凍融循環(huán)作用下城市污泥固化土動(dòng)強(qiáng)度特性研究*

楊愛武 楊少朋 楊少坤 姜 帥 王亞成

(①東華大學(xué)，環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620，中國)

(②天津城建大學(xué)，天津市軟土特性與工程環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384，中國)

0 引 言

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，我國城市污泥產(chǎn)量迅速增加。污泥具有高含水率、刺鼻臭味、力學(xué)性質(zhì)差和污染物含量高等特點(diǎn)，在運(yùn)輸與處理過程中，如果處理不當(dāng)發(fā)生泄漏，將會(huì)造成嚴(yán)重的二次污染，大量的城市污泥堆積也容易引發(fā)工程地質(zhì)災(zāi)害。將城市污泥通過固化輕質(zhì)技術(shù)配制成具有輕質(zhì)且強(qiáng)度高等特點(diǎn)的城市污泥固化土，將其應(yīng)用到路基填料工程當(dāng)中能有效地解決道路不均勻沉降引起的工程問題。

在城市污泥固化處理技術(shù)研究方面，國內(nèi)外學(xué)者圍繞城市污泥固化處理中運(yùn)用的添加劑進(jìn)行了大量研究。楊家寬等(2012)利用在污泥中添加無機(jī)復(fù)合調(diào)理劑的思路，將生石灰、粉煤灰混合加入到污泥中進(jìn)行污泥的改性處理。試驗(yàn)結(jié)果表明，在固化過程中，無機(jī)復(fù)合調(diào)理劑顯著改善了污泥的脫水性能，構(gòu)成了新的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使污泥固化土有了抵御外力的能力。Chen et al.(2010)通過向污泥中添加水泥等添加劑，研究發(fā)現(xiàn)水泥在污泥中發(fā)生水化反應(yīng)后，與污泥顆粒結(jié)合構(gòu)成一種高強(qiáng)度的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，使污泥在外力作用下變形較小，并且觀察發(fā)現(xiàn)外力作用后的固化土依舊保持多孔結(jié)構(gòu)，污泥強(qiáng)度得到明顯提升。吳炎等(2019)在污泥中摻入紙漿渣燒結(jié)灰(PS灰)和水泥，采用多因素分析法，研究得到固化污泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與PS灰和水泥含量呈“階梯形”分布。Thapa et al.(2009)研究了向硝化后的污泥中添加褐煤、鋸末和硅藻土等其他添加劑后的污泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)，表明不同的外加劑均可以在污泥內(nèi)部構(gòu)建一個(gè)新的結(jié)構(gòu)，提高污泥固化土的強(qiáng)度。Zhao(2002), Zhao et al.(2001)將石膏加入污泥中，利用石膏與污泥混合作用提高鋁鹽絮凝污泥的能力，從而提高污泥固化土的強(qiáng)度。

實(shí)際工程中，路基土不僅要承受自重以及上部荷載引起的變形，還要在季節(jié)更替等自然因素作用下滿足力學(xué)特性的要求，凍融循環(huán)作用是影響土特性的重要自然環(huán)境條件之一。目前眾多學(xué)者主要研究了凍融循環(huán)對(duì)土的物理力學(xué)特性的影響。楊成松等(2003)基于凍融循環(huán)，研究了土體干容重和含水率的變化規(guī)律，通過分析可知土的干容重會(huì)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加有所波動(dòng)，但最終會(huì)趨于一個(gè)穩(wěn)定值，且這個(gè)值只與土體種類有關(guān)。Johnson et al.(1978，1979)以粉土和黏土路面作為研究對(duì)象，采用室內(nèi)試驗(yàn)和原位試驗(yàn)相結(jié)合的方式建立了凍融循環(huán)后的力學(xué)模型。對(duì)凍融循環(huán)試驗(yàn)過程中的粉土和黏土進(jìn)行靜三軸試驗(yàn)，通過對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析得到回彈模量、含水率和干密度隨凍融循環(huán)變化的函數(shù)表達(dá)式。Chamberlain et al.(1979)以凍融循環(huán)為基礎(chǔ)，研究了凍融循環(huán)對(duì)土體滲透性的影響，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析雖未建立明確的數(shù)量關(guān)系，但提出凍融循環(huán)對(duì)塑性指數(shù)高的土影響較大，其滲透性改變最顯著。

