粉煤灰改良膨脹土動(dòng)彈性模量與阻尼比試驗(yàn)研究

孟 靖， 莊心善， 周睦凱， 周 榮

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

膨脹土被稱(chēng)為世界工程中的“病癥”，是一種主要成分為蒙脫石、伊利石與高嶺石的粉質(zhì)粘土。由于膨脹土廣泛分布且易于采集，使其在建筑，鐵路，高速交通道路等領(lǐng)域大量應(yīng)用。此類(lèi)土體由于具有吸水膨脹，失水收縮的特性，會(huì)在季節(jié)性地區(qū)引起較為明顯的建筑物沉降與破壞。為了減少此類(lèi)土體特性帶來(lái)的損失，可以摻入摻料來(lái)改變土體的性質(zhì)，改善土體內(nèi)部構(gòu)造，降低變形能力。國(guó)內(nèi)外許多土力學(xué)者對(duì)膨脹土特性進(jìn)行了大量的研究[1-10]，Hardin[1]對(duì)膨脹土阻尼與剪切模量公式進(jìn)行了定義，鄢黎明[8]等向膨脹土中摻入粉煤灰進(jìn)行改良，進(jìn)行不同天數(shù)的養(yǎng)護(hù)，研究表明粉煤灰能有效抑制膨脹土的膨脹性，養(yǎng)護(hù)齡期與抗壓強(qiáng)度呈乘冪關(guān)系。莊心善[9]采用粉煤灰—玄武巖纖維改良膨脹土，得出玄武巖纖維在定量粉煤灰摻量下對(duì)膨脹土的影響規(guī)律，黃勇杰[11]等采用風(fēng)化砂對(duì)膨脹土進(jìn)行改良，結(jié)論表明風(fēng)化砂可以提升膨脹土的動(dòng)彈性模量及阻尼比，毛成[12]等采用石灰等改性膨脹土，對(duì)比在重復(fù)荷載與永久變形下素膨脹土與改性后土體動(dòng)彈性模量與阻尼比變化，結(jié)論表明改性后土體各方面性能均有提升。

綜上所述，目前對(duì)于改良膨脹土大多針對(duì)于改良后膨脹特性以及物理力學(xué)性能進(jìn)行研究，但對(duì)粉煤灰改良土體動(dòng)力特性研究甚少，因此，本文采用不同摻量粉煤灰對(duì)膨脹土進(jìn)行改良，通過(guò)GDS真三軸儀對(duì)養(yǎng)護(hù)7天不同摻量的膨脹土進(jìn)行分級(jí)加載荷載來(lái)研究其動(dòng)力特性，通過(guò)分析滯回曲線數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算土體動(dòng)彈性模量、阻尼比等物理性質(zhì)與土體動(dòng)應(yīng)變關(guān)系的作用規(guī)律。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 試驗(yàn)土體

膨脹土選用自安徽合肥某高速公路工程，呈淺褐色，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)規(guī)范，自由膨脹率試驗(yàn)測(cè)得土樣的自由膨脹率為46%，塑性指數(shù)為38，參考《膨脹土地區(qū)建筑基礎(chǔ)規(guī)范》(GBJ112-87)，定義此類(lèi)膨脹土為弱膨脹土。具體參數(shù)如表1所示。

表1 膨脹土物理性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)材料

粉煤灰取自河南某新材料有限公司，檢測(cè)具體成分含量為二氧化硅45.1%，三氧化二鋁24.2%，含水量0.85%，氯離子0.015%，氧化鈣5.6%，燒失量為2.8%，鐵含量0.85%，定義此類(lèi)粉煤灰為F類(lèi)粉煤灰。

1.3 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器為GDS真動(dòng)三軸儀(圖1)，不同于傳統(tǒng)三軸儀，該儀器中增加計(jì)算機(jī)控制與分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制精度高且數(shù)字化操作的優(yōu)點(diǎn)，使得測(cè)量系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)向壓力室施加軸向力、圍壓、反壓，準(zhǔn)確測(cè)量土體的孔壓、軸向應(yīng)力、形變量等并實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，通過(guò)GDS真動(dòng)三軸儀可以開(kāi)展飽和土或非飽和土的各種應(yīng)力試驗(yàn)。

1-圍壓和反壓傳感器；2,7-作動(dòng)器；3-荷重傳感器；4-安全制動(dòng)按鈕;5-電源箱；6-可選LVDT或者高精度proximitor升級(jí)圖 1 GDS真動(dòng)三軸儀

