周桓銳, 崔高航*, 程卓, 李琦 , 張永珍 , 閔子桐

(1.東北林業(yè)大學土木工程學院, 哈爾濱 430070; 2.河北工業(yè)大學土木與交通學院, 天津 300401)

粉砂土是一種十分常見的路基填土,其顆粒組成主要是粉粒和砂粒,粉砂土顆粒中存在著大量的細小孔隙,具有顆粒級配較差、塑性指數(shù)較小、抗剪強度較低等特點[1]。粉砂土在實際道路工程中表現(xiàn)出難以壓實、持水能力弱以及遇到振動荷載時容易出現(xiàn)液化的現(xiàn)象,所以時常達不到路基工程所需的強度和穩(wěn)定性要求[2]。粉砂土的處理和改良技術(shù)是中國道路工程建設中經(jīng)常面臨的技術(shù)難題,也是中國道路工程中重點關(guān)注的問題之一。

近年來,中外學者針對粉砂土的力學性能開展了一系列的研究。張云龍等[1]對不同含水率的粉砂土進行了動三軸試驗,發(fā)現(xiàn)隨著含水率的增加,凍融循環(huán)的次數(shù)對粉砂土黏聚力的影響逐漸增大。Marzuni等[2]對不同細粒含量的粉砂土的力學性能進行研究,發(fā)現(xiàn)細粒含量的變化會導致最大孔隙壓力的變化,增加粉砂土中的細粒含量會增大粉砂土的液化敏感性。崔高航等[3]分析了粉煤灰摻量對含黏粒粉砂土力學性能影響,發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻入量為15%時的改良粉砂土抵抗循環(huán)荷載的能力最強。Xu等[4]對砂土進行室內(nèi)直剪試驗,發(fā)現(xiàn)隨著干濕交替次數(shù)和含水量的增加,土顆粒排列提供的結(jié)構(gòu)變異性增加,而土顆粒內(nèi)聚力提供的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低,導致土體的抗剪強度呈下降趨勢。

粉煤灰是一種煤炭燃燒的主要產(chǎn)物,大量的粉煤灰如果無法得到妥善的處置,會對生態(tài)環(huán)境造成極大的威脅,造成巨大資源浪費。程卓等[5]對粉煤灰改良鹽漬土的抗剪強度變化規(guī)律進行探究,發(fā)現(xiàn)隨著粉煤灰摻入量的增加,土體的抗剪強度有所提升,當粉煤灰摻入量為15%時,土體抗剪強度最大。袁玉卿等[6]利用水泥、石灰和粉煤灰對粉砂土進行改良,對最佳配比的改良粉砂土進行全球數(shù)字系統(tǒng)(global digital systems,GDS)動三軸試驗,得到了改良粉砂土累計軸向應變的經(jīng)驗模型。Li等[7]利用水泥、石灰和粉煤灰對黑棉土進行改良,發(fā)現(xiàn)一定范圍內(nèi),隨著水泥、石灰和粉煤灰摻量不斷增加,改良土的無側(cè)限壓縮強度隨之增強,并提出了無側(cè)限壓縮強度的預測公式。Turan等[8]分析了粉煤灰在改良土體方面的效果,發(fā)現(xiàn)加入粉煤灰后可以有效提高改良土的抗?jié)B性能,并初步確定了實際工程中粉煤灰的最佳摻量。

目前,大量學者已對粉煤灰改良粉砂土的力學特性開展了研究,但是對粉煤灰改良粉砂土動力學特性和靜力學特性綜合分析以及不同改良劑摻量下土體的動力學參數(shù)分析的研究卻不夠完善,缺乏改良粉砂土動變形特性和動強度特性的綜合分析。在道路運營過程中,路基填土往往受動靜荷載綜合作用,因此對粉煤灰改良粉砂土的動靜力學綜合研究具有實際意義。鑒于此,以綏化至大慶高速路基填土為研究對象,開展無側(cè)限壓縮試驗和動三軸試驗,分析粉煤灰摻量對粉砂土靜力學特征影響情況,以及圍壓、動荷載加載次數(shù)和粉煤灰摻量對粉砂土動強度的影響規(guī)律,以期為東北地區(qū)粉砂土改良以及工程建設提供合理可靠的理論依據(jù)和參考建議。