除自然氣候環(huán)境影響外，土體在工程安全運(yùn)營階段仍受到長(zhǎng)期動(dòng)荷載作用，國內(nèi)外眾多學(xué)者圍繞著土動(dòng)力特性展開了一系列研究，提出了真實(shí)交通荷載作用下，傳遞至路基的間歇性動(dòng)靜荷載模型(王直民，2006；劉飛禹，2007；孫波，2013)。劉亞明等(2018)針對(duì)車輛動(dòng)荷載作用下干密度、圍壓和頻率對(duì)路基土體動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的響應(yīng)展開研究。提出在路基設(shè)計(jì)過程中要以車輛動(dòng)荷載頻率范圍的下限作為路基相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的參考。宋金華等(2018)對(duì)凍融循環(huán)后的石灰改良土進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，建立了動(dòng)應(yīng)力和凍融循環(huán)作用共同影響下的累積塑性變形預(yù)測(cè)模型，并進(jìn)一步分析了摻灰比、凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)臨界動(dòng)應(yīng)力的影響。王靜等(2014)對(duì)經(jīng)受不同凍融次數(shù)作用后的路基土進(jìn)行不同圍壓條件下的動(dòng)三軸試驗(yàn)，分析得出動(dòng)模量與圍壓、塑性指數(shù)和凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系式。陳強(qiáng)等(2019)探討了動(dòng)荷載作用下含水率和加載頻率對(duì)鐵路路基膨脹土力學(xué)特性的影響，對(duì)確保膨脹土地區(qū)鐵路線的安全運(yùn)營具有重要意義。

綜合目前國內(nèi)外學(xué)者的研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，大量學(xué)者針對(duì)城市污泥固化技術(shù)和基于凍融循環(huán)的改良土的力學(xué)性質(zhì)以及動(dòng)荷載作用下的力學(xué)性質(zhì)都有所研究，但綜合考慮城市污泥固化土在氣候條件耦合作用下動(dòng)力特性的研究較少。而污泥固化土作為一種新型填墊料應(yīng)用于路基工程當(dāng)中，不可避免地會(huì)受到環(huán)境氣候變化引起的凍融循環(huán)作用，其在長(zhǎng)期交通荷載作用下的動(dòng)力特性是否滿足工程需求尚需進(jìn)一步探討?；诖?，本文結(jié)合天津地區(qū)路基填料所受季凍特點(diǎn)，對(duì)經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)和凍融溫度后的城市污泥固化土，探討其在長(zhǎng)期動(dòng)荷載作用下的力學(xué)指標(biāo)變化規(guī)律，以期對(duì)在多變的自然氣候環(huán)境影響下，經(jīng)凍融循環(huán)與動(dòng)荷載耦合作用后的污泥固化土高效安全應(yīng)用提供理論支撐。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)土樣及制備

試驗(yàn)所用污泥取自天津某污泥堆場(chǎng)，呈固態(tài)且有強(qiáng)烈腐臭氣味，取回后室溫下密封并遮光保存，以防污泥中水分流失和有機(jī)質(zhì)降解。城市污泥的基本物理性質(zhì)見表1，重金屬含量如表2所示。

