水泥改良黏性土的循环动力特性

潘望文

(岳阳市公路桥梁基建总公司, 湖南 岳阳 414000)

0 引言

随着公路工程和铁路工程等工程实践的发展, 目前工程界对路基的重视程度和路面结构一样.当路基填料不满足设计要求时, 需要对填料进行改良.填料改良在公路工程和铁路工程中比较常见, 特别是在高速公路工程和高速铁路工程中[1,2].常见的填料改良方法包括化学改良法和物理改良法.当改良原因主要在于水稳性等方面时, 通常采用化学改良法, 主要包括石灰改良和水泥改良等[3～6].由于路基的强度和变形对公路和铁路的行车平稳性和安全性有重要影响, 且路面上的车辆荷载属于随机循环动荷载, 因此, 路基填料的循环动力学性质是工程界研究的热点.目前常用于研究土循环动力性质的试验主要包括循环直剪试验、共振柱试验、离心机试验和振动三轴试验等[7～9], 通过这些试验可以研究土的动强度、动弹模与阻尼比等动力循环特征参数[2,10～12].循环直剪试验中, 剪切面在剪切过程中会发生改变, 这对试验结果会有一定影响[13].相比共振柱试验和离心机试验, 振动三轴试验所需设备的造价较低, 且试验过程简单, 因此, 振动三轴试验在工程中应用最广.

影响土循环动力性质的主要因素包括围压、加载频率、孔隙比和颗粒级配等, 对于黏性土化学改良路基工程, 通常主要考虑加载频率和围压的影响.目前, 对于高速公路等对路基变形控制有高要求的道路工程, 通常不直接采用黏性土作为路基的主要填料.特别是水稳性差的黏性土, 需要利用水泥或者石灰进行化学改良[14～18].为此, 本文针对水泥改良黏性土路基工程, 利用振动三轴仪, 在不同围压和加载频率条件下对水泥改良黏性土开展循环振动压缩试验, 研究围压和加载频率对动弹模、阻尼比和动强度的影响, 以期能为水泥改良黏性土路基工程提供参考.

1 水泥改良黏性土振动三轴压缩试验方案

1.1 土样

未改良土样为黏性土, 取自某高速公路沿线.土的天然含水率为24.2%, 颗粒密度为2.673 g/cm3, 塑性指数为22.1.

1.2 试验设备和试样制作

(1) 试验仪器

试验仪器为DDS-70 微机控制电磁式振动三轴仪.利用DDS-70 试验机可以开展动弹模与阻尼比试验和动强度试验.微机控制系统可以对试样施加方波、正弦波和三角波等振动波形, 并对试验数据集进行自动采集.

(2) 试样制作

试样为圆柱体, 高度为80mm, 直径为39.1mm.采用普通硅酸盐水泥P.O32.5 对黏性土进行改良.工程中水泥改良土的水泥质量百分比一般为4%～10%[1,2], 本文水泥改良黏性土试样的水泥质量百分比为4%, 含水率为20.5%, 干密度为2.31g/cm3.由于标准养护龄期达到28d 后, 水泥的强度基本达到稳定, 此时试样的力学性质具有代表性, 因此, 对试样进行标准养护, 当水泥改良黏性土试样的养护龄期达到28d 时, 对试样开展循环振动试验.

1.3 试验设计

本文的循环振动试验包括动弹模与阻尼比试验和动强度试验.

(1) 循环振动荷载

在循环振动试验中, 由微机系统控制振动三轴仪对试样施加轴向振动荷载.采用正弦波作为振动加载波, 正弦波函数为

其中σd为试样轴向动应力;为轴向动应力幅值;f为振动加载频率;t为振动加载时间.

当加载时间t为最小周期或频率倒数的整数倍, 即t满足

时, 式(1)改写为

其中N为循环加载次数.

(2) 动弹模与阻尼比试验

动弹模与阻尼比试验的振动荷载函数为式(1)或式(3).首先对试样施加围压, 然后在试样轴向逐级施加振动荷载.加载过程不排水.每1级动力加载, 循环次数N=5.在逐级施加过程中, 第i级加载的轴向动应力幅值和围压之间满足

其中ki为第i级施加荷载的动静应力比, 0＜ki＜1,i=1～5;S为围压.

