粉煤灰與動(dòng)載耦合作用下黃土震陷試驗(yàn)研究

王 峻，王 謙，鐘秀梅，王 平，柴少峰

(1.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅蘭州 730000;2.中國地震局黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000;3.甘肅省巖土防災(zāi)工程技術(shù)研究中心，甘肅蘭州 730000;4.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州 730000)

我國西北地區(qū)黃土分布具有范圍廣、厚度大、成因類型復(fù)雜等特點(diǎn)，同時(shí)又是多地震區(qū)。由于黃土是具大孔性的弱粘結(jié)的特殊土類，對地震有很敏感的效應(yīng)。歷史上黃土地區(qū)曾發(fā)生過多次強(qiáng)烈地震，給當(dāng)?shù)厝嗣竦纳拓?cái)產(chǎn)造成了巨大損失，黃土地區(qū)修筑的公路等交通干線也因地震而遭到嚴(yán)重破壞?？梢钥闯?，黃土與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工程建設(shè)和人類生存環(huán)境有著密切關(guān)系。近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國家加大了對中西部地區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)的投資，黃土地區(qū)的公路等交通干線等級(jí)不斷提高，然而由于黃土的工程性質(zhì)比較特殊，有時(shí)雖經(jīng)壓實(shí)還是不能滿足工程需要，所以研究改良黃土的動(dòng)力性質(zhì)，對進(jìn)行震害預(yù)測、地基抗震性能的評(píng)價(jià)有著特別重要的理論和實(shí)際意義。

國外從20世紀(jì)20年代開始，就將粉煤灰用于公路建設(shè)［1］。在我國，粉煤灰于20世紀(jì)80年代開始被用來填筑公路路基，鐵路部門于20世紀(jì)90年代開始進(jìn)行粉煤灰填筑路基試驗(yàn)。近年來，粉煤灰改良作為地基的一種處理方法，越來越廣泛地應(yīng)用于公路等路基的建設(shè)中。陳存禮等［2］用國道312線蘭州柳忠高速公路段黃土分別摻合一定比例的水泥、石灰、粉煤灰后，對其力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，為選擇較好的摻合料修筑路堤提供了試驗(yàn)依據(jù)，得到了一些規(guī)律性的結(jié)論;趙少強(qiáng)等［3］研究了粉煤灰改良黃土的作用機(jī)理、壓縮特性、水穩(wěn)定性、強(qiáng)度特性以及齡期、摻合比對粉煤灰改良黃土工程力學(xué)特性的影響，為鄭-西客運(yùn)專線路基填料的選擇和應(yīng)用提供了科學(xué)的指導(dǎo)和重要的參考建議;高振林等［4］對摻入適量粉煤灰的黃土試塊進(jìn)行室內(nèi)壓縮實(shí)驗(yàn)，得出其壓縮系數(shù)和濕陷系數(shù)，并對黃土粉煤灰混合料的力學(xué)性能進(jìn)行探討，證明粉煤灰能改變濕陷性黃土的工程性質(zhì)，使其能滿足工程對地基土的要求;夏瓊等［5］結(jié)合蘭新鐵路蘭(州)— 武(威南)復(fù)線工程，對素黃土、粉煤灰黃土、粉煤灰與石灰(二灰)、水泥改良黃土填料，在不同摻合比、不同含水量下進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，探討粉煤灰與石灰、水泥改良黃土的強(qiáng)度特性與水穩(wěn)性。試驗(yàn)結(jié)果表明，粉煤灰可在一定程度上改善黃土強(qiáng)度特性;張向東等［6］通過對素土和不同比例的二灰改良土進(jìn)行動(dòng)強(qiáng)度，動(dòng)彈性模量試驗(yàn)，研究二灰含量對動(dòng)力參數(shù)的影響，并列出了幾種配比的試驗(yàn)結(jié)果供比較和參考;蘭常玉等［7］以粉煤灰改良的膨脹土為研究對象，通過壓實(shí)非飽和試件的動(dòng)三軸試驗(yàn)，考察了粉煤灰摻入量確定的條件下，循環(huán)次數(shù)、動(dòng)荷大小、圍壓等對土體動(dòng)強(qiáng)度的影響;祝艷波等［8］采用石灰、水泥、粉煤灰對泥巖風(fēng)化物進(jìn)行改良試驗(yàn)研究，從宏觀和微觀角度研究泥巖改良土的工程特性，為現(xiàn)場改良路基土填筑施工提供了依據(jù)。