1.4 試樣制備

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-2019)采用高100 mm，直徑為50 mm的規(guī)范圓柱體模具進(jìn)行土樣制備，以最佳含水率進(jìn)行土樣重塑；設(shè)置粉煤灰摻量[7-8]分別為0，5%，10%，15%，按表2方案制作，每組4個(gè)試樣，3組共12個(gè)，擊實(shí)試樣時(shí)分5層，按每層2 cm進(jìn)行擊實(shí)且每層土擊實(shí)次數(shù)不低于25次，分層處鑿毛刮平，制備完成后將試樣靜置1 d，待粉煤灰顆粒與膨脹土充分反應(yīng)，再將試樣放入飽和器內(nèi)抽氣真空飽和8 h來(lái)排凈重塑試樣土體間隙的氣體，并在標(biāo)準(zhǔn)溫度恒溫箱下養(yǎng)護(hù)7 d。

表2 試驗(yàn)方案

1.5 試驗(yàn)方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查以及土體取樣深度，確定試驗(yàn)圍壓為50、100、150 kPa。將在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)7 d的試樣取出，裝進(jìn)GDS真三軸儀使用反壓裝置對(duì)土體進(jìn)行飽和，待飽和度Sr達(dá)到0.95時(shí)，再按設(shè)計(jì)方案施加圍壓與軸壓進(jìn)行排水固結(jié)7 h，待排水固結(jié)完成，采用頻率f=1 Hz的正弦波的應(yīng)力幅值加載方式，如圖2所示，其中OA為施加軸向力階段，OB為施加圍壓固結(jié)階段，BC為動(dòng)力加載過(guò)程。正弦波加載公式如下：

σd=σs+σmsin(2πft)

(1)

式中：σd為動(dòng)應(yīng)力值，σs為起始動(dòng)應(yīng)力值，σm為動(dòng)應(yīng)力幅值，f為荷載頻率，t為加載時(shí)間，將動(dòng)應(yīng)力幅值從初始階段分20級(jí)逐次加載，每級(jí)提高10 kPa動(dòng)應(yīng)力幅值，并循環(huán)振動(dòng)10次，每振級(jí)取10圈滯回曲線，當(dāng)軸向形變達(dá)到5%時(shí)，視為土體破壞，但不中止試驗(yàn)，直至20階段全部加載完成，具體試驗(yàn)方案如表2所示。

圖 2 正弦波荷載加載方式

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 膨脹土動(dòng)彈性模量變化規(guī)律

每個(gè)振級(jí)震動(dòng)10次，獲取10圈滯回曲線，每個(gè)振級(jí)中第i圈滯回曲線動(dòng)彈性模量計(jì)算公式：

(2)

每個(gè)振級(jí)平均滯回曲線模量計(jì)算公式：

(3)

式(2)中:Edi為第i圈滯回曲線動(dòng)彈性模量值，σdimax為第i圈滯回曲線最大動(dòng)應(yīng)力，σdimin為第i圈滯回曲線最小動(dòng)應(yīng)力，εdimax為第i圈滯回曲線最大動(dòng)應(yīng)變，εdimin為第i圈滯回曲線最大動(dòng)應(yīng)變。

分別獲取十圈滯回曲線中各項(xiàng)動(dòng)應(yīng)力與動(dòng)應(yīng)變數(shù)據(jù)，計(jì)算對(duì)應(yīng)動(dòng)彈性模量，將十圈動(dòng)彈性模量相加并取平均值以減小誤差。計(jì)算公式如式(3)所示。計(jì)算土體動(dòng)彈性模量并繪制出Ed-εd曲線。

圖 3 某一個(gè)周期動(dòng)荷載產(chǎn)生的滯回曲線

(a)σ3=50 kPa

(b)σ3=100 kPa

(c)σ3=150 kPa圖 4 動(dòng)彈性模量-動(dòng)應(yīng)變曲線

由圖4可知，在不同圍壓以及不同摻量的條件下，動(dòng)彈性模量隨著動(dòng)應(yīng)變皆呈現(xiàn)先急劇增大至一個(gè)峰值后再快速下降并逐漸趨于平緩的過(guò)程，當(dāng)0.5%<εd<1%時(shí)，土體主要處于彈性形變階段，塑性形變較小，土體回彈性能良好，導(dǎo)致Ed急速增大并快速達(dá)到峰值，隨著動(dòng)應(yīng)變?cè)龃螅糠滞馏w進(jìn)入塑性形變階段，引起土體抵抗變形能力減弱，Ed快速減小，當(dāng)3%<εd<5%時(shí)，Ed減小的速率降低并逐漸趨于平緩，該曲線走勢(shì)說(shuō)明土體發(fā)生應(yīng)變硬化，改良土剛度提升。