表1 污泥的基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of sludge

表2 重金屬含量Table 2 Extractable metal content

試驗(yàn)采用軟黏土作為土骨架，將軟黏土、污泥與固化劑進(jìn)行充分混合配置污泥固化土，其基本物性指標(biāo)見表3。所用固化劑為自主研發(fā)，并已申請(qǐng)專利(楊愛武等，2017)。固化劑主要由固化劑主劑和固化劑輔劑兩部分組成，以普通硅酸鹽水泥作為固化劑主劑，對(duì)污泥固化土的強(qiáng)度起主要作用；固化劑輔劑分為輔劑1和輔劑2兩種，起催化作用，加快強(qiáng)度增長(zhǎng)速度的同時(shí)增大最終強(qiáng)度。

表3 軟黏土基本物理力學(xué)指標(biāo)Table 3 Basic physical and mechanical indices of soft clay

固化之前往污泥中添加適量生石灰進(jìn)行消化處理，可以發(fā)揮降低含水率和分解有機(jī)質(zhì)的作用。通過大量試驗(yàn)，綜合考慮土體強(qiáng)度和實(shí)際工程造價(jià)等因素，最終確定污泥固化土試樣的制備方案如表4所示。

表4 污泥固化土制備方案Table 4 Preparation scheme of sludge solidified soil

將配置完成的污泥混合料裝入模具，制取直徑3.91icm，高8icm的圓柱形試樣，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。由分析可知污泥固化土養(yǎng)護(hù)28id后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)比較緩慢，認(rèn)為其內(nèi)部反應(yīng)基本完成(楊愛武等，2018)，故選擇齡期為28id的污泥固化土進(jìn)行物理力學(xué)特性分析，具體如表5所示。

表5 養(yǎng)護(hù)28d污泥固化土的基本物理性質(zhì)Table 5 Physical property parameters of sludge solidified soil cured for 28 days

1.2 凍融循環(huán)試驗(yàn)方案

在本次試驗(yàn)中，采用可控溫型凍融試驗(yàn)箱進(jìn)行凍融試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28id后的試樣用保鮮膜嚴(yán)密包裹，模擬封閉式環(huán)境。在不同凍融溫度下，試樣在試驗(yàn)箱內(nèi)放置12ih視作模擬一次凍結(jié)。完成一次凍結(jié)后的試樣在溫度20i℃環(huán)境下放置12ih視作一次融化。

考慮在自然氣候環(huán)境條件下，天津地區(qū)冬季低溫波動(dòng)范圍以及固化土埋深影響，凍融溫度選擇-15i℃、-10i℃及-15i℃進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。為與后期開展動(dòng)力特性研究保持一致，選取養(yǎng)護(hù)28id的試樣在凍融循環(huán)后進(jìn)行圍壓σ3為20ikPa的三軸剪切試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，在同一凍融循環(huán)作用次數(shù)情況下，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著凍融溫度的降低而降低。原因在于不同的凍融溫度下，固化土內(nèi)部的水在轉(zhuǎn)化成冰晶的過程中，速度以及數(shù)量等都存在差異，隨著溫度的降低，低溫凍結(jié)加劇了土體的結(jié)構(gòu)性破壞，形成的冰晶對(duì)土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)性破壞程度隨之加大，從而導(dǎo)致固化土抗剪強(qiáng)度對(duì)凍融溫度降低而逐漸減小。同時(shí)同一凍融溫度下試樣抗剪強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而減小，在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，凍融循環(huán)溫度越低，抗剪強(qiáng)度越低，且均呈現(xiàn)出在前5次凍融循環(huán)作用下，抗剪強(qiáng)度衰減較快，在7次左右基本趨于平穩(wěn)。