綜上所述，利用粉煤灰改良黃土是一個(gè)較理想的辦法，它不僅能提高改良土的工程性能，增強(qiáng)改良土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，使其滿足工程要求，而且又可解決粉煤灰作為廢棄物，其堆量大、占地多、嚴(yán)重污染環(huán)境等問題，具有良好的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。盡管以往的研究中對粉煤灰等作為土的改良材料進(jìn)行了研究，但基本是有關(guān)此類土靜力學(xué)方面的研究成果，有關(guān)動(dòng)力學(xué)方面的研究則較少。而專門針對粉煤灰改良黃土的動(dòng)力學(xué)研究幾乎未見到，這對黃土地區(qū)公路等交通設(shè)施的地震安全是不利的。因此，研究粉煤灰改良黃土的動(dòng)力特性，為黃土地區(qū)公路等路基工程的地震變形分析和抗震穩(wěn)定性分析提供合理可靠的基本參數(shù)十分必要。

本文以不同摻量粉煤灰改良黃土的震陷試驗(yàn)為基礎(chǔ)，從粉煤灰和動(dòng)荷載作用等方面考察了黃土的震陷特性，通過粉煤灰摻量的改變來反映黃土在動(dòng)荷載作用下的震陷性變化，建立了相應(yīng)的黃土震陷特性關(guān)系。這些關(guān)系反映了粉煤灰和動(dòng)載耦合作用所導(dǎo)致的黃土震陷特性的變化，對研究粉煤灰與動(dòng)載耦合作用下的黃土震陷性質(zhì)有著重要意義，對于粉煤灰改良黃土的工程應(yīng)用提供了一種理論參考。

1 試驗(yàn)簡介

1．1 試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)在中國地震局黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的DSD-160型電磁式振動(dòng)三軸儀上進(jìn)行。該儀器可以穩(wěn)定輸出多種荷載波形，頻率范圍為0.1～100Hz。

1．2 試驗(yàn)材料

(1)土樣:土樣取自甘肅省臨夏縣北塬地表以下4m處，其基本物理性質(zhì)如表1所示。按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》SL237-001-1999分類法，為黃土。

表1 黃土的物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of loess

(2)粉煤灰:粉煤灰為取自國電蘭州熱電有限責(zé)任公司的Ⅱ級(jí)粉煤灰，其化學(xué)成分見表2。

表2 粉煤灰化學(xué)成分含量Table 2 Chemical composition of coal ash

(3)灰-土配比:為了研究粉煤灰和動(dòng)荷載耦合作用下黃土的震陷特性，并通過對比分析，找出粉煤灰改良黃土的最佳配比。本文粉煤灰摻量選用如下比例:5%、10%、15%、20%、25%(重量比)。其目的是用來研究不同摻量粉煤灰黃土的震陷特性以及粉煤灰摻量的變化對其的影響。

1．3 試樣制備

首先將粉煤灰與干土按比例均勻混合后，以含水率(16.0%)為標(biāo)準(zhǔn)制備土樣，攪拌均勻后悶料24 h。然后利用土工試樣制備儀將悶料處理的土料分3層擊實(shí)。最后將土樣制成直徑為50mm、高為100mm的圓柱形試樣，養(yǎng)護(hù)齡期3d。在制樣時(shí)統(tǒng)一物性指標(biāo)以消除由此帶來的差異。為了對比分析，同時(shí)還制備了一組素土樣。各試樣的基本物理指標(biāo)見表3。

表3 試樣的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 3 Physical property of sample

1．4 試驗(yàn)方法

在動(dòng)三軸試驗(yàn)中，黃土震陷通常表示為動(dòng)荷載作用前后試樣高度差與動(dòng)荷載作用前試樣高度之比［9～10］，即:

