孟 靖， 莊心善， 周睦凱， 周 榮

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

膨脹土被稱為世界工程中的“病癥”，是一種主要成分為蒙脫石、伊利石與高嶺石的粉質(zhì)粘土。由于膨脹土廣泛分布且易于采集，使其在建筑，鐵路，高速交通道路等領(lǐng)域大量應(yīng)用。此類土體由于具有吸水膨脹，失水收縮的特性，會在季節(jié)性地區(qū)引起較為明顯的建筑物沉降與破壞。為了減少此類土體特性帶來的損失，可以摻入摻料來改變土體的性質(zhì)，改善土體內(nèi)部構(gòu)造，降低變形能力。國內(nèi)外許多土力學(xué)者對膨脹土特性進(jìn)行了大量的研究[1-10]，Hardin[1]對膨脹土阻尼與剪切模量公式進(jìn)行了定義，鄢黎明[8]等向膨脹土中摻入粉煤灰進(jìn)行改良，進(jìn)行不同天數(shù)的養(yǎng)護(hù)，研究表明粉煤灰能有效抑制膨脹土的膨脹性，養(yǎng)護(hù)齡期與抗壓強度呈乘冪關(guān)系。莊心善[9]采用粉煤灰—玄武巖纖維改良膨脹土，得出玄武巖纖維在定量粉煤灰摻量下對膨脹土的影響規(guī)律，黃勇杰[11]等采用風(fēng)化砂對膨脹土進(jìn)行改良，結(jié)論表明風(fēng)化砂可以提升膨脹土的動彈性模量及阻尼比，毛成[12]等采用石灰等改性膨脹土，對比在重復(fù)荷載與永久變形下素膨脹土與改性后土體動彈性模量與阻尼比變化，結(jié)論表明改性后土體各方面性能均有提升。

綜上所述，目前對于改良膨脹土大多針對于改良后膨脹特性以及物理力學(xué)性能進(jìn)行研究，但對粉煤灰改良土體動力特性研究甚少，因此，本文采用不同摻量粉煤灰對膨脹土進(jìn)行改良，通過GDS真三軸儀對養(yǎng)護(hù)7天不同摻量的膨脹土進(jìn)行分級加載荷載來研究其動力特性，通過分析滯回曲線數(shù)據(jù)來計算土體動彈性模量、阻尼比等物理性質(zhì)與土體動應(yīng)變關(guān)系的作用規(guī)律。

1 試驗簡介

1.1 試驗土體

膨脹土選用自安徽合肥某高速公路工程，呈淺褐色，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)及試驗規(guī)范，自由膨脹率試驗測得土樣的自由膨脹率為46%，塑性指數(shù)為38，參考《膨脹土地區(qū)建筑基礎(chǔ)規(guī)范》(GBJ112-87)，定義此類膨脹土為弱膨脹土。具體參數(shù)如表1所示。

表1 膨脹土物理性質(zhì)

1.2 試驗材料

粉煤灰取自河南某新材料有限公司，檢測具體成分含量為二氧化硅45.1%，三氧化二鋁24.2%，含水量0.85%，氯離子0.015%，氧化鈣5.6%，燒失量為2.8%，鐵含量0.85%，定義此類粉煤灰為F類粉煤灰。

1.3 試驗儀器

試驗儀器為GDS真動三軸儀(圖1)，不同于傳統(tǒng)三軸儀，該儀器中增加計算機(jī)控制與分析系統(tǒng)，實現(xiàn)控制精度高且數(shù)字化操作的優(yōu)點，使得測量系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)向壓力室施加軸向力、圍壓、反壓，準(zhǔn)確測量土體的孔壓、軸向應(yīng)力、形變量等并實時記錄數(shù)據(jù)，通過GDS真動三軸儀可以開展飽和土或非飽和土的各種應(yīng)力試驗。

1-圍壓和反壓傳感器；2,7-作動器；3-荷重傳感器；4-安全制動按鈕;5-電源箱；6-可選LVDT或者高精度proximitor升級圖 1 GDS真動三軸儀

1.4 試樣制備

根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-2019)采用高100 mm，直徑為50 mm的規(guī)范圓柱體模具進(jìn)行土樣制備，以最佳含水率進(jìn)行土樣重塑；設(shè)置粉煤灰摻量[7-8]分別為0，5%，10%，15%，按表2方案制作，每組4個試樣，3組共12個，擊實試樣時分5層，按每層2 cm進(jìn)行擊實且每層土擊實次數(shù)不低于25次，分層處鑿毛刮平，制備完成后將試樣靜置1 d，待粉煤灰顆粒與膨脹土充分反應(yīng)，再將試樣放入飽和器內(nèi)抽氣真空飽和8 h來排凈重塑試樣土體間隙的氣體，并在標(biāo)準(zhǔn)溫度恒溫箱下養(yǎng)護(hù)7 d。