以最低凍融循環(huán)溫度-15i℃為例，在凍融溫度為-15i℃條件下，經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的污泥固化土試樣三軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可知，污泥固化土在不同凍融循環(huán)次數(shù)作用后，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，曲線表現(xiàn)為弱應(yīng)變軟化型，強(qiáng)度存在峰值點(diǎn)。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，峰值強(qiáng)度逐漸降低，且達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變也隨之減小，前3次凍融循環(huán)作用后，強(qiáng)度下降較大，當(dāng)經(jīng)歷7次凍融循環(huán)作用以后，其強(qiáng)度基本趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)橥馏w在經(jīng)過最初幾次凍融循環(huán)作用后，由于失水干縮與吸水濕脹，導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)較多的裂縫，土體結(jié)構(gòu)性破損比較嚴(yán)重，土體強(qiáng)度明顯下降，而在經(jīng)過一定次數(shù)(7次)的凍融循環(huán)作用后，土顆粒之間的黏結(jié)力和干濕循環(huán)作用產(chǎn)生的應(yīng)力逐漸趨于平衡，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，裂縫不再繼續(xù)擴(kuò)大，強(qiáng)度逐漸穩(wěn)定。綜上所述，選擇1次、3次、5次、7次、10次凍融循環(huán)次數(shù)作為模擬污泥固化土受氣候條件影響的試驗(yàn)條件。

1.3 動(dòng)力特性試驗(yàn)方案

采用DDS振動(dòng)三軸儀對(duì)經(jīng)過凍融循環(huán)作用后的污泥固化土試樣進(jìn)行不排水條件下的動(dòng)三軸試驗(yàn)，以探討固化土在長(zhǎng)期循環(huán)荷載作用下的累積變形和動(dòng)強(qiáng)度特性。考慮到固化土作為路基填料使用時(shí)的埋置深度以及車輛交通振動(dòng)荷載對(duì)路基土的影響深度，試驗(yàn)過程中將圍壓σ3設(shè)定為20ikPa。循環(huán)荷載波形采用近似交通荷載的標(biāo)準(zhǔn)正弦波形，研究發(fā)現(xiàn)，地鐵的頻率一般小于2iHz(鄭剛等，2013)，由于交通荷載的頻率變化范圍大，與交通工具的選取、車速及運(yùn)行時(shí)間段有關(guān)，并隨著車輛行駛速度和密度的增加而增加，同時(shí)結(jié)合公路設(shè)計(jì)規(guī)范，最終選取頻率1iHz(相當(dāng)于汽車行駛速度70ikm·h-1)。凍融溫度選擇-15i℃、-10i℃及-15i℃，凍融循環(huán)次數(shù)選取為1次、3次、5次、7次、10次，動(dòng)三軸試驗(yàn)方案如表6所示。

表6 動(dòng)三軸試驗(yàn)方案Table 6 Dynamic triaxial test scheme

軸向循環(huán)應(yīng)力荷載采取分級(jí)加載的方式，分級(jí)加載應(yīng)力大小根據(jù)試樣三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果確定，第1級(jí)循環(huán)應(yīng)力為100ikPa，之后逐級(jí)遞增，每級(jí)循環(huán)荷載振動(dòng)30000次，以達(dá)到相對(duì)長(zhǎng)期作用的效果。圖3表示1iHz正弦波作用下，σ3為20ikPa、軸向循環(huán)應(yīng)力為150ikPa時(shí)的加載波形示意圖，試驗(yàn)過程中作用于土單元體上的軸向應(yīng)力經(jīng)歷了從零到峰值再到零的數(shù)值變化。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為3次、凍融溫度為-10i℃和-15i℃，以及凍融次數(shù)超過5次時(shí)，單級(jí)荷載作用300ikPa下試樣破壞過快，試驗(yàn)結(jié)果并不具備研究意義，因此設(shè)計(jì)具體的應(yīng)力加載方案如表7所示。

表7 動(dòng)應(yīng)力施加方案Table 7 Dynamic stress exertion scheme

2 累積變形特性

不同凍融溫度和不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下的固化土試樣軸向累積動(dòng)應(yīng)變與循環(huán)振次之間的關(guān)系曲線如圖4～圖6所示。

