MSWI混合土在動力荷載作用下的變形特性試驗研究

顧歡達，李 翠，薛國強

(1.蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州 215011； 2.常熟市住建局，江蘇 常熟 215500)

MSWI混合土在動力荷載作用下的變形特性試驗研究

顧歡達1，李 翠1，薛國強2

(1.蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州 215011； 2.常熟市住建局，江蘇 常熟 215500)

基于MSWI在道路基層中的有效利用目的，利用室內反復動力載荷試驗方法對MSWI混合土的變形特性進行試驗研究。試驗結果表明：在合理的配合條件下，與水泥土或壓實素土相比較，MSWI混合土在減小反復動力荷載作用下的累積塑性變形、彈性變形等方面具有良好的效果，從而有利于提高路面抵抗疲勞破壞的能力及改善道路耐久性能。

道路工程； 焚燒爐渣；混合土；反復動力荷載；累積塑性變形，彈性變形

0 引 言

隨著城市化進程的快速發展，生活垃圾處理已成為城市發展過程中亟待解決的問題。由于環境要求或容量等原因，以往采用的填埋處理方式已受到嚴重的制約。為此，生活垃圾減量化及再生利用技術受到重視，其中焚燒技術是目前正在各地推廣使用的技術。垃圾焚燒過程不僅可回收熱能發電，所產生的副產物飛灰及爐渣都可以回收利用。生活垃圾焚燒爐渣(簡稱MSWI)再生利用的一個重要途徑就是利用爐渣的集料性質替代砂石料作為道路基層材料使用。

為探討MSWI作為道路基層材料的適用性，陳德珍等[1]以上海浦東國際機場北通道工程試驗段為研究對象，利用生命周期系統分析方法對用MSWI作為基層材料的道路與一般碎石基層道路進行了對比分析；解建光等[2]，何品晶等[3]對MSWI替代部分集料制成灰渣道路基層材料，研究其干密度、含水率、干縮性及溶出性等物理化學性質；許四法等[4]主要采用室內試驗及電鏡掃描等方法，探討MSWI物理狀態指標隨時間的變化特性；石愛娟等[5]主要從MSWI的級配組成等物理特征考察其作為道路基層材料的適用性。M.Q.IZQUIERDO等[6]研究了MSWI集料的溶出性、微觀特征及作為道路基層材料的力學性質。根據國內外對MSWI再生利用的研究現狀，主要是對MSWI作為道路基層材料應用時的材料特性及環境影響等開展了多方面的研究。根據工程實際使用情況，在很多情況下路面發生的破損、開裂、車轍及其他疲勞損壞現象主要與基層材料在交通荷載反復作用下發生的變形性狀相關。近年來，考慮動力荷載作用下的路基變形特性，國內外針對不同路基土材料開展了多方面的研究。黃博等[7]利用動力荷載試驗考察了不同地區軟黏土在動力荷載作用下的變形特性及相關因素的影響；楊坪等[8]結合列車運行的荷載特征，考察了粉質黏土路基在動力荷載作用下的動應變、動強度特性。對于道路及鐵道工程中常用的混合土在交通荷載作用下的力學性質，張淑坤等[9]研究了電廠爐渣水泥混合土在動力荷載作用下的動彈性性質；段俊彪[10]研究了在鐵道基床采用水泥及石灰處理土在列車動力荷載作用下的動力特性；賀建清等[11]對低摻量水泥土在循環荷載作用下的變形特性進行了研究。綜上對于交通荷載作用下路基土的動力特性研究，主要是針對在實際工程常見的原狀土或一般的水泥及石灰混合土。

由于生活垃圾焚燒技術是國內近年來引進的垃圾減量技術，對于其副產物即MSWI綜合有效利用技術的探討是目前正在積極探索的課題。由于MSWI的集料特征及焚燒爐渣的材料性質有別于常見的粉煤灰或電廠爐渣，將其用于公路或市政道路工程中，除了需要了解其一般的材料特性及環境影響外，更應該考慮公路或市政道路在承受交通荷載長期作用下對基層變形的穩定性要求。由于國內將MSWI用于道路工程的歷史較短，而且目前很多工程應用仍然屬于試驗性質，作為集料或混合料用于道路工程的相關研究為數不多。尤其是考慮交通荷載的荷載特征，研究考察MSWI混合土在交通荷載作用下的動力特性及變形的長期穩定性等相關研究仍然比較少見。

