高聚物固化鈣質(zhì)砂的動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

王海萍，高 盟，高運(yùn)昌，陳青生

(1.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590； 2.山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590； 3.華東交通大學(xué) 江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江西 南昌 330013)

隨著海洋資源的進(jìn)一步開發(fā)，南海島礁工程的建設(shè)日益重要。作為海洋中大量存在的巖土介質(zhì)，鈣質(zhì)砂是島礁建設(shè)的首選建筑材料。然而，鈣質(zhì)砂顆粒形態(tài)不規(guī)則，孔隙率較高，易破碎，工程力學(xué)特性差，不能直接用于建筑地基。因此，將鈣質(zhì)砂用于工程建設(shè)前須對(duì)其進(jìn)行加固處理。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鈣質(zhì)砂工程力學(xué)性質(zhì)的改良開展了一系列研究。王麗等[1]分別利用水泥、石膏、碳酸鈣粉對(duì)鈣質(zhì)砂進(jìn)行加固，并通過三軸試驗(yàn)探究在不同膠結(jié)物及不同含量下加固后土樣的應(yīng)力-應(yīng)變特征及強(qiáng)度特性。邱偉健等[2]運(yùn)用振動(dòng)沖密法加固鈣質(zhì)砂地基，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)地基的承載性能得到提高，其抗液化能力顯著增強(qiáng)。Wei等[3]運(yùn)用纖維加固鈣質(zhì)砂并通過三軸壓縮和拉伸試驗(yàn)測(cè)試了鈣質(zhì)砂加固后的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)經(jīng)纖維加固后鈣質(zhì)砂的抗剪強(qiáng)度明顯提高。Xiao等[4]運(yùn)用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù) (microbially induced calcite precipitation, MICP)對(duì)鈣質(zhì)砂地基進(jìn)行加固，通過一系列循環(huán)三軸試驗(yàn)比較了不同膠結(jié)液含量、有效圍壓和循環(huán)應(yīng)力比對(duì)液化的緩解作用，并分析影響液化緩解的因素。劉漢龍等[5]采用MICP加固法對(duì)鈣質(zhì)砂地基進(jìn)行加固，并開展動(dòng)三軸試驗(yàn)，探究鈣質(zhì)砂在不同膠結(jié)水平下的液化特征。Liu等[6]使用生物誘導(dǎo)方解石沉淀技術(shù)對(duì)鈣質(zhì)砂進(jìn)行了改良，并通過強(qiáng)度試驗(yàn)及三軸試驗(yàn)等研究了生物質(zhì)水泥鈣質(zhì)砂的強(qiáng)度及變形特性。以上加固措施提高鈣質(zhì)砂地基承載力有限，且會(huì)提高剛度和脆性，污染海洋環(huán)境。高聚物注漿加固技術(shù)是巖土工程中提高地基承載力和抗?jié)B性的有效方式，施工簡(jiǎn)單、成本低、無污染，已經(jīng)形成了較成熟的理論和施工方法。徐建國(guó)等[7]通過高聚物注漿建立高聚物防滲墻，相比傳統(tǒng)混凝土注漿加固技術(shù)，更為輕質(zhì)、環(huán)保，且抗?jié)B性能及耐久性能更佳。劉平等[8]運(yùn)用聚氨酯膠凝料對(duì)土石壩進(jìn)行改良，并開展靜力三軸試驗(yàn)分析堆石料經(jīng)過加固后的強(qiáng)度及應(yīng)力-應(yīng)變特征。但運(yùn)用高聚物對(duì)鈣質(zhì)砂加固改良的研究幾乎空白，文獻(xiàn)[9]僅研究了高聚物固化鈣質(zhì)砂的靜力力學(xué)性能，其動(dòng)力力學(xué)性能尚未涉及。