由圖4～圖6分析可得，施加相同動(dòng)應(yīng)力幅值時(shí)，試樣的應(yīng)變趨勢(shì)基本保持一致，凍融循環(huán)次數(shù)和凍融溫度對(duì)變形形式的影響不大，試樣破壞時(shí)均呈現(xiàn)出脆性破壞的特征。當(dāng)施加的動(dòng)應(yīng)力幅值小于臨界動(dòng)荷載時(shí)，試樣產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)谡駝?dòng)初期有所增長(zhǎng)，很快在較少的振次內(nèi)即停止增長(zhǎng)；當(dāng)施加動(dòng)應(yīng)力接近臨界動(dòng)荷載時(shí)，試樣在較少振次內(nèi)增速較快但隨著振次的增加，應(yīng)變?cè)鏊僦饾u減緩；當(dāng)施加的動(dòng)應(yīng)力幅值大于臨界循環(huán)動(dòng)荷載時(shí)，初期應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度略慢，當(dāng)加載到一定的振次后，試樣應(yīng)變?cè)鏊偻蛔儾⑵茐?，表現(xiàn)出脆性破壞特征，存在明顯的剪切面，如圖7所示。分析可得，污泥固化土在循環(huán)荷載作用下破壞過程大致分為3個(gè)階段：微裂紋出現(xiàn)階段、裂紋擴(kuò)展階段、整體錯(cuò)動(dòng)階段，與動(dòng)力循環(huán)荷載作用下的累積變形發(fā)展趨勢(shì)分為穩(wěn)定型、臨界型和破壞型3個(gè)階段一致。即動(dòng)應(yīng)力幅值小于臨界應(yīng)力時(shí)為穩(wěn)定型，施加臨界動(dòng)應(yīng)力時(shí)為臨界型，動(dòng)應(yīng)力幅值大于臨界動(dòng)應(yīng)力時(shí)為破壞型。

由不同凍融循環(huán)次數(shù)應(yīng)變曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過1次、3次、5次、7次、10次凍融循環(huán)后試樣軸向應(yīng)變較未凍融試樣的軸向應(yīng)變均有所增長(zhǎng)，以-10i℃情況為例，其分別增加17.67%、22.48%、27.15%、31.15%、33.15%。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合圖5可得在一定凍融溫度條件下，軸向應(yīng)變?cè)鏊俸妥罱K值隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而變大。通過觀察不同溫度下經(jīng)歷多次凍融循環(huán)次數(shù)后動(dòng)累積應(yīng)變曲線可發(fā)現(xiàn)，隨著凍融溫度降低，當(dāng)施加的動(dòng)荷載超過臨界動(dòng)荷載時(shí)，試樣在很少的振次下便發(fā)生脆性破壞，亦即變振幅條件下，凍融循環(huán)加劇了土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞程度。固化土在凍結(jié)過程中，試樣中的水分凍結(jié)成冰晶損傷土體內(nèi)部顆粒聯(lián)結(jié)，促使微小孔隙擴(kuò)展為大孔隙，造成土樣內(nèi)部出現(xiàn)較多裂縫，在土樣融化過程中，試樣內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)無法恢復(fù)到凍結(jié)前狀態(tài)，結(jié)構(gòu)性破損較為嚴(yán)重。在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后，孔隙整體水平提高，結(jié)構(gòu)連接、膠結(jié)等性能弱化，部分脫離接觸，穩(wěn)定性大幅減弱，表現(xiàn)為在循環(huán)荷載作用下土體原始結(jié)構(gòu)性遭到一定破壞，土體內(nèi)部連接更加疏松，造成土體變形呈現(xiàn)急劇增長(zhǎng)，在較少的循環(huán)振次內(nèi)便產(chǎn)生了較大的軸向應(yīng)變。