式中:εpN——?jiǎng)討?yīng)力σd作用N次所產(chǎn)生的殘余應(yīng)變;

H、H’(N)——?jiǎng)討?yīng)力作用前和作用N次后黃土試樣的高度;

N——?jiǎng)虞d振次。

試驗(yàn)中，固結(jié)壓力模擬地基土有附加荷載下的應(yīng)力狀態(tài)，即:σ1c=200kPa，σ3c=118kPa。在該固結(jié)壓力下，對同一組的4～5個(gè)試樣分別施加不同幅值的動(dòng)應(yīng)力，就可獲得不同振次下的動(dòng)應(yīng)力σd和殘余應(yīng)變?chǔ)舙關(guān)系曲線，即震陷曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1 粉煤灰改良黃土的震陷性特征

圖1分別給出了動(dòng)載振次N為10～40次時(shí)，由試驗(yàn)測得6組試樣的震陷曲線。可以看出，在動(dòng)荷載作用下黃土的震陷特性隨粉煤灰摻量變化的特征是非常明顯的:隨粉煤灰摻量的增加，黃土的抗震陷性逐漸增強(qiáng)。在粉煤灰摻量較小(5%、10%)時(shí)，改良黃土的震陷曲線與素黃土接近，表明粉煤灰摻量較少時(shí)對黃土震陷性質(zhì)影響不大，起不到減輕黃土震陷性的作用。當(dāng)粉煤灰摻量增大時(shí)，震陷曲線逐漸抬高，表明改良黃土的抗震陷性在逐漸增強(qiáng)。粉煤灰摻量大于15%后，震陷曲線明顯抬高，在15%和20%粉煤灰摻量之間震陷曲線跨度較其它粉煤灰摻量為大，顯示出這期間是一個(gè)抗震陷性快速增長區(qū)間，這說明隨著粉煤灰摻量的增加，改良土的強(qiáng)度大大提高，主要原因是參與水合作用和絮凝作用的粉煤灰的數(shù)量增加，改良黃土性質(zhì)發(fā)生了變化，土體的結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)所致［11］;其機(jī)理主要是灰-土反應(yīng)，這些反應(yīng)的結(jié)果使土顆粒的結(jié)合水膜厚度減薄，土膠粒絮凝，生成晶體氫氧化鈣和含水硅鋁酸鈣等膠結(jié)物，這些膠結(jié)物逐漸由膠凝狀態(tài)向晶體化狀態(tài)轉(zhuǎn)化，致使改良土的剛度增大，強(qiáng)度和水穩(wěn)定性不斷提高［12］。當(dāng)粉煤灰摻量大于20%后，震陷曲線的變化就不明顯了，20%和25%粉煤灰摻量的黃土震陷曲線非常接近，說明粉煤灰改良黃土的震陷規(guī)律存在一最佳劑量，當(dāng)劑量達(dá)到某一數(shù)值后，繼續(xù)增加粉煤灰對提高土體的抗震陷性是非常有限的，主要原因是過多的粉煤灰將沉積于土中孔隙而不參加反應(yīng)，反而不利于粉煤灰改良土抗震陷性的提高。

由圖1可將粉煤灰-動(dòng)載耦合作用下的試驗(yàn)現(xiàn)象歸納為:隨著粉煤灰摻量m的增大，土樣的殘余應(yīng)變?chǔ)舙逐漸減小，動(dòng)應(yīng)力σd幅值逐漸增大。

對圖1的震陷曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果表明，不同摻量粉煤灰黃土的震陷曲線均可利用如下二次函數(shù)進(jìn)行擬合:

式中:εp——?dú)堄鄳?yīng)變(%);

σd——?jiǎng)討?yīng)力(kPa);

a、b、c ——震陷曲線參數(shù)。

圖1 不同粉煤灰摻量下黃土的震陷曲線Fig．1 Seismic subsidence curves of loess under different fly ash amount