鈣質(zhì)砂處在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中，難免受到風(fēng)、浪、流、地震等動(dòng)荷載的客觀影響，因此研究固化鈣質(zhì)砂的動(dòng)力性能十分必要。Kaggwa等[10]針對(duì)澳大利亞西北部鈣質(zhì)砂施加三軸試驗(yàn)，分析了其在平均應(yīng)力水平、固結(jié)應(yīng)力比及循環(huán)應(yīng)力比影響下的孔隙水壓及動(dòng)應(yīng)變變化特征。孫吉主等[11]針對(duì)鈣質(zhì)砂開展動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)，探究循環(huán)荷載作用下鈣質(zhì)砂的液化機(jī)理，分析了內(nèi)部孔隙及非均質(zhì)性對(duì)其液化性能的影響。虞海珍等[12]通過循環(huán)剪切試驗(yàn)?zāi)M海浪，研究了鈣質(zhì)砂在海浪作用下的孔隙水壓增長(zhǎng)特征。徐學(xué)勇等[13]針對(duì)飽和鈣質(zhì)砂在室內(nèi)開展小型爆炸試驗(yàn)，探究了鈣質(zhì)砂在爆炸載荷下的動(dòng)力液化特征。Kargar等[14]通過循環(huán)三軸試驗(yàn)探究了碳酸鹽巖砂的動(dòng)力特性，分析了在不同循環(huán)應(yīng)力比及不同固結(jié)類型下碳酸鹽巖砂強(qiáng)度特性的變化。王曉麗等[15]運(yùn)用循環(huán)剪切試驗(yàn)探究了南海原狀鈣質(zhì)砂的動(dòng)力響應(yīng)，分析了鈣質(zhì)砂在應(yīng)力水平及相對(duì)密實(shí)度變化下的強(qiáng)度特征。高運(yùn)昌等[16]針對(duì)南海鈣質(zhì)砂開展動(dòng)三軸試驗(yàn)，對(duì)動(dòng)孔壓、應(yīng)變特征及滯回曲線進(jìn)行分析，并描述其液化過程。上述研究均未涉及固化鈣質(zhì)砂的動(dòng)力性能分析。

因此，本研究針對(duì)高聚物固化鈣質(zhì)砂進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，考慮動(dòng)應(yīng)力及有效圍壓，分析兩種試樣的孔隙水壓增長(zhǎng)規(guī)律、動(dòng)應(yīng)變發(fā)展特性以及滯回曲線的演化趨勢(shì)，對(duì)比分析高聚物固化前后鈣質(zhì)砂的動(dòng)力力學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 儀器及試樣規(guī)格

試驗(yàn)所用儀器為DDS-70微機(jī)控制電液伺服土動(dòng)三軸儀，采用直徑39.1 mm、高80 mm的圓柱試樣。

1.2 材料及試樣制備

1.2.1 原狀鈣質(zhì)砂的制備

鈣質(zhì)砂采集于我國(guó)南海某海域，疏松無膠結(jié)。首先對(duì)原狀鈣質(zhì)砂進(jìn)行處理，通過顆粒篩分試驗(yàn)測(cè)其粒徑分布，將鈣質(zhì)砂中直徑大于5 mm的大粒徑顆粒篩分去除。而后將處理后的鈣質(zhì)砂淘洗去除雜質(zhì)，再經(jīng)過煮沸及烘干后，按試驗(yàn)所需試樣大小通過分層振搗壓實(shí)和干砂水沉養(yǎng)護(hù)后制樣。

1.2.2 高聚物固化鈣質(zhì)砂的制備

聚氨酯是一種高分子化合物，經(jīng)由漿體材料體積膨脹形成發(fā)泡體，通過填補(bǔ)孔隙、膠黏顆粒來提高材料的強(qiáng)度和整體性。試驗(yàn)采用單組分聚氨酯泡沫膠黏劑 (polyurethane foam adhesive,PFA)，其剪切強(qiáng)度不小于80 kPa，拉伸黏結(jié)強(qiáng)度不小于60 kPa[17]。按高聚物摻量比5%，將鈣質(zhì)砂和PFA采用分層搗實(shí)的方法進(jìn)行制樣[9,18]，試樣如圖2所示。

圖2 高聚物固化鈣質(zhì)砂試樣Fig. 2 Sample of calcareous sand solidified by polymer

1.3 試驗(yàn)方案

本研究對(duì)高聚物固化鈣質(zhì)砂進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)研究[19-20]，考慮動(dòng)應(yīng)力比、有效圍壓及相對(duì)密實(shí)度，分析兩種試樣的孔隙水壓增長(zhǎng)規(guī)律、動(dòng)應(yīng)變發(fā)展特性以及滯回曲線的演化趨勢(shì)，對(duì)比分析高聚物固化前后鈣質(zhì)砂的動(dòng)力力學(xué)性能。試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 固化鈣質(zhì)砂及原狀鈣質(zhì)砂動(dòng)三軸試驗(yàn)方案Tab. 1 Dynamic triaxial test scheme for solidified calcareous sand and natural calcareous sand