3 凍融循環(huán)作用下動(dòng)強(qiáng)度變化規(guī)律

動(dòng)強(qiáng)度作為城市污泥固化土工程應(yīng)用的重要評(píng)判指標(biāo)，對(duì)于工程實(shí)踐有著重要的意義。土體的動(dòng)強(qiáng)度可以理解為在一定的動(dòng)荷載加載振次下達(dá)到屈服破壞時(shí)所需的動(dòng)應(yīng)力。本文研究表明，污泥固化土試樣動(dòng)強(qiáng)度的變化受外加動(dòng)荷載、凍融溫度和凍融循環(huán)次數(shù)等因素的影響。根據(jù)動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果，為了得到動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，為接下來分析動(dòng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律，故按照循環(huán)動(dòng)荷載振次以及施加荷載的頻率，將前文循環(huán)振次換算為作用的時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行分析，得到不同溫度不同凍融循環(huán)次數(shù)后的0ih、1ih、2ih、3ih、4ih、6ih動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8～圖10所示。

由圖8～圖10可以看出，除t=0ih的曲線，其他時(shí)刻曲線分布相對(duì)集中。這是由于t=0ih時(shí)，土體結(jié)構(gòu)破損量少，在其他時(shí)刻土體的結(jié)構(gòu)破損程度均大于t=0時(shí)刻，因此表現(xiàn)為相同應(yīng)力作用下0ih時(shí)刻土體變形量小。

根據(jù)動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線，針對(duì)不同凍融溫度和不同凍融次數(shù)條件，以屈服應(yīng)力作為表征動(dòng)強(qiáng)度的參數(shù)值，對(duì)分級(jí)加載時(shí)屈服極限隨時(shí)間變化的規(guī)律進(jìn)行分析，可得關(guān)系式(1)。

(1)

由式(1)可推算出任意時(shí)刻強(qiáng)度值。當(dāng)τ→∞時(shí)，對(duì)上式取極限則有：

τ∞=limt→∞τ=C

(2)

限于篇幅，以-15i℃為例，在不同凍融次數(shù)條件下，動(dòng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖10所示。

分析圖11可知，上述關(guān)系式(1)中A、B、C為擬合參數(shù)，其值見表8中凍融溫度為-5i℃部分。從表8中可見，凍融溫度為-5i℃時(shí)，5種不同凍融循環(huán)次數(shù)下擬合度R2分別為0.975i63、0.989i36、0.990i14、0.987i45、0.981i22，均比較接近1，擬合度高，故擬合函數(shù)可靠性高。即可用關(guān)系式(1)預(yù)測(cè)城市污泥固化土經(jīng)歷凍融循環(huán)后動(dòng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化的規(guī)律。同理通過分析計(jì)算可得到-10i℃與-15i℃的參數(shù)值，具體見表8所示。

由關(guān)系式(2)結(jié)合表8參數(shù)值可以得到不同凍融條件下的動(dòng)強(qiáng)度曲線見圖11所示。

表8 不同凍融溫度下參數(shù)值Table 8 Parameter values at different freeze-thaw temperatures

由圖12可以發(fā)現(xiàn)城市污泥固化土動(dòng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)具體表現(xiàn)為：在前5次凍融循環(huán)作用下土體動(dòng)強(qiáng)度降低幅度較大，在經(jīng)歷7次凍融作用后，其值不再有明顯的下降。此外，動(dòng)強(qiáng)度隨溫度的下降而下降明顯，當(dāng)溫度達(dá)到-10i℃以下，相同凍融次數(shù)下的動(dòng)強(qiáng)度差異逐漸減小，也有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。由此可見，每一次凍融都會(huì)影響土體動(dòng)強(qiáng)度，而且在多次凍融循環(huán)作用后，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本破壞，并趨于一個(gè)新的平衡狀態(tài)，與前文所述污泥固化土抗剪強(qiáng)度在經(jīng)歷7次凍融循環(huán)作用后基本趨于穩(wěn)定一致。

對(duì)圖12得到的動(dòng)強(qiáng)度值引入凍融次數(shù)n，探究固化土動(dòng)強(qiáng)度與凍融次數(shù)的關(guān)系。通過分析得到固化土動(dòng)強(qiáng)度τ與凍融次數(shù)n的關(guān)系式如式(3)所示。

