水泥改良黏性土的循環(huán)動力特性

潘望文

(岳陽市公路橋梁基建總公司, 湖南 岳陽 414000)

0 引言

隨著公路工程和鐵路工程等工程實(shí)踐的發(fā)展, 目前工程界對路基的重視程度和路面結(jié)構(gòu)一樣.當(dāng)路基填料不滿足設(shè)計要求時, 需要對填料進(jìn)行改良.填料改良在公路工程和鐵路工程中比較常見, 特別是在高速公路工程和高速鐵路工程中[1,2].常見的填料改良方法包括化學(xué)改良法和物理改良法.當(dāng)改良原因主要在于水穩(wěn)性等方面時, 通常采用化學(xué)改良法, 主要包括石灰改良和水泥改良等[3～6].由于路基的強(qiáng)度和變形對公路和鐵路的行車平穩(wěn)性和安全性有重要影響, 且路面上的車輛荷載屬于隨機(jī)循環(huán)動荷載, 因此, 路基填料的循環(huán)動力學(xué)性質(zhì)是工程界研究的熱點(diǎn).目前常用于研究土循環(huán)動力性質(zhì)的試驗(yàn)主要包括循環(huán)直剪試驗(yàn)、共振柱試驗(yàn)、離心機(jī)試驗(yàn)和振動三軸試驗(yàn)等[7～9], 通過這些試驗(yàn)可以研究土的動強(qiáng)度、動彈模與阻尼比等動力循環(huán)特征參數(shù)[2,10～12].循環(huán)直剪試驗(yàn)中, 剪切面在剪切過程中會發(fā)生改變, 這對試驗(yàn)結(jié)果會有一定影響[13].相比共振柱試驗(yàn)和離心機(jī)試驗(yàn), 振動三軸試驗(yàn)所需設(shè)備的造價較低, 且試驗(yàn)過程簡單, 因此, 振動三軸試驗(yàn)在工程中應(yīng)用最廣.

影響土循環(huán)動力性質(zhì)的主要因素包括圍壓、加載頻率、孔隙比和顆粒級配等, 對于黏性土化學(xué)改良路基工程, 通常主要考慮加載頻率和圍壓的影響.目前, 對于高速公路等對路基變形控制有高要求的道路工程, 通常不直接采用黏性土作為路基的主要填料.特別是水穩(wěn)性差的黏性土, 需要利用水泥或者石灰進(jìn)行化學(xué)改良[14～18].為此, 本文針對水泥改良黏性土路基工程, 利用振動三軸儀, 在不同圍壓和加載頻率條件下對水泥改良黏性土開展循環(huán)振動壓縮試驗(yàn), 研究圍壓和加載頻率對動彈模、阻尼比和動強(qiáng)度的影響, 以期能為水泥改良黏性土路基工程提供參考.

1 水泥改良黏性土振動三軸壓縮試驗(yàn)方案

1.1 土樣

未改良土樣為黏性土, 取自某高速公路沿線.土的天然含水率為24.2%, 顆粒密度為2.673 g/cm3, 塑性指數(shù)為22.1.

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和試樣制作

(1) 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器為DDS-70 微機(jī)控制電磁式振動三軸儀.利用DDS-70 試驗(yàn)機(jī)可以開展動彈模與阻尼比試驗(yàn)和動強(qiáng)度試驗(yàn).微機(jī)控制系統(tǒng)可以對試樣施加方波、正弦波和三角波等振動波形, 并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)集進(jìn)行自動采集.

(2) 試樣制作

試樣為圓柱體, 高度為80mm, 直徑為39.1mm.采用普通硅酸鹽水泥P.O32.5 對黏性土進(jìn)行改良.工程中水泥改良土的水泥質(zhì)量百分比一般為4%～10%[1,2], 本文水泥改良黏性土試樣的水泥質(zhì)量百分比為4%, 含水率為20.5%, 干密度為2.31g/cm3.由于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28d 后, 水泥的強(qiáng)度基本達(dá)到穩(wěn)定, 此時試樣的力學(xué)性質(zhì)具有代表性, 因此, 對試樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù), 當(dāng)水泥改良黏性土試樣的養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28d 時, 對試樣開展循環(huán)振動試驗(yàn).