為更具體、直觀地研究粉煤灰-動(dòng)載耦合作用下，黃土的殘余應(yīng)變?chǔ)舙隨粉煤灰摻量m和動(dòng)應(yīng)力σd變化趨勢，以動(dòng)載振次N=10次的震陷曲線為例進(jìn)行討論。即在相同動(dòng)荷載條件下，取不同粉煤灰摻量試樣的殘余應(yīng)變，分析其隨粉煤灰摻量的變化趨勢，其變化關(guān)系經(jīng)回歸分析見表4和圖2。

可以看出，在相同振次和動(dòng)應(yīng)力條件下，殘余變形與粉煤灰摻量之間顯示出較好的相關(guān)性，即在同一動(dòng)載水平下，粉煤灰摻量m愈大，殘余應(yīng)變?chǔ)舙愈小。該曲線可以用下述表達(dá)式表示:

式中:a、b——粉煤灰摻量對殘余應(yīng)變的影響參數(shù)。

表4 不同動(dòng)應(yīng)力下黃土殘余應(yīng)變與粉煤灰摻量關(guān)系對比Table 4 Relationship between fly ash amount and dynamic residual strain of loess under different dynamic stress

圖2 不同動(dòng)應(yīng)力下εp-m曲線(N=10次)Fig．2 Relationship between εp-m under differentσd(N=10)

需要說明的是，當(dāng)粉煤灰摻量較大時(shí)，不同動(dòng)應(yīng)力下的擬合曲線之間的差異變小，收斂靠近，此時(shí)，黃土在動(dòng)荷載作用下殘余應(yīng)變增長緩慢。

2．2 動(dòng)載振次對粉煤灰改良黃土震陷的影響

為了研究動(dòng)荷載的振次對不同粉煤灰摻量黃土震陷性的影響，圖3給出了一定動(dòng)應(yīng)力(σd=100kPa)下不同粉煤灰摻量黃土的殘余應(yīng)變與隨動(dòng)載振次的增長曲線。

圖3 不同粉煤灰摻量時(shí)εP-N曲線(σd=100kPa)Fig．3 Relationship between εp-N under different m(σd=100kPa)

由圖3可知，殘余應(yīng)變隨動(dòng)載振次的增多而增大，其增長速率隨動(dòng)載振次的增多而減小，粉煤灰摻量越大，殘余應(yīng)變隨動(dòng)載振次的增長越緩慢，但不論哪種配比的土樣殘余應(yīng)變主要發(fā)生在前10次振動(dòng)中，且粉煤灰摻量越大，表現(xiàn)越明顯。

從圖3中還可發(fā)現(xiàn)，粉煤灰摻量是影響黃土震陷的一個(gè)重要因素。粉煤灰摻量越大，改良黃土的殘余應(yīng)變越小。但當(dāng)m≥20%后，粉煤灰摻量的增加對改良黃土震陷影響甚微，表明此時(shí)再增加粉煤灰含量對增強(qiáng)改良黃土的抗震陷性能意義不大?？梢悦黠@看出粉煤灰改良黃土的最佳摻量為20%。

對圖3曲線進(jìn)行擬合(表5)，不同粉煤灰摻量下黃土的殘余應(yīng)變與動(dòng)載振次關(guān)系可用下式表示:

式中:a、b——?jiǎng)虞d振次對殘余應(yīng)變的影響參數(shù)。

表5 不同粉煤灰摻量下黃土殘余應(yīng)變與動(dòng)載振次關(guān)系Table 5 Relationship between εp-N under different m

2．3 粉煤灰改良黃土的震陷臨界動(dòng)應(yīng)力

震陷臨界動(dòng)應(yīng)力通常指使土試樣發(fā)生明顯震陷變形時(shí)的動(dòng)應(yīng)力。當(dāng)動(dòng)應(yīng)力大于臨界動(dòng)應(yīng)力后，殘余應(yīng)變將急劇增大，因此其可作為判斷黃土是否發(fā)生震陷的標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)［13］將殘余應(yīng)變?yōu)?.015時(shí)對應(yīng)的動(dòng)應(yīng)力稱為震陷臨界動(dòng)應(yīng)力。為了對比分析，本文仍取殘余應(yīng)變?yōu)?.015對應(yīng)的動(dòng)應(yīng)力稱為震陷臨界動(dòng)應(yīng)力σd0.015。