τ=A0+B0eC0n

(3)

式中：A0、B0、C0均為試驗(yàn)參數(shù)，不同凍融溫度下具體參數(shù)值見表9。

表9 試驗(yàn)參數(shù)值Table 9 Test parameter values

為驗(yàn)證公式的準(zhǔn)確性，利用應(yīng)變速率與應(yīng)力的變化曲線求固化土的動(dòng)強(qiáng)度。以凍融溫度為-15i℃為例，對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)下的情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖13所示。

分析圖13可知，曲線中存在一個(gè)應(yīng)變速率突變的拐點(diǎn)，拐點(diǎn)后的變化速率突然增大，該點(diǎn)也是土樣由穩(wěn)定變形進(jìn)入加速變形的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因此，用這個(gè)速率變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)確定固化土的動(dòng)強(qiáng)度。同理對(duì)凍融溫度在-10i℃和-15i℃條件下進(jìn)行計(jì)算分析，得到的固化土動(dòng)強(qiáng)度如表10所示。根據(jù)關(guān)系式(3)求得的固化土動(dòng)強(qiáng)度值如表11所示。

表10 應(yīng)變速率法求得的動(dòng)強(qiáng)度Table 10 Dynamic strength obtained by strain rate method

表11 動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線法求得的動(dòng)強(qiáng)度Table 11 Dynamic strength obtained by isochronous curve method

綜合對(duì)比關(guān)系式(3)所得結(jié)果和通過利用應(yīng)變速率與應(yīng)力的變化曲線求固化土的動(dòng)強(qiáng)度值，可得數(shù)值接近，強(qiáng)度值基本一致，因此可認(rèn)為關(guān)系式(3)合理，可以作為凍融循環(huán)作用下動(dòng)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)公式。

4 凍融循環(huán)作用下靜、動(dòng)強(qiáng)度對(duì)比分析

對(duì)于土體長(zhǎng)期強(qiáng)度特性方面的研究，要根據(jù)具體的條件具體分析，因土質(zhì)材料、試驗(yàn)條件以及外部環(huán)境的差異都會(huì)引起長(zhǎng)期強(qiáng)度的變化，要通過細(xì)致的分析才能下結(jié)論。因此，利用三軸流變?cè)囼?yàn)儀，對(duì)經(jīng)歷同等凍融溫度和凍融次數(shù)的污泥固化土試樣進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，仍采用應(yīng)力控制、分級(jí)加載的試驗(yàn)方法，加載大小和級(jí)數(shù)同動(dòng)應(yīng)力施加方案相一致，同樣可通過應(yīng)變速率法或等時(shí)曲線法求得固化土在凍融循環(huán)條件下的靜長(zhǎng)期強(qiáng)度。基于污泥固化土在凍融循環(huán)作用下的動(dòng)強(qiáng)度特性，通過與王亞成(2017)在同等試驗(yàn)條件下的靜力長(zhǎng)期強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖14所示。

由圖14可以看出，污泥固化土靜、動(dòng)長(zhǎng)期強(qiáng)度隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律基本一致，均隨著凍融溫度的降低和凍融次數(shù)的增加而逐漸減小，且前5次凍融對(duì)強(qiáng)度的影響較大，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，強(qiáng)度變化趨于平緩，7次以后基本保持不變或略有下降。在其他條件相同的情況下，污泥固化土靜長(zhǎng)期強(qiáng)度明顯大于其動(dòng)長(zhǎng)期強(qiáng)度。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因與前述固化土抗剪強(qiáng)度受凍融溫度和凍融次數(shù)作用機(jī)理相一致，不同的是，循環(huán)荷載作用下，振動(dòng)使得污泥固化土顆粒間聯(lián)結(jié)狀態(tài)和膠結(jié)作用發(fā)生破壞，同時(shí)在正弦波循環(huán)加載的過程中，伴隨著部分能量的釋放，每一次振動(dòng)所經(jīng)歷時(shí)間越長(zhǎng)，土體在一個(gè)周期內(nèi)的應(yīng)變就越充分，從而導(dǎo)致土體抵抗變形的能力也越差，因此同等條件下污泥固化土的動(dòng)長(zhǎng)期強(qiáng)度值要低于靜長(zhǎng)期強(qiáng)度值。