為了促進MSWI在道路工程中的應用，需要考慮公路交通荷載的作用特征，進一步研究考察MSWI作為道路基層材料的適用性。在此，通過動力試驗方法研究考察MSWI混合料在交通動力荷載作用下的變形特性，不僅可以掌握MSWI混合土在交通荷載作用下的變形特性，而且可以為MSWI在道路工程中的應用提供理論依據。這對于拓展MSWI的工程應用及提高道路工程質量都具有明顯的積極意義。

1 試驗方法

1.1 試驗原料及試樣制備

試驗原料所用的MSWI先用2 mm篩過篩，將篩下集料再進行粉碎處理，未粉碎處理的2mm以下集料作為粗粒料使用。原料土采用黏性土，通過重型擊實試驗得到最大干密度2.113 g/cm3，最優含水率13.8%。物理指標及顆粒級配情況見表1。根據GB 50021—2009《巖土工程勘察規范》土的分類方法，該土屬于級配良好的粉質黏土。采用325普通硅酸鹽水泥作為固化材料。

表1 混合土的物理指標及顆粒級配

注：編號M4*配合中的MSWI為2 mm以下粗粒料。

原料土、MSWI及固化劑按表2所示配合條件進行充分混合后，根據試驗最大干密度的95%設定試樣密度，稱量后分5層將混合料裝入φ50×100 mm圓柱形鋼模具內成型，脫模后將試樣置于20 ℃恒溫恒濕條件下養護。考慮土體材料性質的離散性影響及測試數據的可靠性，每個配合條件并行制作3個土樣，并在同樣的條件下實施養護及試驗。

表2 試驗配合條件

1.2 試驗方法

動力載荷試驗采用動三軸試驗儀。設計最大軸向荷載10 kN，最大圍壓1 MPa，最大加載頻率10 Hz。試驗過程中的加載方式考慮道路基層交通荷載的作用特征，設定動力荷載加載波形為半正弦間歇波，加載頻率1 Hz，一個加載周期內加載時間0.1 s，間歇時間0.9 s。考慮MSWI混合土在道路工程中主要作為道路基層材料加以利用，受路面交通荷載作用影響較大。在加載過程中，動力荷載應力水平考慮混合土的強度特性及作為道路基層材料在交通荷載作用下的應力狀態，選擇設定最大軸向動力荷載約為140 kPa。同時，為了考慮在動力荷載作用下混合土材料變形的應力狀態相關性，反復動荷載試驗中設定了50，100，200 kPa三個不同的圍壓水平進行試驗。圖1為反復加載試驗過程中所得到的應力應變響應，并根據試驗結果測定計算加載過程中的應力應變值。為了考察達到穩定狀態時的變形特性，每個試樣按一定的應力水平反復加載20 000次。

圖1 反復動力荷載作用下的應力-應變響應Fig.1 Stress-strain response under cyclic dynamic loading

2 試驗結果與分析

2.1 變形特性分析

作為道路基層材料在交通荷載反復作用下所發生的變形中，包括可以恢復的彈性變形與不可恢復的塑性變形。其中與路面開裂、沉陷及車轍等疲勞破壞現象密切相關的主要是反復動荷載作用下發生的累積塑性變形量。因此，考察MSWI混合土作為道路基層材料的適用性及耐久性，除了材料強度發揮應滿足道路基層材料要求外，更主要的是考察其在交通荷載作用下的變形特性，尤其是累積塑性變形的發展及變化規律。

圖2為累積塑性變形與反復動荷載加載次數之間的相關關系。

圖2 累積塑性變形與反復加載次數之間的關系Fig.2 Relationship between accumulative plastic deformation versus and the times of cyclic loading