1.3 試驗(yàn)設(shè)計

本文的循環(huán)振動試驗(yàn)包括動彈模與阻尼比試驗(yàn)和動強(qiáng)度試驗(yàn).

(1) 循環(huán)振動荷載

在循環(huán)振動試驗(yàn)中, 由微機(jī)系統(tǒng)控制振動三軸儀對試樣施加軸向振動荷載.采用正弦波作為振動加載波, 正弦波函數(shù)為

其中σd為試樣軸向動應(yīng)力;為軸向動應(yīng)力幅值;f為振動加載頻率;t為振動加載時間.

當(dāng)加載時間t為最小周期或頻率倒數(shù)的整數(shù)倍, 即t滿足

時, 式(1)改寫為

其中N為循環(huán)加載次數(shù).

(2) 動彈模與阻尼比試驗(yàn)

動彈模與阻尼比試驗(yàn)的振動荷載函數(shù)為式(1)或式(3).首先對試樣施加圍壓, 然后在試樣軸向逐級施加振動荷載.加載過程不排水.每1級動力加載, 循環(huán)次數(shù)N=5.在逐級施加過程中, 第i級加載的軸向動應(yīng)力幅值和圍壓之間滿足

其中ki為第i級施加荷載的動靜應(yīng)力比, 0＜ki＜1,i=1～5;S為圍壓.

在動彈模與阻尼比試驗(yàn)中, 振動加載頻率 1, 2f=和5 Hz, 100S=, 150 和300 kPa.

動彈模計算公式[12]為

其中Ed為動彈模;εd為軸向動應(yīng)變幅值.

對于理想粘彈性體,-關(guān)系如圖1所示[12].

圖1 -關(guān)系曲線

根據(jù)圖1, 阻尼比計算公式[12]為

其中Ad為滯回圈的面積;A為ΔOPQ的面積;λd為阻尼比.

(3) 動強(qiáng)度試驗(yàn)

動強(qiáng)度試驗(yàn)的振動荷載函數(shù)為式(1)或式(3).首先對試樣施加圍壓, 然后在試樣軸向施加振動荷載.加載過程不排水.

根據(jù)式(3), 在一定的動應(yīng)力幅值和循環(huán)次數(shù)N作用下, 當(dāng)土的軸向變形達(dá)到5%時, 認(rèn)為土體發(fā)生破壞, 此時, 有如下關(guān)系式成立:

其中Nf為破壞振次;σdf為振次Nf對應(yīng)的動強(qiáng)度.

在動強(qiáng)度試驗(yàn)中, 振動加載頻率 1, 2f=和5 Hz, 100S=, 150 和300 kPa.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 動彈模與阻尼比試驗(yàn)結(jié)果及分析

(1) 動彈模

① 加載頻率對動彈模的影響

當(dāng)圍壓S=100 kPa, 加載頻率f=1, 2和5Hz 時, 動彈模Ed和動應(yīng)變幅值之間的關(guān)系如圖2所示.從圖2可看出, 當(dāng)加載頻率和圍壓一定時, 動彈模隨動應(yīng)變幅值的增加而減小.當(dāng)圍壓一定時, 隨著加載頻率的增大,Ed-關(guān)系曲線表現(xiàn)出整體沿縱坐標(biāo)軸向上移動的趨勢.這表明, 隨著加載頻率的增大, 動彈模增大.Ed-關(guān)系可用下式進(jìn)行擬合[3,4]:

其中Emaxd為最大動彈模,a為動彈模的擬合參數(shù).

最大動彈模和最大阻尼比是反映材料粘彈性的兩個重要參數(shù), 而粘彈性屬于循環(huán)振動特性.本文通過研究頻率和圍壓對最大動彈模和最大阻尼比這兩個參數(shù)的影響, 揭示頻率和圍壓對改良土循環(huán)振動性質(zhì)的影響.