1 實驗

1.1 實驗所用粉砂土和粉煤灰

試驗土樣取自綏化-大慶高速公路沿線,采取地下1～3 m范圍內(nèi)土樣,對取得的土樣依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG3430—2020)分析,測得該類土各項物理性質(zhì)指標,如表1所示。粉煤灰采購自哈爾濱市依蘭地區(qū)粉煤灰廠,出廠時檢測為一級粉煤灰,外形灰白粉末,其基本物理性質(zhì)及化學成分組成如表2所示。

表1 土樣基本物理性質(zhì)指標Table 1 Basic physical property indexes of soil samples

表2 粉煤灰化學成分組成Table 2 Chemical composition and physical index of fly ash

1.2 試樣制備

將取回的土樣風干后利用橡膠錘砸碎,將通過2 mm 標準篩的粉砂土與粉煤灰分別放入110 ℃的烘箱中,烘干8 h以上,以保證土樣和粉煤灰完全干燥。參考文獻[3],選取粉煤灰摻量0～20%為研究范圍,根據(jù)質(zhì)量配比原則,在粉砂土中分別摻入5%、10%、15%、20%的粉煤灰,將其混合均勻后加入純凈水,控制各個試樣的含水率均為素土的最佳含水率12.4%。拌和后土樣在標準條件下養(yǎng)護24 h后,參考《公路土工試驗規(guī)程》(JTG3430—2020)使用液壓機將土樣按照95%壓實度靜壓成直徑39.1 mm、高80 mm的三軸試件和直徑50 mm、高50 mm的無側(cè)限壓縮試件。

1.3 試驗設計

1.3.1 無側(cè)限壓縮試驗

試驗儀器選用WDW-50型微機控制式電子試驗機,試驗設定加載頭壓縮變形速率為1 mm/min,加載數(shù)據(jù)和位移由數(shù)據(jù)記錄儀器自動記錄。計算相應的應力和應變,繪制應力-應變曲線。

1.3.2 動三軸試驗

本試驗儀器采用英國GDS公司生產(chǎn)的標準型溫控動態(tài)三軸測試系統(tǒng)(enterprise level dynamic triaxial testing system,ELDYN),由圖1所示。所有試驗數(shù)據(jù)由 GDS 自動采集系統(tǒng)采集。

圖1 動態(tài)三軸試驗系統(tǒng)Fig.1 Dynamic triaxial test system

試驗參數(shù)為振動頻率f=1 Hz,考慮到所取路基土土樣深度較淺,所以在動三軸試驗中,試驗的圍壓不應設定過大,本試驗的圍壓條件根據(jù)土中地表以下深度z處的自重應力ε=γz(土的天然重度γ=20 kN/m),分別選用1、2、3 m處對應的 20、40、60 kPa進行不排水固結(jié),當軸向變形小于0.005 mm/5 min時,認為試樣固結(jié)試驗完成,選用正弦波形、按照循環(huán)加載的方式進行加載,采用土體的最大動應變超過5%[9]時,作為動三軸試驗終止破壞標準。

對完成固結(jié)的粉砂土試樣施加動荷載幅值為σ1的正弦波荷載,達到破壞標準時得到破壞周數(shù)為N1。對相同條件下對另外兩組粉砂土試件分別施加動荷載幅值為σ2、σ3、σ4、σ5的正弦波荷載進行試驗,得到破壞周數(shù)N2、N3、N4、N5(N為破壞周數(shù))。進而可以得出該試件的動應力和破壞振次的變化曲線[10],即σd-Nf(σd為動應力幅值,Nf為破壞振次)曲線,作為該試件的動強度曲線;具體試驗方案如表3所示。

