艾志軍

（呼和浩特市城市軌道交通建設(shè)管理有限責任公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010000）

0 引言

黃土是一類具有吸附、膨脹、收縮等特性的多孔性黃色粉土沉積物，廣泛分布于中緯度干旱及半干旱地區(qū)，我國黃土主要集中于甘肅、寧夏、山西、陜西等地。在“一帶一路”倡議下，國家加大了西北地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，為滿足區(qū)域經(jīng)濟的快速發(fā)展，一大批高速鐵路項目在這些地區(qū)規(guī)劃修建[1?2]。但是，由于原狀黃土具有強水敏性和動力易損性，黃土地區(qū)修建的鐵路路基易出現(xiàn)震陷、坍塌等工程地質(zhì)災(zāi)害，路基填料改良已成為路基設(shè)計的重要內(nèi)容之一[3?5]。

在高速鐵路運行過程中，由于列車行駛速度極高，對路基的沉降變形要求也越嚴格。黃土高原地區(qū)大部分處于高地震烈度區(qū)，尤其是在列車荷載周期往復(fù)（動荷載）作用下，極易造成土顆粒及土體結(jié)構(gòu)的動力損傷，因此，對黃土的動力特性進行研究具有十分重要的工程意義[6?7]。為了滿足工程需要，常采用加筋[8?9]、摻粉煤灰[10]、摻水泥[11?12]等方式對原狀黃土進行改良處理，并通過試驗獲得了不同改良方式下的黃土動力特性。其中，水泥改良方式最為常用，且改良加固效果相對較好，但是水泥改良黃土也存在成本高、高水灰質(zhì)量比、固結(jié)時間長等缺點。磷石膏作為磷酸生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，若不加以處理，則對大氣、土壤和地下水系統(tǒng)等環(huán)境將造成嚴重污染，由于我國磷石膏產(chǎn)量十分巨大，但綜合利用率不足30%，若能通過特殊手段將磷石膏應(yīng)用于黃土路基的改良工程中，可以實現(xiàn)磷石膏的變廢為寶，同時促進社會經(jīng)濟與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。相關(guān)研究表明，磷石膏與水泥搭配使用，可以有效改善路面基層的水穩(wěn)性，同時極大提高淤泥質(zhì)軟土的強度特性[13?15]。

鑒于水泥+磷石膏混合材料擁有良好的改良特性，但目前應(yīng)用于黃土改良的試驗還比較少見。通過設(shè)計不同配比磷石膏–水泥改良黃土并進行動力特性試驗，相關(guān)研究成果可為黃土路基改良工程提供新的思路，也可為實現(xiàn)磷石膏的資源化利用提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗黃土取自甘肅天水地區(qū)，經(jīng)室內(nèi)試驗測得原狀黃土的塑限為15.4%，液限為28.7%，塑性指數(shù)為13.3，天然含水率為13.3%，天然密度為1.44 g/cm3，最優(yōu)含水率為15.1%，對應(yīng)的最大干密度為1.85 g/cm3，黏粒、粉粒、砂粒的占比分別為18.5%、72.5%和8%。

試驗水泥采用峨眉山牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，密度為2.84 g/cm3，細度為3.1%，燒失量為3.25%，主要化學成分為CaO和SiO2，占比分別為62.6%和23.7%。

試驗磷石膏的主要成分為CaSO4·2H2O（其中CaO含量約為25.6%，SO3含量約為41.3%），重金屬含量約為4.7%，含水率為13.3%。

1.2 試驗設(shè)備

動力測試系統(tǒng)采用GDS高精度雙向振動三軸儀，該試驗系統(tǒng)主要包括制動單元、三軸壓力室、控制器、平衡器以及數(shù)據(jù)采集存儲裝置等。儀器動態(tài)頻率最大值為10 Hz；荷載最大值為60 kN，適合試樣尺寸38～150 mm，也可定制試件尺寸（見圖1）。

圖1 GDS動三軸試驗儀

1.3 試驗方案及步驟

試驗步驟：（1）將野外取得的黃土進行風干、碾碎，然后過2 mm篩；（2）按一定配比將水泥、磷石膏和黃土進行均勻拌和；（3）將各組土樣制成50 mm×100 mm的標準圓柱形試件，標準養(yǎng)護28 d；（4）將試件放入三軸室，經(jīng)反壓飽和后，進行動三軸測試（應(yīng)力循環(huán)次數(shù)設(shè)置為10000次，若中途發(fā)生震陷破壞，則終止試驗）。

試驗方案：試驗圍壓均為10 kPa，固結(jié)比Kc（Kc=σ1/σ3）值為2.5，振動頻率選取5 Hz；試驗配比分為5組，包括素土對比試驗組和摻水泥+磷石膏試驗組，水泥+磷石膏為黃土質(zhì)量的20%，水泥/磷石膏質(zhì)量比分為1∶4、1∶3、1∶2和1∶1共4組；試驗動應(yīng)力幅值分別為50.9 kPa、101.8 kPa、152.7 kPa、203.6 kPa和254.5 kPa，具體試驗方案見表1。