為了更直觀地對(duì)污泥固化土在長(zhǎng)期靜、動(dòng)荷載作用下的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，圖15給出了其在-15i℃、-10i℃及-15i℃ 3種凍融溫度下的靜強(qiáng)度、靜長(zhǎng)期強(qiáng)度、動(dòng)長(zhǎng)期強(qiáng)度柱狀圖。

由圖15可以看出，在不同的加載條件下，基于凍融循環(huán)的城市污泥固化土的3種強(qiáng)度值都表現(xiàn)為靜強(qiáng)度>靜長(zhǎng)期強(qiáng)度>動(dòng)長(zhǎng)期強(qiáng)度，而在平時(shí)的設(shè)計(jì)與施工中，一般只考慮到地基土的靜強(qiáng)度，很少涉及后兩者，這對(duì)于季凍區(qū)的工程建設(shè)將造成極大的不利影響，甚至?xí)l(fā)生重大事故。因此在季凍區(qū)施工不僅要監(jiān)測(cè)地基的瞬時(shí)靜強(qiáng)度，還要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境考慮其長(zhǎng)期強(qiáng)度才能保證地基安全。

需要說明的是，本文基于天津地區(qū)路基填料所受季凍特點(diǎn)，研究了污泥固化土經(jīng)受凍融循環(huán)作用后分別施加靜、動(dòng)荷載時(shí)的長(zhǎng)期強(qiáng)度與變形特性，而污泥固化土作為一種新型路基填墊料，其在使用過程中會(huì)不可避免地受到靜、動(dòng)荷載的交替作用，因此后續(xù)試驗(yàn)可以考慮對(duì)污泥固化土在經(jīng)歷凍融循環(huán)后交替受到靜、動(dòng)荷載作用下的長(zhǎng)期力學(xué)性能展開研究，以更加貼近工程實(shí)際。

5 結(jié) 論

(1)城市污泥固化土抗剪強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，在相同凍融次數(shù)下，凍融溫度越低，抗剪強(qiáng)度越低，且前5次凍融循環(huán)作用下抗剪強(qiáng)度衰減較快，在7次左右基本趨于平穩(wěn)。

(2)城市污泥固化土破壞形式呈現(xiàn)脆性破壞特征，并具有明顯的剪切面。在低溫凍結(jié)和多次凍融循環(huán)耦合作用下，隨著凍融溫度降低和凍融循環(huán)次數(shù)的增多，污泥固化土內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞程度增加，軸向應(yīng)變?cè)鏊俸妥罱K值也會(huì)增大，動(dòng)強(qiáng)度也隨之降低。

(3)通過分析不同凍融溫度和不同凍融循環(huán)次數(shù)的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得到不同凍融溫度條件下，動(dòng)強(qiáng)度τ與凍融循環(huán)次數(shù)n的關(guān)系式，可為工程實(shí)踐提供參考。

(4)污泥固化土靜、動(dòng)長(zhǎng)期強(qiáng)度隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律基本一致。在其他條件相同的情況下，污泥固化土靜長(zhǎng)期強(qiáng)度明顯大于其動(dòng)長(zhǎng)期強(qiáng)度。-5℃、-10i℃及-15i℃ 3種凍融溫度下，污泥固化土的3種強(qiáng)度值均表現(xiàn)為：靜強(qiáng)度>靜長(zhǎng)期強(qiáng)度>動(dòng)長(zhǎng)期強(qiáng)度。