試樣采用等向固結(jié)，破壞準(zhǔn)則選取應(yīng)變破壞準(zhǔn)則[21]，即試樣的軸向應(yīng)變到達(dá)5%時(shí)試驗(yàn)停止。加載波形為正弦波，振動(dòng)頻率為1 Hz。

2 試驗(yàn)結(jié)果和對(duì)比分析

2.1 動(dòng)孔壓增長(zhǎng)規(guī)律

圖3和圖4分別為高聚物固化鈣質(zhì)砂在不同圍壓和不同動(dòng)應(yīng)力作用下的孔壓曲線?？梢钥闯觯孩僭谙嗤瑒?dòng)應(yīng)力下，至液化破壞的振動(dòng)次數(shù)隨圍壓的升高而增加，即圍壓的升高使試樣更難產(chǎn)生液化；相同圍壓作用下，液化破壞所需的振動(dòng)次數(shù)隨動(dòng)應(yīng)力比的升高而減少，即動(dòng)應(yīng)力比的升高使試樣更易產(chǎn)生液化；②從孔壓曲線的整體增長(zhǎng)趨勢(shì)來看，不同有效圍壓及不同動(dòng)應(yīng)力下的孔壓曲線表現(xiàn)出不同的增長(zhǎng)趨勢(shì)?？讐涸鲩L(zhǎng)梯度越大，顯示為凹凸變化的整體趨勢(shì)；孔壓梯度越小，表現(xiàn)上凸型的增長(zhǎng)趨勢(shì)。在試驗(yàn)后期，曲線開始出現(xiàn)凹槽，試樣開始出現(xiàn)液化。

圖3 rd=0.9時(shí)不同圍壓下的孔壓曲線Fig. 3 Pore pressure curves under different confining pressures with rd=0.9

圖4 100 kPa圍壓時(shí)不同動(dòng)應(yīng)力的孔壓曲線Fig. 4 Pore pressure curves of different dynamic stresses under 100 kPa confining pressure

圖5為在動(dòng)應(yīng)力比rd=1.0時(shí)原狀鈣質(zhì)砂在不同圍壓下的孔壓曲線，由圖可知：①在相同動(dòng)應(yīng)力作用下，圍壓的升高使試樣更難發(fā)生液化；②從原狀鈣質(zhì)砂的動(dòng)孔壓增長(zhǎng)趨勢(shì)來看，不同圍壓下的趨勢(shì)是相似的，在動(dòng)應(yīng)力作用的初始階段(振動(dòng)次數(shù)N<20次)動(dòng)孔壓急劇上升。在液化過程前期，由于高孔隙率使鈣質(zhì)砂表現(xiàn)出較強(qiáng)的壓縮性，使鈣質(zhì)砂顆粒間的孔隙縮小，進(jìn)而使孔隙水壓力迅速上升；③試樣的動(dòng)孔壓隨著動(dòng)應(yīng)力的持續(xù)作用逐步積累，當(dāng)累積的動(dòng)孔壓值逼近有效圍壓值時(shí)，凹槽在波峰位置顯現(xiàn)，試樣出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象；后期凹槽漸趨穩(wěn)定，表明試樣已經(jīng)徹底液化破壞。

圖5 不同圍壓下原狀鈣質(zhì)砂孔壓曲線Fig. 5 Pore pressure curve of natural calcareous sand under different confining pressures

2.2 動(dòng)應(yīng)變發(fā)展特征

動(dòng)應(yīng)變的發(fā)展與振動(dòng)次數(shù)和動(dòng)應(yīng)力比密切相關(guān)。圖6和圖7分別為高聚物固化鈣質(zhì)砂在不同有效圍壓、不同動(dòng)應(yīng)力作用下的動(dòng)應(yīng)變(εd)增長(zhǎng)曲線。由圖可知：①在試驗(yàn)開始的前幾個(gè)周期，應(yīng)變的增長(zhǎng)較為快速。為了盡量減少高聚物固化鈣質(zhì)砂制樣過程中的顆粒破碎，在達(dá)到試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，采用的鼓搗方式可能導(dǎo)致了在試驗(yàn)過程前期，動(dòng)應(yīng)力的突然施加使其產(chǎn)生一定的壓縮量。因此，若采用固化鈣質(zhì)砂進(jìn)行地基加固應(yīng)預(yù)先對(duì)固化鈣質(zhì)砂進(jìn)行一定的荷載預(yù)壓；②試驗(yàn)中期，動(dòng)應(yīng)變呈現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而后在最后的液化破壞階段增速又變大，此過程表明固化鈣質(zhì)砂試樣在荷載作用下不會(huì)發(fā)生突然的變形破壞，而是有一定的累積過程，給監(jiān)測(cè)動(dòng)力作用下固化鈣質(zhì)砂的地基變形留出了寶貴的反應(yīng)時(shí)間。