表3 具體實驗方案Table 3 Specific experimental protocols

2 實驗結(jié)果分析

2.1 粉煤灰的摻入對改良粉砂土無側(cè)限壓縮強度的影響

對不同粉煤灰摻量試樣進行無側(cè)限壓縮實驗,獲得其應力-應變曲線,如圖2所示。可以看出,在壓縮初期,土壤顆粒處于壓實狀態(tài),曲線斜率較小;然后,試件進入彈性變形階段,曲線斜率增加,此階段的斜率可以用彈性模量來表示;隨著應力的不斷增大,試件因受壓而體積膨脹,繼續(xù)施加壓力會使試件被壓碎,曲線上會有一個最高值,被定義為土的無側(cè)限壓縮強度;最后破壞階段,試件的內(nèi)部和外部裂縫都在快速的擴張,直到整個土體都被破壞。試驗表明粉煤灰的加入對土體的無側(cè)限壓縮強度有明顯的改善作用,這與劉文建[11]的研究結(jié)果相同。隨粉煤灰用量的增大,其抗壓強度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢;加入15%粉煤灰后,這種類型的粉砂土的抗壓強度最高[12]。

圖2 應力應變曲線Fig.2 Stress-strain curve

2.2 圍壓對改良粉砂土動強度的影響

在本次動三軸試驗中,所采用的圍壓分別為20、40、60 kPa。圖3為5種不同摻入量的粉煤灰在不同圍壓下的動強度曲線。

圖3 不同摻入量的粉煤灰在不同圍壓下的動強度曲線Fig.3 Dynamic strength curves of fly ash with different dosing levels at different envelope pressures

由圖3可知,在反復荷載下,土的動強度隨加載次數(shù)的增加而降低。當粉煤灰摻入量為10%,圍壓為20 kPa時,土體動強度曲線的變化范圍為80～95 kPa,在圍壓為60 kPa時,動強度曲線在95～105 kPa的范圍內(nèi),圍壓為40 kPa時的動強度在兩者之間變化。在同樣的動荷載作用下,隨著圍壓的增大,使改良粉砂土達到破壞條件所需要的加載次數(shù)也越多。這說明隨著圍壓的增大,土體的動強度也相應增大[13]。在不同摻入量的粉煤灰中,其動強度的變化規(guī)律基本一致,均表現(xiàn)為隨著動荷載加載次數(shù)的增加,動強度逐漸減小,在幅值相同的動荷載的作用下,隨著圍壓的增大,土體達到破壞標準所需要承受的荷載震動次數(shù)越多。

由σd-Nf關(guān)系曲線的試驗結(jié)果(圖3)可知,在動三軸試驗中,試驗數(shù)據(jù)在半對數(shù)坐標系內(nèi)均分布在某條直線的附近。土體動強度的規(guī)律一般表示為達到某種破壞標準時的振次Nf與作用動應力σd的關(guān)系,因此應用線性公式[式(1)]的函數(shù)進行擬合。

σd=A+BlgNf

(1)

式(1)中:A、B為擬合參數(shù);σd為動應力幅值;Nf為破壞振次。

各擬合直線的參數(shù)以及相關(guān)系數(shù)如表4所示。由表4可知,各擬合直線的擬合參數(shù)都在0.95以上,表明了擬合直線與原始數(shù)據(jù)的擬合度較高,擬合曲線方程能很好地反映出動強度隨加載次數(shù)的變化規(guī)律。在相同的圍壓條件下,隨粉煤灰摻入量的增大,擬合曲線的截距呈現(xiàn)先升后降的趨勢,與動強度曲線所反映的規(guī)律相吻合[14]。