在动弹模与阻尼比试验中, 振动加载频率 1, 2f=和5 Hz, 100S=, 150 和300 kPa.

动弹模计算公式[12]为

其中Ed为动弹模;εd为轴向动应变幅值.

对于理想粘弹性体,-关系如图1所示[12].

图1 -关系曲线

根据图1, 阻尼比计算公式[12]为

其中Ad为滞回圈的面积;A为ΔOPQ的面积;λd为阻尼比.

(3) 动强度试验

动强度试验的振动荷载函数为式(1)或式(3).首先对试样施加围压, 然后在试样轴向施加振动荷载.加载过程不排水.

根据式(3), 在一定的动应力幅值和循环次数N作用下, 当土的轴向变形达到5%时, 认为土体发生破坏, 此时, 有如下关系式成立:

其中Nf为破坏振次;σdf为振次Nf对应的动强度.

在动强度试验中, 振动加载频率 1, 2f=和5 Hz, 100S=, 150 和300 kPa.

2 试验结果及分析

2.1 动弹模与阻尼比试验结果及分析

(1) 动弹模

① 加载频率对动弹模的影响

当围压S=100 kPa, 加载频率f=1, 2和5Hz 时, 动弹模Ed和动应变幅值之间的关系如图2所示.从图2可看出, 当加载频率和围压一定时, 动弹模随动应变幅值的增加而减小.当围压一定时, 随着加载频率的增大,Ed-关系曲线表现出整体沿纵坐标轴向上移动的趋势.这表明, 随着加载频率的增大, 动弹模增大.Ed-关系可用下式进行拟合[3,4]:

其中Emaxd为最大动弹模,a为动弹模的拟合参数.

最大动弹模和最大阻尼比是反映材料粘弹性的两个重要参数, 而粘弹性属于循环振动特性.本文通过研究频率和围压对最大动弹模和最大阻尼比这两个参数的影响, 揭示频率和围压对改良土循环振动性质的影响.

根据式(10)得到的拟合结果见表1.从表1可看出, 当围压S一定时, 最大动弹模Emaxd随加载频率f的增大而增大.本文的循环振动荷载为正弦波振动, 属于简谐振动.在简谐振动作用下, 加载频率越大, 应力加载速率越大.即便经过化学改良, 水泥改良黏性土仍然和普通土一样具有多孔散体材料的特征, 会表现出粘滞性, 且应力加载速率越快, 粘滞性越显著.对于改良试样, 随着加载频率增大, 轴向应力加载速率增大.因具有粘滞性, 试样瞬时轴向变形发展相对滞后于轴向应力的变化, 根据式(5)计算得到的瞬时动弹模随加载频率的增大而增大.根据式(10), 当趋近0 时, 瞬时动弹模为最大动弹模.因此, 最大动弹模也随加载频率的增大而增大.

② 围压对动弹模的影响

当加载频率f=1Hz, 围压S=100, 150 和300 kPa 时, 动弹模Ed和动应变幅值之间的关系如图3所示.从图3可看出, 当围压和加载频率一定时, 动弹模随动应变幅值的增大而减小.当加载频率一定时, 随着围压的增大,Ed-关系曲线表现出整体沿纵坐标轴向上移动的趋势.Ed-关系采用式(10)进行拟合, 拟合结果见表2.

图2 Ed-关系曲线( S=100 kPa)

图3 Ed-关系曲线( f=1 Hz)

表1 Edmax 和a(S=100 kPa)

表2 Edmax 和a (f =1 Hz)

从表2可知, 加载频率f一定时, 最大动弹模Emaxd随围压S的增大而增大.这是因为围压越大, 试样周边受到的束缚越大, 试样越密实, 从而导致试样变形越难发展.即初始动力加载时, 土的密实状态和围压相关.而初始动力加载时, 土越密实, 最大动弹模Emaxd越大.因此, 最大动弹模随围压的增大而增大.

(2) 阻尼比

① 加载频率对阻尼比的影响

当围压S=100kPa, 加载频率f=1,2和5 Hz 时, 阻尼比λd和动应变幅值之间的关系如图4所示.从图4可看出, 当围压和加载频率一定时, 阻尼比随动应变幅值的增加而减小.当围压一定时, 随着加载频率增大,λd-关系曲线表现出整体沿纵坐标轴向上移动的趋势.这表明, 随着加载频率增大, 土的阻尼比增大.λd-关系可用下式进行拟合[3,4]:

其中λmaxd为最大阻尼比,b为阻尼比的拟合参数.