圖6 rd=0.9時(shí)不同圍壓下的應(yīng)變曲線Fig. 6 Strain curves under different confining pressures with rd=0.9

圖8(a)和圖8(b)分別為原狀鈣質(zhì)砂在不同動(dòng)應(yīng)力比和不同有效圍壓作用下的累積塑性應(yīng)變?chǔ)興c增長(zhǎng)曲線。根據(jù)圖8(a)可得：①塑性應(yīng)變?cè)趧?dòng)應(yīng)力的持續(xù)作用下逐步累積，當(dāng)累積的塑性變形接近某臨界值時(shí)，試樣產(chǎn)生液化現(xiàn)象，動(dòng)應(yīng)變急劇變大，最終試樣失穩(wěn)破壞；②液化破壞所需的振動(dòng)次數(shù)隨著動(dòng)應(yīng)力比的降低而增加，動(dòng)應(yīng)力比越小，試樣液化破壞時(shí)的應(yīng)變水平越低，失穩(wěn)位置越明顯。這是由于鈣質(zhì)砂容易碎裂，動(dòng)應(yīng)力比越小，累積到同一動(dòng)應(yīng)變時(shí)振次數(shù)愈多，從而使鈣質(zhì)砂具有更充裕的時(shí)間將顆粒重排列，使鈣質(zhì)砂顆粒更緊實(shí)。從圖8(b)可知：在相同動(dòng)應(yīng)力下，圍壓的升高使試樣更難產(chǎn)生液化，且有效圍壓越大，試樣液化失穩(wěn)處的應(yīng)變水平越高。這是因?yàn)橛行鷫涸礁?，試樣所受的?cè)向約束越強(qiáng)，從而使其產(chǎn)生同一動(dòng)應(yīng)變時(shí)有效圍壓高的試樣顆粒破碎更嚴(yán)重，釋放更多的孔隙來消散孔隙水壓力。因而需要更大的累積塑性應(yīng)變才能使動(dòng)孔壓累積到液化位置，進(jìn)而使試樣失穩(wěn)破壞。

圖8 原狀鈣質(zhì)砂考慮不同因素的εdc-N關(guān)系曲線Fig. 8 εdc -N curve of natural calcareous sand considering different factors

2.3 滯回曲線的演變過程

圖9和圖10分別為100 kPa圍壓時(shí)不同動(dòng)應(yīng)力下固化鈣質(zhì)砂的滯回曲線和rd=1.0時(shí)不同圍壓下原狀鈣質(zhì)砂的滯回曲線。在圖9和圖10中，A、A′為最大正應(yīng)力點(diǎn)，B、B′為最大負(fù)應(yīng)力點(diǎn)。

圖1 原狀鈣質(zhì)砂示意圖Fig. 1 Schematic diagram of natural calcareous sand

由圖9可知：①隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，曲線產(chǎn)生明顯的偏移，滯回曲線逐步向右傾斜；②在試驗(yàn)前期，滯回曲線顯示為一系列近似為平行的曲線，沒有出現(xiàn)明顯的軟化現(xiàn)象；當(dāng)應(yīng)變的增加達(dá)到一定程度(εdc=2%)時(shí)，滯回環(huán)下部才發(fā)生明顯變化，如圖9(a)、(b)所示；當(dāng)動(dòng)應(yīng)力較大時(shí)，滯回環(huán)的后期變形更為明顯，如圖9(c)；③滯回環(huán)的形狀變化特性是前期穩(wěn)定，中期劇烈，后期又逐漸趨于穩(wěn)定。

圖9 100 kPa圍壓時(shí)不同動(dòng)應(yīng)力下固化鈣質(zhì)砂的滯回曲線Fig. 9 Hysteresis curve of solidified calcareous sand under different dynamic stress at 100 kPa confining pressure