表4 動強度擬合參數(shù)Table 4 Dynamic strength fitting parameters

2.3 粉煤灰摻入量對改良粉砂土動強度的影響

圖4為不同粉煤灰摻量的改良粉砂土的動強度曲線?？梢钥闯?在同樣的圍壓作用下,當粉煤灰摻入量為15%時,改良粉砂土表現(xiàn)出的動強度最大。粉煤灰的摻入量由0逐漸提高至15%時,改良粉砂土的動強度隨粉煤灰用量的增加而增加,這是由于在改良粉砂土中加入粉煤灰可以填充土體的孔隙,提高土顆粒之間的黏結(jié)力,從而使其動強度增大[15]。粉煤灰用量大于15%時,土體結(jié)構(gòu)中的孔隙已經(jīng)基本被填充完畢,而隨著粉煤灰用量的繼續(xù)增大會對土體起到潤滑作用,降低土顆粒間的黏結(jié)力,其動強度也相應減小。

圖4 不同粉煤灰摻量下改良粉砂土的動強度曲線Fig.4 Dynamic strength curves of improved chalk soils at different fly ash blending rates

2.4 改良粉砂土的動強度分析

2.4.1 循環(huán)荷載作用對改良粉砂土動強度指標的影響

動強度指標是對實際工程進行安全性能評估和實際工程設計中的重要參考,包括動黏聚力cd和動內(nèi)摩擦角φd,分別了體現(xiàn)土顆粒之間的黏聚力和摩擦力的大小。對于等壓固結(jié)不排水條件下的動三軸試驗,應按照總應力方法來求取動強度指標。由Mohr-Coulomb理論[16]可得

τd=cd+tanφd

(2)

式(2)中:τd為動剪應力;cd為動黏聚力;φd為動內(nèi)摩擦角。

在土的動強度曲線上可以得到3個圍壓下的動應力σd,令

σ1d=σ1c+σd,σ3d=σ3c,σ1c=Kcσ3c

(3)

式(3)中:σ1d、σ3d分別為改良粉砂土試樣在固結(jié)圍壓下試樣產(chǎn)生動力破壞的最大主應力和最小主應力;σ1c為軸向固結(jié)應力;σ3c為側(cè)向固結(jié)應力;Kc為固結(jié)比,本次動三軸試驗中均使用等向固結(jié)方法,Kc取1。

由此可知5種不同粉煤灰摻入量下在動荷載加載次數(shù)Nf=50、100、150、200次時的動強度指標,如表5所示。

表5 不同試樣的動強度指標Table 5 Dynamic strength indicators for different specimens

根據(jù)表5可以繪制出動黏聚力和動內(nèi)摩擦角與動荷載次數(shù)的變化關(guān)系圖,如圖5和圖6所示。

圖5 加載次數(shù)Nf與動黏聚力cd關(guān)系曲線Fig.5 Number of loadings Nf versus dynamic cohesion cd

圖6 加載次數(shù)Nf與動內(nèi)摩擦角φd關(guān)系Fig.6 Number of loadings Nf versus dynamic internal friction angle φd

從圖5和圖6中可以看出,在向土體摻入粉煤灰后,土體的動黏聚力cd和動內(nèi)摩擦角φd均隨著加載次數(shù)的增加而減小。選取動荷載加載次數(shù)為100次時的動黏聚力cd和動內(nèi)摩擦角φd分析,當粉煤灰摻入量小于15%時,動黏聚力cd和動內(nèi)摩擦角φd都隨著粉煤灰摻入量的增加而變大,因為隨著粉煤灰的摻入,填充了土顆粒間的孔隙,與水產(chǎn)生膠結(jié)作用,提升了土骨架的強度[17]。但是當粉煤灰摻入量超過15%后,繼續(xù)增加粉煤灰摻入量會使改良粉砂土的動黏聚力和動內(nèi)摩擦角減小。因為土體結(jié)構(gòu)中的孔隙已經(jīng)基本被填充完畢,過多的粉煤灰會對土體起到潤滑作用,降低土顆粒間的黏結(jié)力,使改良粉砂土的承載能力降低。

2.4.2 粉煤灰摻量與動強度指標的關(guān)系

選取動荷載加載次數(shù)為100次時的動黏聚力cd和動內(nèi)摩擦角φd,用三次函數(shù)擬合曲線,如圖7和圖8所示。

圖7 動內(nèi)摩擦角與粉煤灰摻量關(guān)系Fig.7 Dynamic internal friction angle versus fly ash admixture