表2 試驗方案

1.5 試驗方案

根據(jù)現(xiàn)場勘查以及土體取樣深度，確定試驗圍壓為50、100、150 kPa。將在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)7 d的試樣取出，裝進(jìn)GDS真三軸儀使用反壓裝置對土體進(jìn)行飽和，待飽和度Sr達(dá)到0.95時，再按設(shè)計方案施加圍壓與軸壓進(jìn)行排水固結(jié)7 h，待排水固結(jié)完成，采用頻率f=1 Hz的正弦波的應(yīng)力幅值加載方式，如圖2所示，其中OA為施加軸向力階段，OB為施加圍壓固結(jié)階段，BC為動力加載過程。正弦波加載公式如下：

σd=σs+σmsin(2πft)

(1)

式中：σd為動應(yīng)力值，σs為起始動應(yīng)力值，σm為動應(yīng)力幅值，f為荷載頻率，t為加載時間，將動應(yīng)力幅值從初始階段分20級逐次加載，每級提高10 kPa動應(yīng)力幅值，并循環(huán)振動10次，每振級取10圈滯回曲線，當(dāng)軸向形變達(dá)到5%時，視為土體破壞，但不中止試驗，直至20階段全部加載完成，具體試驗方案如表2所示。

圖 2 正弦波荷載加載方式

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 膨脹土動彈性模量變化規(guī)律

每個振級震動10次，獲取10圈滯回曲線，每個振級中第i圈滯回曲線動彈性模量計算公式：

(2)

每個振級平均滯回曲線模量計算公式：

(3)

式(2)中:Edi為第i圈滯回曲線動彈性模量值，σdimax為第i圈滯回曲線最大動應(yīng)力，σdimin為第i圈滯回曲線最小動應(yīng)力，εdimax為第i圈滯回曲線最大動應(yīng)變，εdimin為第i圈滯回曲線最大動應(yīng)變。

分別獲取十圈滯回曲線中各項動應(yīng)力與動應(yīng)變數(shù)據(jù)，計算對應(yīng)動彈性模量，將十圈動彈性模量相加并取平均值以減小誤差。計算公式如式(3)所示。計算土體動彈性模量并繪制出Ed-εd曲線。

圖 3 某一個周期動荷載產(chǎn)生的滯回曲線

(a)σ3=50 kPa

(b)σ3=100 kPa

(c)σ3=150 kPa圖 4 動彈性模量-動應(yīng)變曲線

由圖4可知，在不同圍壓以及不同摻量的條件下，動彈性模量隨著動應(yīng)變皆呈現(xiàn)先急劇增大至一個峰值后再快速下降并逐漸趨于平緩的過程，當(dāng)0.5%<εd<1%時，土體主要處于彈性形變階段，塑性形變較小，土體回彈性能良好，導(dǎo)致Ed急速增大并快速達(dá)到峰值，隨著動應(yīng)變增大，部分土體進(jìn)入塑性形變階段，引起土體抵抗變形能力減弱，Ed快速減小，當(dāng)3%<εd<5%時，Ed減小的速率降低并逐漸趨于平緩，該曲線走勢說明土體發(fā)生應(yīng)變硬化，改良土剛度提升。

由圖4可得，在圍壓為50、100、150 kPa的情況下，10%摻灰率對比素土的Edmax分別提升了110.4%、60.9%、79.6%，可見動彈性模量及峰值受圍壓影響明顯。

由圖4c可知，在150 kPa圍壓下，土體壓縮已較為密實，改良膨脹土動彈性模量明顯高于素土，10%摻灰率的Edmax為119.5 MPa，相較于素土66.5 MPa提升了79.6%，但15%摻灰率的Edmax為115 MPa，對比10%摻灰率Edmax反而降低了3.9%，說明動彈性模量隨著摻灰率的提高先增大后減小。在各項加載條件相同情況下，摻粉煤灰可以明顯提高土體強度，但5%的摻灰率改良土由于包含離子成分明顯不足，導(dǎo)致土體間的離子反應(yīng)與顆粒膠結(jié)作用不夠明顯，所以低摻量的土體Ed值提升不顯著。15%摻灰率的土體動彈性模量在各個圍壓下均小于10%摻灰率土體，因為粉煤灰在微觀下是許多空心球狀顆粒[12]，過多的粉煤灰顆粒致使土體缺乏足夠的水分子進(jìn)行電離，抑制了土體內(nèi)部的離子反應(yīng)，多余粉煤灰顆粒在土體內(nèi)部形成粉煤團(tuán)狀物，但粉煤灰本身強度較小，當(dāng)受到外力荷載時，這些脆弱結(jié)構(gòu)會先被破壞，進(jìn)而降低試樣動彈性模量，導(dǎo)致15%摻灰率土樣的Ed小于10%的土樣。