表1 試驗方案

2 試驗結(jié)果分析

2.1 累積塑性應(yīng)變–振次關(guān)系

試驗得到的不同試驗組的累積塑性應(yīng)變與振次的關(guān)系見圖2。從圖2中可以看到：在相同配比下，隨著動應(yīng)力幅值的增大，改良黃土的累積塑性應(yīng)變（動應(yīng)變）隨振次的變化呈不同的變化特征；在較低動應(yīng)力下（50.9 kPa和101.8 kPa）時，試件經(jīng)過10000次動荷載作用后未發(fā)生加速應(yīng)變特征，即累積塑性應(yīng)變包括衰減變形和穩(wěn)態(tài)變形兩個階段，此時試件處于硬化作用階段，主要為原始孔隙和微裂紋被壓密閉合，土顆粒受到擠壓被重新排列，當動應(yīng)力適中時（152.7 kPa），累積塑性應(yīng)變速率加快，試件內(nèi)部逐漸產(chǎn)生損傷，但不足以使試件發(fā)生總體破壞；當動應(yīng)力較大時（203.6 kPa和254.5 kPa），不同配比下的應(yīng)變發(fā)展情況不同，A組和B組在10000次振次內(nèi)均發(fā)生了加速應(yīng)變變形，試件發(fā)生失穩(wěn)破壞，C、D、E組在203.6 kPa下有向加速應(yīng)變變形發(fā)展的趨勢，但在10000次振次內(nèi)并未發(fā)生整體破壞，C和D組在254.5 kPa下發(fā)生了失穩(wěn)破壞，而E組未發(fā)生破壞；相同動應(yīng)力下，磷石膏–水泥改良試驗組的應(yīng)變變形小于素土試驗組（即震陷量變小），且隨水泥含量的提升逐漸減?。凰鄵搅康脑黾?，提升了黃土抵抗動力變形的能力，增加了自身的強度和脆性，使得黃土試件從塑性變形破壞向脆性變形破壞轉(zhuǎn)變（即加速變性特征越不明顯）。

圖2 累積塑性應(yīng)變–振次關(guān)系曲線

從整體上來看，磷石膏–水泥有助于黃土動力特性的改良，這主要得益于以下3個原因：（1）磷石膏–水泥與黃土中物質(zhì)成分相互反應(yīng)，生成方解石等比較堅硬的物質(zhì)，而伊利石和綠泥石這些相對較軟的成分減少；（2）在硫酸根離子濃度足夠的情況下，水泥會與之產(chǎn)生大量的鈣礬石，鈣礬石具有很強的膨脹特性，可以起到填充黃土顆?？紫督Y(jié)構(gòu)的作用；（3）鈣礬石還會與水化硅酸鈣反應(yīng)生成一種空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)，在黃土孔隙之間起到“連接繩”作用，增加了受力面積，對于試件的動力學性能有利。

2.2 動彈性模量–動應(yīng)力關(guān)系

每振動1000次計算一次動彈性模量，然后對所計算的動彈性模量取平均值，得到不同試驗組的動彈性模量隨動應(yīng)力的變化曲線（見圖3）。從圖3中可以看到：磷石膏–水泥改良黃土的動彈性模量較素土試驗組明顯提高，提升幅度約為2～3倍，水泥的摻量越高，提升幅度越大，這是因為在磷石膏含量足夠的情況下，能夠提供足量的硫酸根離子與水泥進行反應(yīng)并生成鈣礬石，鈣礬石的膨脹填充作用使得試件本身更加致密，因而動彈性模量隨水泥摻比增大而增大；隨著動應(yīng)力的逐漸增大，同一試驗組的黃土動彈性模量總體呈先增加后減小的變化特征，在低動應(yīng)力下，試件在試驗振次內(nèi)被逐漸壓密，試件強度不斷提高，因而動彈性模量增大，當動應(yīng)力達到一定幅值后，試件在經(jīng)歷短暫的壓密變形后隨即進入剪脹損傷，試件整體結(jié)構(gòu)受到擾動，強度遭到破壞，因而動彈性模量降低。

圖3 動彈性模量變化曲線

2.3 阻尼比–動應(yīng)力關(guān)系

同理，每振動1000次計算一次動阻尼比，然后對所計算的阻尼比取平均值，得到不同試驗組的阻尼比隨動應(yīng)力的變化曲線（見圖4）。從圖4中可以看到：經(jīng)磷石膏–水泥改良過后的黃土的阻尼比明顯小于素土組，表明其抗震性能明顯提升，這是因為磷石膏–水泥改良過后，黃土試件結(jié)構(gòu)更加致密，試件內(nèi)部的架空孔隙減小、顆粒間間距減小，使得在震動作用下，顆粒不易發(fā)生錯位變動（擠壓錯位），因而阻尼比減??；隨著動應(yīng)力的增大，阻尼比呈先減后增變化特征，這表明試件內(nèi)部經(jīng)歷一個從結(jié)構(gòu)致密到結(jié)構(gòu)松散破壞的變化過程，這與上文分析原因類似，不再贅述。

