干濕循環效應下石灰處治膨脹土動力特性試驗研究

莫文瑜，農承尚

0 引言

廣西是我國最典型的膨脹土地區之一，其中以南寧、百色等四市和寧明、田陽等五縣分布最廣[1]。隨著廣西高速公路建設的發展，修筑高速公路這樣巨型帶狀工程時，不可避免地會穿越膨脹土地區。在土中添加石灰是常見的膨脹土土性改良方法，經處治后的膨脹土物理力學性質得到明顯增強。廣西地處亞熱帶，具有明顯的濕熱多雨的氣候特征，而膨脹土的工程特性隨著外界氣候環境因素變化會發生顯著的變化。若石灰處治膨脹土作為路基填料暴露在大氣營力中，尤其是填方路堤，其土體三面臨空而形成梯形風化程度分布帶，必然受到氣候環境因素的長期作用，強度比剛竣工時會明顯下降。

本文的試驗對象是石灰處治膨脹土，作為路基填料，長期承受交通荷載的反復影響，若強度不足會產生諸如翻泥冒漿、側向擠出和不均勻沉降等現象。研究石灰處治膨脹土在氣候因素特別是干濕循環作用下的動力特性十分有必要，對合理有效地進行路堤邊坡防護、路面結構設計和養護具指導意義。本文主要依托高速公路膨脹土路堤處治工程建設項目，用伺服電機控制式動三軸試驗系統(DYNTTS)對干濕循環效應下石灰處治膨脹土的動應力動應變特性，動彈模量、阻尼比的變化規律等動力特征進行研究。

1 膨脹土改性試驗

石灰處治膨脹土的處治效果主要受配土方式、摻灰率、悶料時間、控制含水率等因素影響，參考前人研究[2-3]，結合本文依托的公路路堤處治項目，本文室內試驗所用的石灰處治膨脹土制樣指標如表1所示，壓實度為干法重型擊實試驗所確定的處治土最大干密度的95%；制樣含水量比最優含水率大2%～3%，取為19%；摻灰比為6%。將重塑膨脹土和石灰處治膨脹土進行一系列室內物理力學試驗，各項物理力學指標如表2、表3所示。

表1 石灰處治膨脹土制樣指標表

膨脹土經石灰處治之后，表現出粉土的性質，抗剪強度有著大幅度的提高，壓縮特性增強，脹縮性被抑制，土的物理力學特性明顯增強，改性效果非常明顯。

表2 基本物理性質指標表

表3 力學指標表

2 干濕循環效應下石灰土動力響應特征分析

2.1 土動本構模型—等效線性模型(Hardin-Drnevich模型)

對土的動變形特性進行研究，主要目的是獲得土體的動應力應變關系，即動本構關系，動彈性模量與動應變關系以及阻尼比與動應變關系等。動彈性模量與阻尼比是表現土體動力特性的主要指標，前者反映了土體抵抗動荷載的能力，后者則代表土體振動時能量衰減的大小。目前表現土體動本構關系的模型很多，通常采用的模型是經驗模型，其代表類模型為Masing類模型，它以經驗性的非線性骨架曲線和Masing準則為基礎，從多角度、以多種方法描述了土體的動應力動應變特性。Hardin[4]等人提出的Hardin-Drnevich模型就是典型的Masing類模型之一，該模型把土視為粘彈性體，將滯回特性用阻尼比與動應變的關系(λ～εd)來表達，將骨干曲線的特性用動彈模量與動應變的關系(Ed～εd)來表達，不追求滯回曲線和骨干曲線的具體數學表達式，采用等效動彈模量Ed和等效阻尼比這兩個參數來表達土動本構關系的特征。

Hardin等人由試驗得出土在周期循環荷載作用下的動應力動應變關系曲線為雙曲線型：

(1)

式中，Edmax、σdmax分別為最大軸向動彈模量和最大軸向動應力。

本文采用Hardin-Drnevich模型分析石灰處治膨脹土的動應力動應變關系。令A=1/Edmax、B=σdmax，代入式(1)中有：

(2)

即：

成也蕭何，“禍”也蕭何，奧巴馬曾因雄辯口才入主白宮，卻又因麥克風陷入“失言”危機，而這并非是他的第一次教訓。

(3)

式中，A、B為試驗所獲得的參數。

在經過試驗后可獲得1/Ed～εd關系曲線，通過擬合計算可以確定Edmax。

在假定材料符合線彈性關系的前提下，Hardin等人還推導出阻尼比和動彈模量的關系，可計算全應變范圍內的阻尼比，本文的λ～εd關系曲線根據該公式計算繪制：

(4)