根據(jù)式(10)得到的擬合結(jié)果見表1.從表1可看出, 當(dāng)圍壓S一定時, 最大動彈模Emaxd隨加載頻率f的增大而增大.本文的循環(huán)振動荷載為正弦波振動, 屬于簡諧振動.在簡諧振動作用下, 加載頻率越大, 應(yīng)力加載速率越大.即便經(jīng)過化學(xué)改良, 水泥改良黏性土仍然和普通土一樣具有多孔散體材料的特征, 會表現(xiàn)出粘滯性, 且應(yīng)力加載速率越快, 粘滯性越顯著.對于改良試樣, 隨著加載頻率增大, 軸向應(yīng)力加載速率增大.因具有粘滯性, 試樣瞬時軸向變形發(fā)展相對滯后于軸向應(yīng)力的變化, 根據(jù)式(5)計算得到的瞬時動彈模隨加載頻率的增大而增大.根據(jù)式(10), 當(dāng)趨近0 時, 瞬時動彈模為最大動彈模.因此, 最大動彈模也隨加載頻率的增大而增大.

② 圍壓對動彈模的影響

當(dāng)加載頻率f=1Hz, 圍壓S=100, 150 和300 kPa 時, 動彈模Ed和動應(yīng)變幅值之間的關(guān)系如圖3所示.從圖3可看出, 當(dāng)圍壓和加載頻率一定時, 動彈模隨動應(yīng)變幅值的增大而減小.當(dāng)加載頻率一定時, 隨著圍壓的增大,Ed-關(guān)系曲線表現(xiàn)出整體沿縱坐標(biāo)軸向上移動的趨勢.Ed-關(guān)系采用式(10)進(jìn)行擬合, 擬合結(jié)果見表2.

圖2 Ed-關(guān)系曲線( S=100 kPa)

圖3 Ed-關(guān)系曲線( f=1 Hz)

表1 Edmax 和a(S=100 kPa)

表2 Edmax 和a (f =1 Hz)

從表2可知, 加載頻率f一定時, 最大動彈模Emaxd隨圍壓S的增大而增大.這是因?yàn)閲鷫涸酱? 試樣周邊受到的束縛越大, 試樣越密實(shí), 從而導(dǎo)致試樣變形越難發(fā)展.即初始動力加載時, 土的密實(shí)狀態(tài)和圍壓相關(guān).而初始動力加載時, 土越密實(shí), 最大動彈模Emaxd越大.因此, 最大動彈模隨圍壓的增大而增大.

(2) 阻尼比

① 加載頻率對阻尼比的影響

當(dāng)圍壓S=100kPa, 加載頻率f=1,2和5 Hz 時, 阻尼比λd和動應(yīng)變幅值之間的關(guān)系如圖4所示.從圖4可看出, 當(dāng)圍壓和加載頻率一定時, 阻尼比隨動應(yīng)變幅值的增加而減小.當(dāng)圍壓一定時, 隨著加載頻率增大,λd-關(guān)系曲線表現(xiàn)出整體沿縱坐標(biāo)軸向上移動的趨勢.這表明, 隨著加載頻率增大, 土的阻尼比增大.λd-關(guān)系可用下式進(jìn)行擬合[3,4]:

其中λmaxd為最大阻尼比,b為阻尼比的擬合參數(shù).

根據(jù)式(11), 擬合結(jié)果見表3.從表3可看出, 當(dāng)圍壓S一定時, 最大阻尼比λdmax隨加載頻率f的增大而增大.最大阻尼比是反映土粘滯性的重要參數(shù), 其數(shù)值越大表示土的粘滯性越強(qiáng).由于應(yīng)力加載速率隨著加載頻率的增大而增大, 而土的粘滯性通常隨應(yīng)力加載速率增大而變得顯著.因此, 隨著加載頻率增大, 土的最大阻尼比增大.

② 圍壓對阻尼比的影響

當(dāng)加載頻率f=1Hz, 圍壓S=100, 150 和300 kPa 時, 阻尼比λd和動應(yīng)變幅值之間的關(guān)系如圖5所示.從圖5可看出, 當(dāng)加載頻率和圍壓一定時, 隨著動應(yīng)變幅值的增大, 阻尼比λd增大.當(dāng)加載頻率一定時, 隨著圍壓增大,λd-關(guān)系曲線表現(xiàn)出整體沿縱坐標(biāo)軸向下移動的趨勢.這表明, 加載頻率相同時, 圍壓越大, 阻尼比越小.λd-關(guān)系采用式(11)進(jìn)行擬合, 擬合結(jié)果見表4.