圖4 阻尼比變化曲線

2.4 動應(yīng)變–動應(yīng)力關(guān)系

試驗得到的各試驗組動應(yīng)變隨動應(yīng)力的變化關(guān)系見圖5。從圖5中可以看到：動應(yīng)變隨動應(yīng)力的增大逐漸增大，相同動應(yīng)力下，素土組的動應(yīng)變明顯大于改良試驗組，這表明磷石膏–水泥改良黃土的震陷性得到明顯改善，根據(jù)動應(yīng)變與動應(yīng)力的相關(guān)關(guān)系，可用Hardin-Drnevich雙曲線模型[16]對其進行描述：

圖5 動應(yīng)變–動應(yīng)力關(guān)系曲線

式中：σd為動應(yīng)力，kPa；εd為動應(yīng)變，%；a、b為試驗常數(shù)，a的倒數(shù)為初始最大動彈性模量Edmax，MPa，b的倒數(shù)為初始最大動應(yīng)力σdmax。

通過數(shù)值分析軟件計算得到的Hardin-Drnevich模型參數(shù)情況見表2。從表中可以看到：計算得到的不同試驗組初始最大動彈性模量Edmax隨著水泥摻比的增加不斷增大，而初始最大動應(yīng)力的增幅不是特別明顯，而且在E組下時還略有降低，這可能與水泥摻量增大后，與磷石膏反應(yīng)生成的鈣礬石過量，形成膨脹損傷有關(guān)；從整體上來看，磷石膏–水泥改良過后的黃土動力特性參數(shù)均有不同程度提高，表明其抗震性能越來越優(yōu)越。

表2 Hardin-Drnevich雙曲線模型參數(shù)計算結(jié)果

2.5 疲勞動應(yīng)力門檻值

參照蠕變試驗中等時應(yīng)力–應(yīng)變曲線確定長期強度的方法，對不同試驗組作等振次應(yīng)力–應(yīng)變曲線（見圖6）。等時應(yīng)力–應(yīng)變曲線法的原理為將不同應(yīng)力等級下的蠕變曲線在同一時間點下的蠕變應(yīng)變值取出，繪制所得的應(yīng)力–應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯拐點處即為材料的長期強度，由于累積塑性應(yīng)變隨振次的變化規(guī)律與蠕變曲線形似，因此，通過選取不同振次下的應(yīng)變也可作相應(yīng)的應(yīng)力–應(yīng)變曲線；從圖6中可以看到，在素土情況下，當應(yīng)力達到100 kPa左右時，黃土等振次應(yīng)力–應(yīng)變曲線已出現(xiàn)較為明顯的應(yīng)變拐點，而經(jīng)過磷石膏–水泥改良后，黃土的等振次應(yīng)力–應(yīng)變曲線拐點較素土有所提高，且拐點均在150 kPa左右，表明磷石膏–水泥改良黃土的動力特性有明顯改善，疲勞動應(yīng)力門檻值有較大提升。

但是，從試驗結(jié)果中也可以看到，雖然磷石膏–水泥對黃土的疲勞動應(yīng)力有所提升，但水泥摻比對疲勞動應(yīng)力門檻值的影響并不明顯，分析可能原因包括：①本次試驗的應(yīng)力等級設(shè)置偏少，使得拐點并不清晰，這將在今后研究中做進一步改善；②水泥的摻入雖然能增加試件的強度，同時使試件由延性往脆性轉(zhuǎn)變，其增加了在同一動應(yīng)力下抵抗變形的能力，但只要振次夠多，試件仍會發(fā)生震陷破壞，水泥的摻入只是起到延緩作用；③水泥摻比過高后，反而會因為鈣礬石的過量膨脹性對試件產(chǎn)生損傷（應(yīng)力反噬），使得試件的抗震性能提升效果減弱。

3 結(jié)論

（1）磷石膏–水泥的摻入能夠顯著提升黃土的動力特性，水泥摻比越高，動彈性模量越大、阻尼比越小，震陷變形越小。

（2）隨著動應(yīng)力的增大，動彈性模量呈先增加后減小的變化特征，阻尼比則與之相反，呈先減小后增大的變化特征。

（3）磷石膏–水泥，對于提升黃土的初始動彈性模量較為顯著，而對于初始動應(yīng)力的提升不明顯，水泥摻比越高，初始動彈性模量越大。

（4）提出采用等振次應(yīng)力–應(yīng)變曲線法進行疲勞動應(yīng)力門檻值的初步確定；磷石膏–水泥改良黃土的疲勞動應(yīng)力門檻值較素土有較大的提升，但與材料配比的關(guān)系不明顯，這可能與試驗動應(yīng)力等級設(shè)置較少、鈣礬石膨脹應(yīng)力反噬等因素有關(guān)，有關(guān)結(jié)論將在今后做進一步深入探討和分析。