式中，λmax可以根據經驗公式和試驗確定兩種方式獲取，由于經驗公式對土類的局限性，在本文中無法直接引用，故在本文的試驗中，計算出全應變范圍內的阻尼比后，在εd>0.03%時，λ～εd曲線開始趨于平緩，取趨于常數的λ值作為該狀態下的最大阻尼比λmax。

2.2 動三軸試驗方案簡介

本次試驗在GDS公司的伺服電機控制式動三軸試驗系統(DYNTTS)上進行，該系統可通過模擬正弦波、方波、三角波等動態波形，完成對試樣動應變、動應力、動彈模量及阻尼比等土體動態指標的測試。影響土體動力性能的因素非常多[5]，本次試驗主要考慮的因素有：圍壓、固結比、振動頻率、干濕循環次數、動應力幅值以及振動周期次數等。

動應力選擇以能顯示動應力-應變關系曲線的形式為基本要求，幅值以不超過高速鐵路路基表層的動應力幅值為限，高速鐵路路基表層動應力不超過100 kPa[7]，采用等差逐級加載動應力的方式加載；一般來說，三軸試驗圍壓不應小于土層上覆壓力，不應大于土體實際承受的最大有效應力，車輛荷載作用下路基工作區深度主要在0.8 m～2.0 m之間[6]，考慮到路基工作區深度較淺，本次試驗的固結比以1.0為主；車輛荷載作用下對路基造成的振動頻率較復雜，振動頻率的構成隨車輛工況變化而變化，根據實測基床動應力頻譜資料，對路基影響最大的是基頻[8]，根據徐毅在連鹽高速公路開展的現場試驗[6]，其兩個測點在車輛荷載影響下的振動頻率主要集中在3～30 Hz，受車速的影響較小，但小車引起的振動頻率明顯高于大車，受限于試驗儀器，本次試驗主要采用的振動頻率為5 Hz。

2.3 骨干曲線(動應力-應變關系曲線)變化規律

經歷不同干濕循環次數和不同圍壓下的石灰處治膨脹土在循環荷載作用下的骨干曲線如圖1所示(振動頻率為f=5 Hz，固結比Kc=1.0)。

(a)圍壓σ3c=50 kPa時的骨干曲線圖

(b)圍壓σ3c=100 kPa時的骨干曲線圖

(c)圍壓σ3c=150 kPa時的骨干曲線圖

(d)圍壓σ3c=200 kPa時的骨干曲線圖

根據圖1可知，同圍壓條件下，當動應變一定時，干濕循環次數越多動應力越小，試樣強度越低；當動應力一定時，干濕循環次數越多動應變越大，說明試樣的剛度越小。同圍壓下的試樣動應力水平有所降低，可以認為隨著干濕循環次數的增加，試樣抵抗動載的能力逐漸衰減，第1次與第2次干濕循環后動應力水平衰減幅度較大，第3次干濕循環后動應力水平衰減幅度減緩，并逐漸趨于穩定。

2.4 動彈模量變化規律

經歷不同干濕循環次數和不同圍壓下的石灰處治膨脹土在循環荷載作用下的Ed～εd關系曲線如圖2所示，1/Ed～εd關系曲線如圖3所示(振動頻率為f=5 Hz，固結比Kc=1.0)。

(a)圍壓σ3c=50 kPa時的Ed～εd關系曲線圖

(b)圍壓σ3c=100 kPa時的Ed～εd關系曲線圖

(c)圍壓σ3c=150 kPa時的Ed～εd關系曲線圖

(d)圍壓σ3c=200 kPa時的Ed～εd關系曲線圖

(a)圍壓σ3c=50 kPa時的1/Ed～εd關系曲線圖

(b)圍壓σ3c=100 kPa時的1/Ed～εd關系曲線圖

(c)圍壓σ3c=150 kPa時的1/Ed～εd關系曲線圖

根據圖2、圖3可知，同圍壓條件，相同動應變下，隨著干濕循環次數的增加，試樣的動彈模量越小，初始動彈模量也越?。幌嗤瑒訌椖Ａ肯?，干濕循環次數越多，試樣的動應變越小，均說明試樣抵抗動荷載的能力隨干濕循環次數的增加而降低。從曲線變化規律來看，試樣的動彈模量和初始動彈模量隨著干濕循環次數的增加而不斷衰減，第1次與第2次干濕循環后動彈模量衰減幅度較大，第3次干濕循環后動彈模量衰減幅度減緩，并逐漸趨于穩定。但因初始動彈模量衰減較為明顯，當次循環對應的動彈模量衰減幅度越來越小。