圖4 λd -關(guān)系曲線( S =100 kPa)

圖5 λd -關(guān)系曲線( f=1 Hz)

表3 λdmax 和b(S=100 kPa)

表4 λdmax 和b(f =1 Hz)

從表4可看出, 當(dāng)加載頻率f一定時, 最大阻尼比λmaxd隨圍壓S的增大而減小.由于圍壓越大, 試樣受到的束縛越大, 試樣內(nèi)部土顆粒間越難發(fā)生摩擦滑移, 而土顆粒間摩擦滑移使得試樣表現(xiàn)出粘滯性并產(chǎn)生能量損耗.因此, 增大圍壓可以減小粘滯性能量損耗, 從而減小最大阻尼比.

2.2 動強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

(1) 加載頻率對動強(qiáng)度的影響

當(dāng)圍壓 100S=kPa, 加載頻率 1,2f=和5 Hz 時, 動強(qiáng)度σdf和破壞振次Nf之間的關(guān)系如圖6所示.從圖6可看出, 隨著f的增大,σdf-Nf關(guān)系曲線表現(xiàn)出整體沿縱坐標(biāo)軸向上移動的趨勢.這表明, 當(dāng)fN一定時,f越大,σdf越大; 或者, 當(dāng)σdf一定時,f越大,Nf越大.即當(dāng)破壞振一定時, 加載頻率越大, 水泥改良黏性土的動強(qiáng)度越大; 或者, 當(dāng)動強(qiáng)度一定時, 加載頻率越大, 破壞振次越大.隨著加載頻率的增大, 應(yīng)力加載速率增大, 土的粘滯性變得顯著, 導(dǎo)致土樣軸向變形發(fā)展滯后于軸向應(yīng)力.因此, 對于循環(huán)振動加載, 動應(yīng)力幅值是一定的, 當(dāng)加載頻率增大時, 變形的發(fā)展滯后于應(yīng)力的發(fā)展, 若要變形到破壞的標(biāo)準(zhǔn), 必然要增大循環(huán)振動次數(shù)或者循環(huán)作用時間, 表現(xiàn)為: 隨著加載頻率的增加, 破壞振次增大.

圖6 σdf - Nf 關(guān)系曲線(S=100 kPa)

圖7 - 關(guān)系曲線(f =1 Hz)

(2) 圍壓對動強(qiáng)度的影響

當(dāng)加載頻率f=1 Hz, 圍壓S=100, 150 和300kPa 時, 動強(qiáng)度σdf和破壞振次Nf之間的關(guān)系如圖7所示.從圖7可看出, 隨著S的增大,σdf-Nf關(guān)系曲線在坐標(biāo)軸內(nèi)向上移動, 這表明, 當(dāng)Nf一定時,S越大,σdf越大.即當(dāng)循環(huán)振次一定時, 圍壓越大, 動強(qiáng)度越大.或者當(dāng)循環(huán)動應(yīng)力幅值一定時, 圍壓越大, 破壞振次越大.這是由于當(dāng)動應(yīng)力幅值一定時, 圍壓越大, 加載初始時土的密實(shí)性越好, 土顆粒產(chǎn)生滑移破壞所需變形越大, 因此, 增大圍壓導(dǎo)致試樣達(dá)到變形破壞標(biāo)準(zhǔn)所需的振動次數(shù)增大.

3 結(jié)論

本文利用小型三軸振動壓縮試驗(yàn)儀器對水泥改良黏性土開展循環(huán)振動試驗(yàn), 研究得到加載頻率和圍壓對土的動彈模、阻尼比和動強(qiáng)度的影響規(guī)律, 得到的主要結(jié)論為:

(1) 加載頻率和圍壓是影響水泥改良黏性土循環(huán)動力性質(zhì)的重要因素, 加載頻率和圍壓均對水泥改良黏性土的動彈模、阻尼比和動強(qiáng)度有影響;

(2) 隨著加載頻率的增大, 水泥改良黏性土的最大動彈模、最大阻尼比和動強(qiáng)度均增大;

(3) 隨著圍壓的增大, 水泥改良黏性土的最大動彈模和動強(qiáng)度均增大, 但最大阻尼比減小.