圖4和表6為不同粉煤灰摻量時(shí)黃土震陷臨界動(dòng)應(yīng)力σd0.015的變化規(guī)律?？梢钥闯?，震陷臨界動(dòng)應(yīng)力隨粉煤灰摻量的增加先緩慢增大然后迅速增大直至保持基本穩(wěn)定。在緩慢增大階段，粉煤灰摻量對震陷臨界動(dòng)應(yīng)力影響甚微，其值變化不大，此階段粉煤灰摻量m≤10%。在迅速增大階段，隨著粉煤灰摻量的升高，粉煤灰改良黃土的震陷臨界動(dòng)應(yīng)力明顯增大，此階段粉煤灰摻量在15%～20%。在保持基本穩(wěn)定的階段，相同動(dòng)載振次條件下粉煤灰改良黃土的震陷臨界動(dòng)應(yīng)力基本相等，粉煤灰摻量為20%和25%土樣的震陷臨界動(dòng)應(yīng)力值(N=10)僅相差9kPa，且隨著動(dòng)載振次的增大其差值在逐漸減小，動(dòng)載振次N=40次時(shí)兩者僅差3kPa，表明粉煤灰摻量為20%時(shí)，改良黃土的震陷臨界動(dòng)應(yīng)力基本上達(dá)到最大值，也進(jìn)一步證明了粉煤灰改良黃土的最佳配比為20%。

圖4 不同動(dòng)載振次下σd0．015-m曲線Fig．4 Relationship between σd0．015-m under different N

表6 不同動(dòng)載振次下震陷臨界動(dòng)應(yīng)力與粉煤灰摻量關(guān)系Table 6 Relationship between σd-m under different N

從表6中可以看出，不同動(dòng)載振次下，震陷臨界動(dòng)應(yīng)力隨粉煤灰摻量的變化規(guī)律是相似的。粉煤灰摻量越高，震陷臨界動(dòng)應(yīng)力值越大;動(dòng)載振次越大，震陷臨界動(dòng)應(yīng)力值越小;當(dāng)粉煤灰摻量較高時(shí)，震陷臨界動(dòng)應(yīng)力值相差較小，且隨動(dòng)載振次的增大越來越明顯。

3 結(jié)論

(1)粉煤灰與動(dòng)載耦合作用對黃土震陷性有顯著的影響。在一定固結(jié)應(yīng)力下，黃土的震陷性隨著粉煤灰摻量增大而單調(diào)減弱。這種影響具體體現(xiàn)在震陷曲線的形態(tài)、殘余應(yīng)變的大小、殘余應(yīng)變隨著動(dòng)載振次變化的規(guī)律以及震陷臨界動(dòng)應(yīng)力等方面。

(2)隨著粉煤灰摻量的增大，土的殘余應(yīng)變逐漸減小，動(dòng)應(yīng)力幅值逐漸增大。

(3)殘余應(yīng)變隨動(dòng)載振次的增多而增大，其增長速率隨動(dòng)載振次的增多而減小;粉煤灰摻量越大，殘余應(yīng)變隨動(dòng)載振次的增長越緩慢;但不論哪種配比的土樣殘余應(yīng)變主要發(fā)生在前10次振動(dòng)中，且粉煤灰摻量越大，表現(xiàn)越明顯。

(4)黃土的震陷臨界動(dòng)應(yīng)力的發(fā)展受粉煤灰摻量影響顯著。在不同動(dòng)載振次下，黃土的震陷臨界動(dòng)應(yīng)力隨粉煤灰摻量增大均經(jīng)歷了平穩(wěn)增長、急劇上升、再穩(wěn)定收斂的發(fā)展過程，說明在黃土中適量加入粉煤灰可提高改良黃土的抗震陷性。

(5)粉煤灰摻量的增加改良黃土的抗震陷性有明顯提高，但當(dāng)粉煤灰摻量≥20%后，粉煤灰摻量的增加對改良黃土震陷影響甚微。根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果，并借鑒已有的研究成果，得到粉煤灰改良黃土的最佳粉煤灰摻量為20%。

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