2.5 阻尼比變化規律

經歷不同干濕循環次數和不同圍壓下的石灰處治膨脹土在循環荷載作用下的λ～εd關系曲線如圖4所示(振動頻率為f=5 Hz，固結比Kc=1.0)。

(a)圍壓σ3c=50 kPa時的λ～εd關系曲線圖

(b)圍壓σ3c=100 kPa時的λ～εd關系曲線圖

(c)圍壓σ3c=150 kPa時的λ～εd關系曲線圖

(d)圍壓σ3c=200 kPa時的λ～εd關系曲線圖

根據圖4，在一定動應變下，隨著干濕循環次數的增加，試樣的阻尼比逐漸增大，表現試樣在振動時應力波傳輸損耗能量增大，對于動荷載反應的滯后性有所增強。這主要是由于反復的干濕循環導致的土體內部裂隙發育，致使應力波在傳輸過程中損耗加大。同時，相同圍壓條件下，干濕循環次數多的試樣起始段的斜率要略大于干濕循環次數少的試樣，在較小的應變狀態下便達到了接近最大阻尼比的狀態。

2.6 不同干濕循環次數下的Edmax

根據圖3以及式2，1/Ed～εd關系曲線呈線性關系，用最小二乘法求得參數A、B，從而推算出Edmax，得出不同條件下干濕循環次數～Edmax關系曲線，如圖5所示。

圖5 干濕循環次數和Edmax關系曲線圖

根據圖5可知，在0～5次干濕循環次數內，最大動彈模量Edmax隨著干濕循環次數的增加而減小，且在第1、第2次干濕循環后有較大衰幅，第3次后衰幅減小，最大動彈模量Edmax趨于穩定。

2.7 不同干濕循環次數下的λmax

根據試驗確定的干濕循環次數～最大阻尼比λmax關系曲線如圖6所示。

圖6 干濕循環次數和λmax關系曲線圖

根據圖6可知，在0～5次干濕循環次數內，最大阻尼比λmax隨著干濕循環次數的增加而增大，且在第1、第2次干濕循環后有較大衰幅，第3次后衰幅減小，最大阻尼比λmax趨于穩定，但相對于圍壓、振動頻率和固結比對最大阻尼比λmax的影響，干濕循環對試樣最大阻尼比λmax的影響不大。

3 結語

通過重塑膨脹土和石灰處治膨脹土的物理力學試驗以及動三軸試驗結果分析，本文主要得出以下結論：

(1)膨脹土經6%的摻石灰量處治后土體的各項物理力學指標發生了較大變化，強度指標大大增加，塑性指數降幅明顯，最大干密度降低，最優含水率升高，壓縮特性增強，膨脹性基本被抑制，較好地改善了膨脹土的各項工程特性指標。

(2)根據等效線性模型(Hardin-Drnevich模型)提出的等效阻尼比公式，計算得到全應變范圍內的阻尼比λ，根據試驗結果確定最大阻尼比λmax；根據該模型提出的雙曲線型動應力動應變關系，擬合計算得到最大動彈模量Edmax。

(3)通過動三軸試驗得到干濕循環效應下石灰處治膨脹土動力特征，獲得了0～5次干濕循環效應下的骨干曲線(σ～εd曲線)，隨著干濕循環次數的增加，試樣動應力水平不斷衰減，其中第1、第2次干濕循環后動應力水平衰減幅度最大，第3次干濕循環后衰幅減小并逐漸趨于穩定，相同干濕循環次數條件下，隨著圍壓增大，動應力水平衰減程度有所降低；隨著干濕循環次數的增加，骨干曲線起始段的斜率有升高的趨勢，即試樣對動應力的敏感程度有所提升。骨干曲線出現明顯的轉角，說明試樣具有明顯的脆性性質。

(4)獲得了0～5次干濕循環效應下的動彈模量與動應變關系曲線(Ed～εd曲線、1/Ed～εd曲線)，發現在干濕循環作用下，試樣最大動彈模量不斷衰減，其中第1、第2次干濕循環后最大動彈模量衰減幅度最大，第3次干濕循環后衰幅減小并逐漸趨于穩定，相同干濕循環次數條件下，隨著圍壓增大，最大動彈模量衰減程度有所降低。

(5)獲得了0～5次干濕循環效應下的阻尼比與動應變關系曲線(λ～εd曲線)，發現在干濕循環作用下，阻尼比隨干濕循環次數增加而不斷增大，其中第1、第2次干濕循環后阻尼比增幅較大，第3次干濕循環后增幅減小并趨于穩定，但相對于σ3c、Kc、f等因素，干濕循環效應對阻尼比的影響并不明顯。

[1]曲永新.國內外膨脹土工程地質信息集成[R].中國科學院地質與地球物理研究所地質工程中心，2000.

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[5]吳世明，周 健，楊 挺.土動力學理論與計算[M].北京：中國建筑出版社，2001.

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