總結(jié)數(shù)據(jù)可知10%摻灰率膨脹土對動彈性模量提升效果優(yōu)于15%摻灰率，根據(jù)本次試驗結(jié)果可認(rèn)為10%摻灰率為最佳摻量。

2.2 膨脹土阻尼比變化規(guī)律

膨脹土的阻尼比λ是指在周期性動荷載下衡量土體在振動下吸收能量的參數(shù)。

阻尼比λ為阻尼系數(shù)C與臨界阻尼比系數(shù)Cr之比：

(4)

其中,能量損失數(shù)ψ的公式為一次循環(huán)振級所消耗能量△W與該振級總能量W之比：

ψ=△W/W

(5)

如圖3所示，該振級所儲存總能量W為滯回曲線最大動應(yīng)力σdimax、最大動應(yīng)變εdimax與原點所圍成三角形OAB面積：

(6)

滯回曲線面積為一次循環(huán)荷載消耗能量ΔW。

阻尼比λ公式為：

λ=(1/4π)·(△W/W)

(7)

取每個振級下第5～8圈滯回曲線計算，繪制同摻量下阻尼比-動應(yīng)變曲線，如圖5所示。

(a)摻灰率=0%

(b)摻灰率=5%

(c)摻灰率=10%

(d)摻灰率=15%圖 5 阻尼比-動應(yīng)變曲線

由圖5得知，在不同摻量與不同圍壓情況下，λ-εd曲線與Ed-εd曲線呈現(xiàn)出完全相反的走勢，在應(yīng)變初期，由于土體尚處于彈性形變階段，土體阻尼比值非常高，隨著動應(yīng)變增大先急劇減小然后逐漸增大后直至穩(wěn)定。

通過對比不同摻量下阻尼比-動應(yīng)變曲線走勢，可以發(fā)現(xiàn)不同加載圍壓與不同摻量的土體均在0.5%<εd<1%時取得λmin，此時滯回曲線面積變化較大，每振級循環(huán)消耗能量不斷加大，所以阻尼比變化幅度較大，在動應(yīng)變范圍為3%<εd<5%時對應(yīng)的滯回曲線面積數(shù)值相近，此時每循環(huán)振級所消耗能量幾乎不變化，阻尼比值已趨于穩(wěn)定。

相同摻量的土樣阻尼比λ隨著圍壓的增大而增大，圍壓每增大50 kPa，阻尼比值提升5%～10%，因為隨著圍壓增大，粉煤灰顆?？梢愿泳o密的填滿膨脹土體內(nèi)的顆粒間隙，從而降低孔隙率，使土體結(jié)構(gòu)密實，整體阻尼比值升高。

由圖5總結(jié)可知，εd>4%后，土體阻尼比值均已接近穩(wěn)定值，圍壓為50 kPa時，所有試樣的阻尼比值均處于20%～30%。在圍壓為100 kPa時，所有試樣的阻尼比值均處于25%～35%，在圍壓為150 kPa時，所有試樣的阻尼比值均處于35%～40%，可見粉煤灰摻量對阻尼比的影響不明顯。

3 結(jié)論

在一定含水率和干密度的條件下，向膨脹土加入不同摻量的粉煤灰，使用GDS動三軸儀器對改良土進(jìn)行動力特性試驗研究，主要結(jié)論如下：

1)Ed-εd曲線走勢相似且具有明顯規(guī)律性，隨著應(yīng)變增加，動彈性模量先急劇增長至一個峰值，隨后快速下降，在εd>5%后曲線趨于平緩，證明土體具有“應(yīng)變硬化”特點。

2)動彈性模量在應(yīng)變初期變化幅度較大，Ed在范圍為0.5%<εd<1%時可取到峰值，證明改良土體在應(yīng)變較小時具有優(yōu)秀的抗形變能力。

3)經(jīng)粉煤灰改良土體的彈性模量與阻尼比相較于素土有明顯的提升，且在相同圍壓加載條件下，Ed隨著摻灰率的提升先增大后減小，根據(jù)本試驗數(shù)據(jù)可認(rèn)為10%摻灰率為最佳摻量。

4)圍壓可顯著提升膨脹土的阻尼比值，每增加50 kPa圍壓可提高5%～10%的膨脹土阻尼比值。

5)圍壓條件相同情況下，粉煤灰摻量對阻尼比提升不明顯，因此，粉煤灰摻量對λ-εd曲線沒有明顯影響。