從圖10可以看出，原狀鈣質(zhì)砂的滯回曲線與高聚物固化鈣質(zhì)砂有較大的不同：①隨著振動(dòng)次數(shù)的增大，滯回曲線逐步偏移；②最大正應(yīng)力及最大負(fù)應(yīng)力均隨著振動(dòng)次數(shù)的升高而逐步減小，且減小幅度與有效圍壓成反比；③試驗(yàn)加載前期，滯回曲線形狀基本不變，面積有微小的增大，這是由于試驗(yàn)初期主要發(fā)生鈣質(zhì)砂顆粒之間的相互錯(cuò)動(dòng)，使鈣質(zhì)砂顆粒變得更加緊密，從而使鈣質(zhì)砂的抵抗變形能力有所增強(qiáng)；④中期，滯回曲線形狀發(fā)生劇烈變化，面積逐漸增大，這是由于隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，應(yīng)變和孔壓逐步積累，當(dāng)累積到某一臨界值時(shí)，其抵抗變形的能力開始減弱，鈣質(zhì)砂的易破碎性有所顯現(xiàn)；⑤加載后期，滯回曲線的形狀趨于穩(wěn)定，面積稍有縮小，這是因?yàn)轭w粒結(jié)構(gòu)破壞產(chǎn)生大量塑性變形，降低了其抵抗變形的能力，且應(yīng)變幅值迅速升高，最終使試樣液化破壞。滯回環(huán)形狀的變化特性與高聚物固化鈣質(zhì)砂相似。

圖10 rd=1.0時(shí)不同圍壓下原狀鈣質(zhì)砂的滯回曲線Fig. 10 Hysteresis curve of undisturbed calcareous sand under different confining pressures when rd=1.0

將動(dòng)應(yīng)力歸一化之后，分別將AB線和A′B′線連接，得到原狀鈣質(zhì)砂的AB和A′B′線及高聚物固化鈣質(zhì)砂的AB和A′B′線如圖11所示。

從圖11中可以看出，從AB線到A′B′線，直線的斜率減小，說明原狀鈣質(zhì)砂及固化鈣質(zhì)砂的抗剪強(qiáng)度均有所降低。這是因?yàn)殁}質(zhì)砂在循環(huán)動(dòng)應(yīng)力作用下產(chǎn)生殘余孔隙水壓力，將顆粒骨架中的有效應(yīng)力逐步向水中轉(zhuǎn)移。由圖11(a)可知：隨著有效圍壓的升高，A′B′線與橫坐標(biāo)軸間存在的傾斜角度逐漸降低，這是由于液化后鈣質(zhì)砂的顆粒骨架中仍有殘余強(qiáng)度存在，且這個(gè)殘余強(qiáng)度隨著有效圍壓的升高而降低。從圖11(b)可以看出，隨著動(dòng)應(yīng)力的增加，A′B′連線的斜率逐漸縮小，但是與橫軸的傾角相較于原狀鈣質(zhì)砂增大，表明固化鈣質(zhì)砂在破壞后的顆粒骨架強(qiáng)度比原狀鈣質(zhì)砂高。

圖11 AB和A′B′線Fig. 11 Lines AB and A′B′

3 結(jié)論

1) 經(jīng)高聚物固化的鈣質(zhì)砂抗液化能力明顯加強(qiáng)。相較于原狀鈣質(zhì)砂而言，固化鈣質(zhì)砂液化破壞循環(huán)次數(shù)明顯增加，且有效圍壓越高，達(dá)到液化破壞時(shí)的振動(dòng)次數(shù)越多。

2) 鈣質(zhì)砂試樣的動(dòng)應(yīng)變發(fā)展具有累積性，但固化前后呈現(xiàn)出不同的增長(zhǎng)趨勢(shì)。原狀鈣質(zhì)砂在試驗(yàn)初始階段應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較為緩慢，在后期急劇增大；固化鈣質(zhì)砂在試驗(yàn)前期應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較為快速，中期穩(wěn)定增長(zhǎng)，后期急劇增大。

3) 摻加高聚物前后，鈣質(zhì)砂滯回環(huán)形狀的演變規(guī)律基本相同：前期變化較穩(wěn)定，中期形狀劇烈變化，后期形狀又逐漸趨于穩(wěn)定。

4) 高聚物漿體材料經(jīng)體積膨脹而形成發(fā)泡體，通過填補(bǔ)孔隙、膠黏顆粒改善了鈣質(zhì)砂的變形特性，增加了其動(dòng)力作用下的延性，提高了顆粒骨架強(qiáng)度及整體性。因此，可利用高聚物對(duì)鈣質(zhì)砂進(jìn)行固化處理，作為回填材料應(yīng)用于南海島礁建設(shè)。