新型固化劑加固土動態力學特性試驗研究

高莉莉，張建文

(1.鹽城工業職業技術學院 建筑工程學院, 江蘇 鹽城 224000； 2.東南大學 土木工程學院)

土壤固化劑作為一種可以將土壤快速固化，并且顯著提高土壤工程特性的功能性材料在應急工程、低等級道路、鐵路、水利和農業等工程中得到了廣泛應用，其中水泥土的應用具有比較長的歷史，對其研究也積累了很多成果，特別是針對一些特殊土質的處理，包括疏浚污泥、鹽漬土、含有機質土、粉質土、濕陷性黃土等。在不斷應用研究中人們逐漸認識到水泥、石灰等傳統的固化材料在應用中存在著諸多不足，比如早期強度比較低、水穩性差、容易開裂等。

現代土壤固化技術針對傳統材料的不足進行了諸多改進，同傳統的材料相比有著很多優點，比如可以適用于更多的土體類型，施工更簡便，工程特性更好等，因此不斷獲得工程人員的青睞，固化劑種類包括有機固化劑、有機無機復合固化劑、離子型固化劑和生物酶類固化劑。現有研究主要針對某一特殊土質提出改進辦法，研究項目也主要是靜態工程特性，針對固化土的動力學特性研究較少，而固化土在實際工程中多承受動態荷載，因此掌握固化土在動態荷載作用下的工程特性對于指導工程實踐具有更大的參考價值。

針對以上不足，該文對某新型固液混合固化劑加固土開展不同圍壓、不同固化劑摻量的動三軸試驗，并對動應力-應變關系曲線進行分析，可為固化土的工程應用提供理論借鑒。

1 試驗概況

1.1 試驗材料及試驗儀器

土樣為黃土質黏砂土，液限為30.5%，塑限為19.9%，最大干密度為1.88 g/cm3，最佳含水量為11.4%。所用固化劑為CAU-4型固液復合型固化劑，其固體組分為粉末狀物質，顏色為黑灰色，密度約為2.7 g/cm3，易吸水，耐火性好。與土壤混合后會產生含32個結晶水的鈣礬石針狀結晶體，交錯穿插于土團粒中，可將土壤中大量的自由水以結晶水的形式固定下來，有效地填充土團粒間的孔隙使土體變得致密，有效增強土體強度。液體組分為無色、無味狀液體，偏黏稠，密度為1.4～1.5 g/cm3，易溶于水。與水作用后可產生大量Ca2+或者Mg2+、Al3+等， 促使其與土膠粒吸附層進行離子交換作用，通過降低土壤膠粒電勢、減薄土壤膠粒雙電層的厚度，使土顆粒聚集成團，形成團粒化和砂質化結構，將土壤的親水性轉化為憎水性，可達到加強土體強度和穩定性的目的。

試驗儀器為TDJSZ型土體動、靜剪切流變儀。試驗振動頻率為2 Hz。在試驗過程中，當試件的全幅應變增長速率突然加快時，試件表面出現明顯裂縫，緊接著試件整體出現嚴重形變破壞，此時的全幅應變通常不超過4.5%。綜合考慮靜態試驗過程中試件破壞時的全幅應變通常為3%左右，故可認為全幅值應變達到5%為動態試驗試件的破壞標準。

1.2 試驗方案

試驗方案如表1所示(其中動應力幅值級別上欄表示擬定應力值，下欄表示儀器設置加載重量，其換算后就等于上欄應力值)，分為3個固化劑摻量水平和3個圍壓水平。試驗中測定動模量的方法為：作用于試件的軸向動應力從一個小的幅值開始振動加載，后逐級增大幅值繼續振動試驗，直至達到試驗破壞標準時，試驗終止。記錄試驗過程中每級荷載的動應力和動應變，確定各動應變幅值時的動強度和動模量。

表1 動三軸試驗方案

2 動三軸試驗數據分析

動三軸試驗是運用與靜三軸試驗相似的軸向加載應力條件，對一定密度和含水率的試件通過固結穩定后在不排水條件下施加設置好的一定水平的主動應力，并在這一水平的動應力幅值作用下持續振動加載，加載至試件振動破壞為止，試驗過程中記錄動態的應力、應變和孔壓變化及循環周次。整理動三軸試驗數據，分別對不同圍壓以及不同固化劑摻量條件下，動應力幅值和分別達到預設破壞要求時的循環作用次數的關系進行分析研究。