圖8 動黏聚力與粉煤灰摻量關(guān)系Fig.8 Dynamic cohesion versus fly ash admixture

可以看出,三次擬合曲線對圖7和圖8中的數(shù)據(jù)擬合效果較好。當粉煤灰摻入量低于15%時,動黏聚力和動內(nèi)摩擦角值均隨粉煤灰用量的增大而增大,這是因為粉煤灰能夠填補顆粒之間的縫隙,并且所加入的粉煤灰與水產(chǎn)生了水化反應,使土中的小顆粒凝固形成較大的土團,增強了土體的骨架,使改良粉砂土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更加穩(wěn)定。因此,改良粉砂土的動黏聚力和動內(nèi)摩擦角隨著粉煤灰摻入量的增加而增加。在15%的粉煤灰摻量下,土體的動黏聚力和動內(nèi)摩擦角同時獲得了最大值。當粉煤灰摻量為20%時,改性粉砂土的動黏聚力與最大值相比,降低了約0.9 kPa,動內(nèi)摩擦角則降低了0.6°,出現(xiàn)這種情況的原因是:在改良粉砂土中添加太多的粉煤灰,則會增大土壤顆粒間的滑移性,因此,會出現(xiàn)改良粉砂土的動黏聚力和動內(nèi)摩擦角都會隨著粉煤灰摻入量的增大而降低的現(xiàn)象。

三次擬合曲線對圖7和圖8中的數(shù)據(jù)擬合效果較好,可以得到以下公式。

(1)非線性擬合所得到的動黏聚力cd與粉煤灰摻入量的關(guān)系表達式為

cd=19.363+0.129k+0.048k2-0.002k3

(4)

(2)非線性擬合所得到的動內(nèi)摩擦角φd與粉煤灰摻入量的關(guān)系表達式為

φd=11.126+0.113k+0.029k2-0.001k3

(5)

將式(4)、式(5)代入動剪強度式(2)中,可以得出動荷載加載次數(shù)為 100次時,僅考慮粉煤灰摻入量下動剪切強度經(jīng)驗公式[式(6)]。

τ=19.363+0.129k+0.048k2-0.002k3+
(A+10B)tan(11.126+0.113k+
0.029k2-0.001k3)

(6)

式中:k為粉煤灰摻入量;A、B為擬合參數(shù),可從表4中查找。

3 結(jié)論

對不同粉煤灰摻入量下的改良粉砂土進行GDS動三軸試驗,通過動三軸試驗的試驗結(jié)果,討論圍壓、粉煤灰摻入量對改良粉砂土動強度的影響規(guī)律。重點分析粉煤灰摻入量和動荷載加載次數(shù)對改良粉砂土動強度和動強度指標的影響規(guī)律,并通過曲線擬合對實驗數(shù)值進行規(guī)律性分析。得到如下結(jié)論。

(1)粉煤灰的加入對土體的無側(cè)限壓縮強度有明顯的改善作用。隨粉煤灰用量的增大,其抗壓強度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢;加入15%的粉煤灰時,改良粉砂土的抗壓強度最高。

(2)粉煤灰摻入量和圍壓對改良粉砂土的動強度有顯著的影響,而在動荷載作用下,粉煤灰摻入量和動荷載加載次數(shù)對改良土的動強度、動黏聚力和動內(nèi)摩擦角均有一定程度的影響。在低承載力的粉砂土中添加適當摻量的粉煤灰,能夠顯著提高其動強度,并使其動黏聚力、動內(nèi)摩擦角增大。

(3)在不同的動荷載加載條件下改良粉砂土的動黏聚力和動內(nèi)摩擦角均隨動荷載加載次數(shù)的增大而降低。采用三次函數(shù)擬合粉煤灰摻入量與動黏聚力和動內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系,將其引入到動抗剪強度的計算公式中,得到該條件下僅考慮粉煤灰摻入量下的動剪切強度經(jīng)驗公式。