著表現(xiàn)為“光滑過渡段”；而在圍壓相同時，不同摻量條件下二者關(guān)系的區(qū)別同樣顯著表現(xiàn)為“光滑過渡段”。因此，對不同條件下動應(yīng)力幅值與疲勞周次的關(guān)系討論主要集中在比較明顯的“光滑過渡段”中。

2.1 圍壓對動應(yīng)力幅值與疲勞破壞周次關(guān)系的影響

圖3為不浸水狀態(tài)下，不同固化劑摻量的土樣在不同動應(yīng)力幅值作用下達(dá)到全幅應(yīng)變5%時的疲勞周次與對應(yīng)動應(yīng)力幅值的關(guān)系，其中固化劑摻量分別為10%、12%和14%。

由圖3可知：在某一固定的固化劑摻量條件下，動應(yīng)力幅值與疲勞破壞周次存在著很好的單調(diào)遞減關(guān)系，除了圖3(b)中12%摻量、300 kPa條件以外。而這一例外現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是試驗過程中，該條件下某次試驗中原有壓力室突然發(fā)生漏水現(xiàn)象，更換到一個新壓力室后其傳力裝置摩阻力太大，使得實際作用于試件的動應(yīng)力幅值未達(dá)到理論設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)，從而使得在該條件下該次試驗的數(shù)據(jù)有所偏差。分析正常的一般情況，隨著動應(yīng)力幅值的增大，在相同固化劑摻量條件下，疲勞破壞周次有很明顯的減小趨勢，而且該趨勢隨著動應(yīng)力幅值的增大越來越明顯：即在相同固化劑摻量條件下，單位動應(yīng)力幅值增量對應(yīng)的疲勞破壞周次的減小值越來越小。說明隨著動應(yīng)力幅值的增大，應(yīng)變量增大，而且應(yīng)變的增大速率逐漸加快，從而使得破壞速率加快，在單位周次作用下的應(yīng)變量增大。

圖3 不同固化劑摻量下動應(yīng)力幅值與疲勞破壞周次的關(guān)系

相同固化劑摻量的固化土在固定動應(yīng)力幅值作用下，由于圍壓的增大，固化土在單位周次作用后的應(yīng)變量減小，即圍壓的增加使得試件側(cè)方向有了束縛力，而側(cè)向束縛力加大了發(fā)生相同應(yīng)變的困難程度，并且側(cè)向束縛力越大，發(fā)生應(yīng)變的困難程度越大，達(dá)到疲勞破壞時要求的作用次數(shù)越多。因此固化土的疲勞破壞周次會隨著圍壓的增大而相應(yīng)增大。

2.2 固化劑摻量對動應(yīng)力幅值與疲勞破壞周次關(guān)系的影響

圖4為在不同圍壓水平時，不浸水狀態(tài)的固化土土樣在不同動應(yīng)力幅值作用下達(dá)到全幅應(yīng)變5%時的疲勞周次與對應(yīng)的動應(yīng)力幅值的關(guān)系，其中固化劑摻量分別為10%、12%和14%。

圖4 不同圍壓條件下動應(yīng)力幅值與疲勞破壞周次的關(guān)系

由圖4可知：相同固化劑摻量固化土在相同圍壓條件下，動應(yīng)力幅值與破壞疲勞周次仍然有著很好的單調(diào)關(guān)系。相同固化劑摻量固化土的疲勞破壞周次隨著動應(yīng)力幅值的增大而相應(yīng)地減小，并且隨著動應(yīng)力幅值的增大，動應(yīng)力幅值單位增量對應(yīng)的疲勞破壞周次的降幅也逐漸減小。這也說明在低動應(yīng)力幅值水平時，疲勞破壞周次隨著動應(yīng)力幅值增大而減小的趨勢很明顯；而隨著動應(yīng)力幅值的進(jìn)一步增大，在高動應(yīng)力幅值水平中，疲勞破壞周次隨著動應(yīng)力幅值增大而減小的趨勢逐漸趨于穩(wěn)定，直至動應(yīng)力幅值增大到一定水平后，在很小的周次后試件即達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)，此時稱為相對的“穩(wěn)定趨勢”。

在相同動應(yīng)力幅值作用下，疲勞破壞周次與固化劑摻量的關(guān)系并不是單調(diào)的，而是有著一個最佳摻量值，該值使得在相同動應(yīng)力幅值作用下的疲勞破壞周次達(dá)到最大。由圖4(a)可看出：在100 kPa圍壓條件下，按照疲勞性能的優(yōu)良程度，12%摻量固化土的疲勞性能優(yōu)于10%摻量固化土，14%摻量固化土的疲勞性能最差；由4(b)可看出：在200 kPa圍壓條件下，高動應(yīng)力幅值水平時，12%摻量固化土的疲勞性能優(yōu)于14%摻量固化土，10%摻量固化土的疲勞性能最差，低動應(yīng)力幅值水平時，12%摻量固化土的疲勞性能優(yōu)于10%摻量固化土，14%摻量固化土的疲勞性能最差；由圖4(c)可看出：在300 kPa圍壓條件下，12%摻量固化土的疲勞性能優(yōu)于14%摻量固化土，10%摻量固化土的疲勞性能最差。這也就說明在實際工程運用中需要調(diào)整固化劑摻量以使得材料的疲勞度最佳。通過不同圍壓水平下的試驗數(shù)據(jù)分析可知，在相同動應(yīng)力幅值條件下，12%的固化劑摻量對應(yīng)的疲勞破壞周次最大，說明此時材料的疲勞性能最佳，即12%為該固化土材料的最佳摻量。