圖1為10%固化劑摻量下，動應力幅值與疲勞破壞周次的關系。圖2為100 kPa圍壓下，動應力幅值與疲勞破壞周次的關系。

圖1 10%固化劑摻量條件下動應力幅值與

圖2 100 kPa圍壓條件下動應力幅值與疲勞破壞周次的關系

從圖1、2不難發現：在不同圍壓、相同固化劑摻量和不同固化劑摻量、相同圍壓下，動應力幅值和疲勞破壞周次的關系曲線很近似，都表現為：隨著破壞周次的增大，相應的動應力幅值先是迅速降低，在經歷一個比較 “光滑的過渡”后，逐漸在低應力幅值趨于相對穩定。在摻量相同時，不同圍壓條件下二者關系的區別顯著表現為“光滑過渡段”；而在圍壓相同時，不同摻量條件下二者關系的區別同樣顯著表現為“光滑過渡段”。因此，對不同條件下動應力幅值與疲勞周次的關系討論主要集中在比較明顯的“光滑過渡段”中。

2.1 圍壓對動應力幅值與疲勞破壞周次關系的影響

圖3為不浸水狀態下，不同固化劑摻量的土樣在不同動應力幅值作用下達到全幅應變5%時的疲勞周次與對應動應力幅值的關系，其中固化劑摻量分別為10%、12%和14%。

由圖3可知：在某一固定的固化劑摻量條件下，動應力幅值與疲勞破壞周次存在著很好的單調遞減關系，除了圖3(b)中12%摻量、300 kPa條件以外。而這一例外現象產生的原因可能是試驗過程中，該條件下某次試驗中原有壓力室突然發生漏水現象，更換到一個新壓力室后其傳力裝置摩阻力太大，使得實際作用于試件的動應力幅值未達到理論設置的標準，從而使得在該條件下該次試驗的數據有所偏差。分析正常的一般情況，隨著動應力幅值的增大，在相同固化劑摻量條件下，疲勞破壞周次有很明顯的減小趨勢，而且該趨勢隨著動應力幅值的增大越來越明顯：即在相同固化劑摻量條件下，單位動應力幅值增量對應的疲勞破壞周次的減小值越來越小。說明隨著動應力幅值的增大，應變量增大，而且應變的增大速率逐漸加快，從而使得破壞速率加快，在單位周次作用下的應變量增大。

圖3 不同固化劑摻量下動應力幅值與疲勞破壞周次的關系

相同固化劑摻量的固化土在固定動應力幅值作用下，由于圍壓的增大，固化土在單位周次作用后的應變量減小，即圍壓的增加使得試件側方向有了束縛力，而側向束縛力加大了發生相同應變的困難程度，并且側向束縛力越大，發生應變的困難程度越大，達到疲勞破壞時要求的作用次數越多。因此固化土的疲勞破壞周次會隨著圍壓的增大而相應增大。

2.2 固化劑摻量對動應力幅值與疲勞破壞周次關系的影響

圖4為在不同圍壓水平時，不浸水狀態的固化土土樣在不同動應力幅值作用下達到全幅應變5%時的疲勞周次與對應的動應力幅值的關系，其中固化劑摻量分別為10%、12%和14%。

圖4 不同圍壓條件下動應力幅值與疲勞破壞周次的關系

由圖4可知：相同固化劑摻量固化土在相同圍壓條件下，動應力幅值與破壞疲勞周次仍然有著很好的單調關系。相同固化劑摻量固化土的疲勞破壞周次隨著動應力幅值的增大而相應地減小，并且隨著動應力幅值的增大，動應力幅值單位增量對應的疲勞破壞周次的降幅也逐漸減小。這也說明在低動應力幅值水平時，疲勞破壞周次隨著動應力幅值增大而減小的趨勢很明顯；而隨著動應力幅值的進一步增大，在高動應力幅值水平中，疲勞破壞周次隨著動應力幅值增大而減小的趨勢逐漸趨于穩定，直至動應力幅值增大到一定水平后，在很小的周次后試件即達到破壞標準，此時稱為相對的“穩定趨勢”。

在相同動應力幅值作用下，疲勞破壞周次與固化劑摻量的關系并不是單調的，而是有著一個最佳摻量值，該值使得在相同動應力幅值作用下的疲勞破壞周次達到最大。由圖4(a)可看出：在100 kPa圍壓條件下，按照疲勞性能的優良程度，12%摻量固化土的疲勞性能優于10%摻量固化土，14%摻量固化土的疲勞性能最差；由4(b)可看出：在200 kPa圍壓條件下，高動應力幅值水平時，12%摻量固化土的疲勞性能優于14%摻量固化土，10%摻量固化土的疲勞性能最差，低動應力幅值水平時，12%摻量固化土的疲勞性能優于10%摻量固化土，14%摻量固化土的疲勞性能最差；由圖4(c)可看出：在300 kPa圍壓條件下，12%摻量固化土的疲勞性能優于14%摻量固化土，10%摻量固化土的疲勞性能最差。這也就說明在實際工程運用中需要調整固化劑摻量以使得材料的疲勞度最佳。通過不同圍壓水平下的試驗數據分析可知，在相同動應力幅值條件下，12%的固化劑摻量對應的疲勞破壞周次最大，說明此時材料的疲勞性能最佳，即12%為該固化土材料的最佳摻量。