根据式(11), 拟合结果见表3.从表3可看出, 当围压S一定时, 最大阻尼比λdmax随加载频率f的增大而增大.最大阻尼比是反映土粘滞性的重要参数, 其数值越大表示土的粘滞性越强.由于应力加载速率随着加载频率的增大而增大, 而土的粘滞性通常随应力加载速率增大而变得显著.因此, 随着加载频率增大, 土的最大阻尼比增大.

② 围压对阻尼比的影响

当加载频率f=1Hz, 围压S=100, 150 和300 kPa 时, 阻尼比λd和动应变幅值之间的关系如图5所示.从图5可看出, 当加载频率和围压一定时, 随着动应变幅值的增大, 阻尼比λd增大.当加载频率一定时, 随着围压增大,λd-关系曲线表现出整体沿纵坐标轴向下移动的趋势.这表明, 加载频率相同时, 围压越大, 阻尼比越小.λd-关系采用式(11)进行拟合, 拟合结果见表4.

图4 λd -关系曲线( S =100 kPa)

图5 λd -关系曲线( f=1 Hz)

表3 λdmax 和b(S=100 kPa)

表4 λdmax 和b(f =1 Hz)

从表4可看出, 当加载频率f一定时, 最大阻尼比λmaxd随围压S的增大而减小.由于围压越大, 试样受到的束缚越大, 试样内部土颗粒间越难发生摩擦滑移, 而土颗粒间摩擦滑移使得试样表现出粘滞性并产生能量损耗.因此, 增大围压可以减小粘滞性能量损耗, 从而减小最大阻尼比.

2.2 动强度试验结果及分析

(1) 加载频率对动强度的影响

当围压 100S=kPa, 加载频率 1,2f=和5 Hz 时, 动强度σdf和破坏振次Nf之间的关系如图6所示.从图6可看出, 随着f的增大,σdf-Nf关系曲线表现出整体沿纵坐标轴向上移动的趋势.这表明, 当fN一定时,f越大,σdf越大; 或者, 当σdf一定时,f越大,Nf越大.即当破坏振一定时, 加载频率越大, 水泥改良黏性土的动强度越大; 或者, 当动强度一定时, 加载频率越大, 破坏振次越大.随着加载频率的增大, 应力加载速率增大, 土的粘滞性变得显著, 导致土样轴向变形发展滞后于轴向应力.因此, 对于循环振动加载, 动应力幅值是一定的, 当加载频率增大时, 变形的发展滞后于应力的发展, 若要变形到破坏的标准, 必然要增大循环振动次数或者循环作用时间, 表现为: 随着加载频率的增加, 破坏振次增大.

图6 σdf - Nf 关系曲线(S=100 kPa)

图7 - 关系曲线(f =1 Hz)

(2) 围压对动强度的影响

当加载频率f=1 Hz, 围压S=100, 150 和300kPa 时, 动强度σdf和破坏振次Nf之间的关系如图7所示.从图7可看出, 随着S的增大,σdf-Nf关系曲线在坐标轴内向上移动, 这表明, 当Nf一定时,S越大,σdf越大.即当循环振次一定时, 围压越大, 动强度越大.或者当循环动应力幅值一定时, 围压越大, 破坏振次越大.这是由于当动应力幅值一定时, 围压越大, 加载初始时土的密实性越好, 土颗粒产生滑移破坏所需变形越大, 因此, 增大围压导致试样达到变形破坏标准所需的振动次数增大.

3 结论

本文利用小型三轴振动压缩试验仪器对水泥改良黏性土开展循环振动试验, 研究得到加载频率和围压对土的动弹模、阻尼比和动强度的影响规律, 得到的主要结论为:

(1) 加载频率和围压是影响水泥改良黏性土循环动力性质的重要因素, 加载频率和围压均对水泥改良黏性土的动弹模、阻尼比和动强度有影响;

(2) 随着加载频率的增大, 水泥改良黏性土的最大动弹模、最大阻尼比和动强度均增大;

(3) 随着围压的增大, 水泥改良黏性土的最大动弹模和动强度均增大, 但最大阻尼比减小.