由圖2可見，在設定圍壓σ3=50 kPa，反復作用軸向動荷載Δσ1=140 kPa左右的條件下，累積塑性變形的發展可以分為3個階段。在加載次數N<1 000的初始階段，塑性變形快速增長，變形主要受試樣端面接觸及土骨架剪切變形影響。在1 0005 000的穩定階段，累積塑性變形基本保持穩定，說明在該階段反復動荷載作用下產生的變形以彈性變形為主，而塑性變形很小。根據配合試驗所采用不同試樣的試驗結果對比可以看出，素土的塑性變形要明顯大于水泥土或混合土，而水泥土的累積塑性變形要略大于混合土，說明以部分MSWI細粒成分替代部分黏性土構成的混合土，對于減小材料變形及提高道路基層耐久性水平是有效的。

進一步觀察累積塑性變形與加載次數N的相關關系，其變化規律可用雙曲線函數關系進行擬合。設累積塑性變形εp(N)與加載次數N之間符合以下關系：

(1)

式中：εp(N)為對應于加載次數N的累積塑性變形；εp(N0) 為對應于指定加載次數N0時的累積塑性變形；a，b分別為根據試驗結果確定的試驗定數。

實際用最小二乘法進行擬合時，取N0=1 500，擬合結果見圖2中虛線所示的趨勢線。可以發現按式(1)擬合的趨勢線能比較準確地反映累積塑性變形隨加載次數N的變化規律。

根據式(1)所示的變化規律，假設加載次數N趨于無窮的情況下，累積塑性變形趨于最終累積塑性變形εp(ult)，則根據上述關系可以得到

(2)

利用式(2)的結果，可以得到對應于圖2三種不同試樣的最終累積塑性變形分別為：混合土εp(ult)=0.101%，水泥土εp(ult)=0.144%，素土εp(ult)=0.218%。同樣可以看出混合土的最終累積塑性變形量要明顯小于素土或水泥土，顯示混合土具有較好的抵抗塑性變形能力。

根據圖3顯示的彈性變形及總變形隨加載次數N的變化趨勢，可以看出在反復動荷載的作用下，混合土與水泥土的彈性變形比較接近，而素土的彈性變形明顯大于前者。而且，混合土或水泥土的彈性變形隨加載次數N的增大略呈減小趨勢并逐漸趨于穩定，而素土的彈性變形不僅明顯大于混合土或水泥土，而且彈性變形隨反復加載次數N略呈增大趨勢。總變形的變化趨勢則類似于累積塑性變形，同樣顯示混合土具有更好的抵抗變形能力。

圖3 總應變及彈性應變與反復加載次數之間的關系Fig.3 Relationship between total strain and elastic strain versus and the times of cyclic loading

2.2 塑性能量耗散評價

根據能量平衡的概念，在動力荷載作用下發生彈性變形時，在加載與被加載體系內能量是平衡的。而在發生塑性變形的情況下，則外力作用下克服塑性變形所消耗的能量不可恢復，該部分能量可以稱為塑性能量耗散。對于不同材料，其塑性能量耗散越大，則表示材料抵抗塑性變形能力越低，發生疲勞破壞可能性越大。假設在動荷載加載條件下，一次加載過程中發生塑性應變與加載應力之間存在關系：

σ=f(εa)

(3)

式中：σ為加載應力；εa為與加載應力對應的塑性應變。

根據塑性能量耗散的概念，在一次加載過程中發生塑性應變εa的情況下，則一次加載的塑性能量耗散為

(4)

式中：ΔWp為一次加載由于塑性變形εa所發生的塑性能量耗散。

為簡化起見，假設塑性應變與加載應力之間存在線性關系且通過原點，則上述積分就是由加載應力與塑性應變所圍三角形面積：

(5)

在反復加載條件下，多次加載所產生的累積塑性能量耗散為

(6)

若反復加載是在同樣的應力水平下進行的，則可以得到

(7)

定義累積塑性變形為

(8)