3 動應力-應變關系曲線分析

3.1 動強度計算

對固化土循環加載指定幅值大小的動應力，并使土體在指定的循環加載作用次數下達到破壞標準，此時作用的動應力幅值稱為動強度。試驗中主要是采用通過控制動應力幅值而得到與其對應的破壞周次，去除明顯異常數據，對得到的試驗結果進行歸納計算，得到動應力幅值作用下的破壞周次與其對應動應力幅值關系近似線性，破壞振動周次為10 000、14 000、18 000次時的動應力幅值如表2所示，其中σ5%指應變幅值達到5%時所對應的軸向動應力幅值。

表2 不同破壞周次動應力幅值計算匯總

續表2

定義動剪應力幅值計算公式為：

(1)

依據不同摻量固化土的不同破壞次數的動應力幅值數據，計算動剪應力幅值與破壞作用周次的關系，動剪應力曲線如圖5所示。

圖5 動剪應力-破壞周次曲線

由圖5可知：在某一固化劑摻量條件下，動剪應力幅值與疲勞破壞周次存在著很好的單調關系。在相同固化劑摻量條件下，隨著動剪應力幅值的增大，疲勞破壞周次有很明顯的減小趨勢，而且該趨勢隨著動應力幅值的增大越來越明顯：即在相同固化劑摻量條件下，單位動應力幅值增量對應的疲勞破壞周次的減小值越來越小。說明隨著動應力幅值的增大，應變量增大，而且應變的增大速率逐漸加快，從而使得破壞速率加快，在單位周次作用下的應變量增大。

運用摩爾―庫侖抗剪強度理論求解動抗剪強度參數，即動黏聚力c動和動內摩擦角φ動，它們之間的關系表達為：

τ動=σtanφ動+c動

(2)

表3 動強度參數

3.2 動彈性模量計算

固化土的動彈性模量是進行固化土動力分析的一個重要參數，表征的是固化土材料在彈性變形階段的動應力―應變的關系。由于固化土的應力―應變關系具有明顯的非線性特征，在循環荷載作用下，在某一周次加載過程中，該周次內變化的動應變幅值與應力的關系可近似擬合為雙曲線：

(3)

式中：ξ動為軸向動應變幅值；σ動為相應ξ動時的動應力；a、b為試驗參數。

動彈性模量可定義為：

(4)

將式(3)做極限求解分析，可得：

(5)

由式(4)可知：當ξ動趨于0時，E動→E動max，則：

(6)

由以上分析可知：參數a、b的倒數分別為最大動彈性模量和最大動應力幅值。

基于以上理論，如果試驗過程中能夠繪出指定固化劑摻量、圍壓和加載頻率條件下的單次加載過程的動彈性應變和動應力幅值的關系圖，就可以繪出不同循環加載周次下，當前單一周次加載過程中的動彈性模量-動彈性應變的關系圖。最后再依據此關系圖按照式(4)進行參數擬合，即可得出不同預設條件下擬合參數a和b值。

4 結論

(1) 固化土在固定的固化劑摻量條件下，隨著動應力幅值的增大，應變量增大，而且應變的增大速率逐漸加快，從而使得破壞速率加快，在單一周次作用下的應變量增大； 相同固化劑摻量的固化土在相同動應力幅值作用下，固化土的疲勞破壞周次隨著圍壓的增大而相應增大。

(2) 相同固化劑摻量的固化土在固定圍壓條件下， 動應力幅值與破壞疲勞周次有著很好的單調關系。在低動應力幅值水平時，疲勞破壞周次隨著動應力幅值增大而減小的趨勢很明顯；而隨著動應力幅值的進一步增大，在高動應力幅值水平中，疲勞破壞周次隨著動應力幅值增大而減小的趨勢逐漸趨于穩定，直至動應力幅值增大到一定水平后，在很小的周次后試件即達到破壞標準。

(3) 在相同動應力幅值作用下，疲勞破壞周次與固化劑摻量的關系并不是單調的，而是有著一個最佳摻量值，使得相同動應力幅值作用下的疲勞破壞周次達到最大，對于此固化劑最佳摻量為12%(干土重)。