3 動應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線分析

3.1 動強度計算

對固化土循環(huán)加載指定幅值大小的動應(yīng)力，并使土體在指定的循環(huán)加載作用次數(shù)下達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)，此時作用的動應(yīng)力幅值稱為動強度。試驗中主要是采用通過控制動應(yīng)力幅值而得到與其對應(yīng)的破壞周次，去除明顯異常數(shù)據(jù)，對得到的試驗結(jié)果進(jìn)行歸納計算，得到動應(yīng)力幅值作用下的破壞周次與其對應(yīng)動應(yīng)力幅值關(guān)系近似線性，破壞振動周次為10 000、14 000、18 000次時的動應(yīng)力幅值如表2所示，其中σ5%指應(yīng)變幅值達(dá)到5%時所對應(yīng)的軸向動應(yīng)力幅值。

表2 不同破壞周次動應(yīng)力幅值計算匯總

續(xù)表2

定義動剪應(yīng)力幅值計算公式為：

(1)

依據(jù)不同摻量固化土的不同破壞次數(shù)的動應(yīng)力幅值數(shù)據(jù)，計算動剪應(yīng)力幅值與破壞作用周次的關(guān)系，動剪應(yīng)力曲線如圖5所示。

圖5 動剪應(yīng)力-破壞周次曲線

由圖5可知：在某一固化劑摻量條件下，動剪應(yīng)力幅值與疲勞破壞周次存在著很好的單調(diào)關(guān)系。在相同固化劑摻量條件下，隨著動剪應(yīng)力幅值的增大，疲勞破壞周次有很明顯的減小趨勢，而且該趨勢隨著動應(yīng)力幅值的增大越來越明顯：即在相同固化劑摻量條件下，單位動應(yīng)力幅值增量對應(yīng)的疲勞破壞周次的減小值越來越小。說明隨著動應(yīng)力幅值的增大，應(yīng)變量增大，而且應(yīng)變的增大速率逐漸加快，從而使得破壞速率加快，在單位周次作用下的應(yīng)變量增大。

運用摩爾―庫侖抗剪強度理論求解動抗剪強度參數(shù)，即動黏聚力c動和動內(nèi)摩擦角φ動，它們之間的關(guān)系表達(dá)為：

τ動=σtanφ動+c動

(2)

表3 動強度參數(shù)

3.2 動彈性模量計算

固化土的動彈性模量是進(jìn)行固化土動力分析的一個重要參數(shù)，表征的是固化土材料在彈性變形階段的動應(yīng)力―應(yīng)變的關(guān)系。由于固化土的應(yīng)力―應(yīng)變關(guān)系具有明顯的非線性特征，在循環(huán)荷載作用下，在某一周次加載過程中，該周次內(nèi)變化的動應(yīng)變幅值與應(yīng)力的關(guān)系可近似擬合為雙曲線：

(3)

式中：ξ動為軸向動應(yīng)變幅值；σ動為相應(yīng)ξ動時的動應(yīng)力；a、b為試驗參數(shù)。

動彈性模量可定義為：

(4)

將式(3)做極限求解分析，可得：

(5)

由式(4)可知：當(dāng)ξ動趨于0時，E動→E動max，則：

(6)

由以上分析可知：參數(shù)a、b的倒數(shù)分別為最大動彈性模量和最大動應(yīng)力幅值。

基于以上理論，如果試驗過程中能夠繪出指定固化劑摻量、圍壓和加載頻率條件下的單次加載過程的動彈性應(yīng)變和動應(yīng)力幅值的關(guān)系圖，就可以繪出不同循環(huán)加載周次下，當(dāng)前單一周次加載過程中的動彈性模量-動彈性應(yīng)變的關(guān)系圖。最后再依據(jù)此關(guān)系圖按照式(4)進(jìn)行參數(shù)擬合，即可得出不同預(yù)設(shè)條件下擬合參數(shù)a和b值。

4 結(jié)論

(1) 固化土在固定的固化劑摻量條件下，隨著動應(yīng)力幅值的增大，應(yīng)變量增大，而且應(yīng)變的增大速率逐漸加快，從而使得破壞速率加快，在單一周次作用下的應(yīng)變量增大； 相同固化劑摻量的固化土在相同動應(yīng)力幅值作用下，固化土的疲勞破壞周次隨著圍壓的增大而相應(yīng)增大。

(2) 相同固化劑摻量的固化土在固定圍壓條件下， 動應(yīng)力幅值與破壞疲勞周次有著很好的單調(diào)關(guān)系。在低動應(yīng)力幅值水平時，疲勞破壞周次隨著動應(yīng)力幅值增大而減小的趨勢很明顯；而隨著動應(yīng)力幅值的進(jìn)一步增大，在高動應(yīng)力幅值水平中，疲勞破壞周次隨著動應(yīng)力幅值增大而減小的趨勢逐漸趨于穩(wěn)定，直至動應(yīng)力幅值增大到一定水平后，在很小的周次后試件即達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 在相同動應(yīng)力幅值作用下，疲勞破壞周次與固化劑摻量的關(guān)系并不是單調(diào)的，而是有著一個最佳摻量值，使得相同動應(yīng)力幅值作用下的疲勞破壞周次達(dá)到最大，對于此固化劑最佳摻量為12%(干土重)。