可以得到反復多次加載后的總塑性能量耗散，即為累積塑性應變與加載應力值的乘積：

(9)

利用上述概念可以根據塑性能量耗散的方法對不同土料在反復動荷載作用下的變形特性進行評價。表3為不同土類在圍壓σ3=50 kPa，反復作用軸向動荷載Δσ1=140 kPa左右的條件下的塑性能量耗散結果。

表3 塑性能量耗散

由表3可見，從塑性能量耗散角度考察，以MSWI細粒成分制成的M2配合混合土具有比較小的塑性能量耗散值，水泥土與之比較接近但仍大于M2配合混合土。素土塑性能量耗散明顯較大，說明與摻入水泥的化學處理土相比較，在反復動力荷載作用下的素土會發生比較大的累積塑性變形。而以粗粒料成分制成的M4配合混合土也呈現比較大的塑性能量耗散值。以上結果說明，從抵抗反復動力荷載作用下塑性變形效能上看，以細粒料成分替代部分原料黏性土制成的混合土在抵抗塑性變形能力上具有比較好的效果，以其作為道路基層材料使用時應具備更好的耐久性能。

2.3 應力狀態影響

對于位于不同深度的道路基層材料，其所處的應力狀態并不相同。為了考察不同應力狀態對反復動力荷載作用下混合土變形特性的影響，在試驗過程中改變圍壓條件進行試驗。試驗過程中軸向動荷載仍按Δσ1=140 kPa左右設定，最大平均應力按反復加載10 000次以后的穩定階段平均值取值，并按式(10)計算：

(10)

圖4為不同土樣累積塑性應變與加載過程中最大平均應力之間的關系。由圖4可見，在相同的最大平均應力條件下，M2配合混合土發生的累積塑性變形較小；M4配合混合土累積塑性變形量雖然與M2配合混合土比較接近，但總體上要大于M2配合混合土；而素土的累積塑性變形要明顯大于前兩者。隨著最大平均應力的增大，M2及M4配合混合土累積塑性應變均呈減小趨勢，這是由于圍壓增大后土體側向變形受到限制，使得軸向塑性變形相應減小。但是與M2及M4配合混合土相比，素土的強度及剛度較小，在試驗所采用的圍壓范圍，圍壓提高對減小軸向累積塑性變形的效果并不明顯。

圖4 累積塑性變形與最大平均應力的關系Fig.4 Relationship between accumulative plastic deformation versus and max average stress

根據同樣原理，可以進一步考察應力狀態對土體彈性變形的影響(圖5)。由圖5可見，在相同的最大平均應力條件下，M2及M4配合混合土彈性應變比較接近，而素土彈性應變明顯大于前兩者。在增大圍壓的情況下，試驗所用的不同土類均顯示隨著最大平均應力的增大彈性應變減小的趨勢。

圖5 彈性變形與最大平均應力的關系Fig.5 Relationship between elastic deformation versus and max average stress

由于塑性能量耗散直接與累積塑性應變與加載應力相關，在保持加載應力基本一致的條件下，塑性能量耗散與最大平均應力的相關性與累積塑性應變是基本一致的(圖6)。根據上述試驗結果分析可以進一步說明以部分MSWI細粒成分替代原料黏性土對于減小土體的彈塑性變形具有比較明顯的效果，而且隨著平均應力增大效果更加明顯，從而有利于提高道路基層材料抵抗變形能力及在交通荷載作用下的耐久性能。

圖6 塑性能量耗散與最大平均應力的關系Fig.6 Relationship between total plastic energy dissipation versus and max average stress

2.4 配合條件影響

為了考察MSWI摻入量對混合土在反復動力荷載作用下變形特性的影響，配合試驗中考慮了M1～M3三種不同的配合條件(見表1)。根據MSWI摻入量的不同，圖7為累積塑性應變與摻入量的相關性。從圖7可以看出，在圍壓比較小的條件下，M2配合混合土與M1及M3配合混合土相比較，累積塑性變形相對較小，但是在比較高的圍壓條件下，不同配合混合土之間發生的累積塑性變形差異并不顯著。同樣，從圖8所示的彈性變形與MSWI摻入量之間的相關性觀察，與累積塑性變形類似。顯示在較低圍壓條件下，M2配合混合土呈較小的彈性變形，但是在較高圍壓條件下，不同配合混合土的彈性應變差異不大。根據上述試驗結果，可以認為在較低的圍壓條件下，由于周圍壓力對土體的拘束力較小，反復動荷載作用下發生的軸向彈塑性變形主要與土體本身的剛度相關，此時，在M2配合條件下，摻入原料黏性土中的MSWI細粒成分能比較有效地改善土的級配質量，使得土體內固體顆粒更易于密實并有利于水泥固化效果的發揮，使得M2配合試樣具有較高的抵抗彈塑性變形能力。但隨著圍壓的增大，周圍壓力對土體的拘束作用也隨之提高，當圍壓作用控制土體變形的影響超過MSWI摻入量的影響時，MSWI摻入量對混合土彈塑性變形的影響就不再顯著。由此，可以認為在實際工程中可通過配合設計設定合理配合條件，使得混合土在反復動力荷載作用下具有較高的抵抗彈塑性變形能力。

圖7 累積塑性變形與MSWI摻入量的關系Fig.7 Relationship between accumulative plastic deformation and versus MSWI content

圖8 彈性變形與MSWI摻入量的關系Fig.8 Relationship between elastic deformation versus and MSWI content

3 結 論

根據試驗研究及分析，得到以下結論：

1)將MSWI替代部分原料黏性土制成的水泥基混合土作為道路基層材料使用，不僅可促進固體廢棄物的有效利用，而且在考慮承受反復作用的交通荷載作用下，抵抗彈塑性變形能力要優于水泥土或壓實素土，從而有利于減小路面變形，提高道路抗疲勞破壞的能力。

2) 由于MSWI本身具有一定的活性成分，以比表面積更大的細粒成分摻入原料土中制成混合土，比以粗粒成分摻入更有利于混合土強度發揮，從而可更有效地減小混合土在反復動荷載作用下的累積塑性變形。

3) 在試驗所采用的圍壓條件下，當圍壓增大使得反復載荷過程中平均應力提高的情況下，土體的彈塑性變形減小。與壓實素土相比較，MSWI混合土在平均應力提高條件下彈塑性變形減小的趨勢更加明顯。

4) 根據MSWI摻入量對混合土彈塑性變形的影響分析，對于減小MSWI混合土在反復動荷載作用下彈塑性變形，MSWI摻入量存在合理摻入比。在實際工程中根據配合比試驗確定合理摻入比進行設計，可有效提高MSWI混合土抵抗彈塑性變形的能力。

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Deformation Properties of MSWI Mixed Soil under Cyclic Dynamic Loading

GU Huanda1, LI Cui1, XUE Guoqiang2

(1. School of Civil Engineering, Suzhou University of Science & Technology, Suzhou 215011, Jiangsu, P.R.China; 2. Bureau of Housing & Urban-Rural Development of Changshu, Changshu 215500, Jiangsu, P.R.China)

Based on the effective utilization of MSWI in road base course, a series of cyclic dynamic loading tests in laboratory were carried out in order to evaluate the deformation properties of MSWI mixed soil. It is indicated by test results that: MSWI mixed soil does well in reducing the accumulative plastic deformation and elastic deformation of under cyclic dynamic loading with reasonable mixing ratio of MSWI, comparing with cement treated soil or compacted soil. Thereby, MSWI mixed soil can be expected to improve the performance of resistant ability in fatigue damage or the durability of road.

highway engineering; incineration residue; mixed soil; cyclic dynamic loading; accumulative plastic deformation; elastic deformation

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.03.08

2014-12-18；

2015-03-16

國家自然科學基金項目(51378327)

顧歡達(1958—)，男，江蘇無錫人，教授，博士，主要從事軟土地基處理技術及原理方面的研究。E-mail：ghdgx@163.com。

U412.36

A

1674-0696(2016)03-038-05