由圖4可得，在圍壓為50、100、150 kPa的情況下，10%摻灰率對(duì)比素土的Edmax分別提升了110.4%、60.9%、79.6%，可見(jiàn)動(dòng)彈性模量及峰值受?chē)鷫河绊懨黠@。

由圖4c可知，在150 kPa圍壓下，土體壓縮已較為密實(shí)，改良膨脹土動(dòng)彈性模量明顯高于素土，10%摻灰率的Edmax為119.5 MPa，相較于素土66.5 MPa提升了79.6%，但15%摻灰率的Edmax為115 MPa，對(duì)比10%摻灰率Edmax反而降低了3.9%，說(shuō)明動(dòng)彈性模量隨著摻灰率的提高先增大后減小。在各項(xiàng)加載條件相同情況下，摻粉煤灰可以明顯提高土體強(qiáng)度，但5%的摻灰率改良土由于包含離子成分明顯不足，導(dǎo)致土體間的離子反應(yīng)與顆粒膠結(jié)作用不夠明顯，所以低摻量的土體Ed值提升不顯著。15%摻灰率的土體動(dòng)彈性模量在各個(gè)圍壓下均小于10%摻灰率土體，因?yàn)榉勖夯以谖⒂^下是許多空心球狀顆粒[12]，過(guò)多的粉煤灰顆粒致使土體缺乏足夠的水分子進(jìn)行電離，抑制了土體內(nèi)部的離子反應(yīng)，多余粉煤灰顆粒在土體內(nèi)部形成粉煤團(tuán)狀物，但粉煤灰本身強(qiáng)度較小，當(dāng)受到外力荷載時(shí)，這些脆弱結(jié)構(gòu)會(huì)先被破壞，進(jìn)而降低試樣動(dòng)彈性模量，導(dǎo)致15%摻灰率土樣的Ed小于10%的土樣。

總結(jié)數(shù)據(jù)可知10%摻灰率膨脹土對(duì)動(dòng)彈性模量提升效果優(yōu)于15%摻灰率，根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果可認(rèn)為10%摻灰率為最佳摻量。

2.2 膨脹土阻尼比變化規(guī)律

膨脹土的阻尼比λ是指在周期性動(dòng)荷載下衡量土體在振動(dòng)下吸收能量的參數(shù)。

阻尼比λ為阻尼系數(shù)C與臨界阻尼比系數(shù)Cr之比：

(4)

其中,能量損失數(shù)ψ的公式為一次循環(huán)振級(jí)所消耗能量△W與該振級(jí)總能量W之比：

ψ=△W/W

(5)

如圖3所示，該振級(jí)所儲(chǔ)存總能量W為滯回曲線最大動(dòng)應(yīng)力σdimax、最大動(dòng)應(yīng)變?chǔ)興imax與原點(diǎn)所圍成三角形OAB面積：

(6)

滯回曲線面積為一次循環(huán)荷載消耗能量ΔW。

阻尼比λ公式為：

λ=(1/4π)·(△W/W)

(7)

取每個(gè)振級(jí)下第5～8圈滯回曲線計(jì)算，繪制同摻量下阻尼比-動(dòng)應(yīng)變曲線，如圖5所示。

(a)摻灰率=0%

(b)摻灰率=5%

(c)摻灰率=10%

(d)摻灰率=15%圖 5 阻尼比-動(dòng)應(yīng)變曲線

由圖5得知，在不同摻量與不同圍壓情況下，λ-εd曲線與Ed-εd曲線呈現(xiàn)出完全相反的走勢(shì)，在應(yīng)變初期，由于土體尚處于彈性形變階段，土體阻尼比值非常高，隨著動(dòng)應(yīng)變?cè)龃笙燃眲p小然后逐漸增大后直至穩(wěn)定。

通過(guò)對(duì)比不同摻量下阻尼比-動(dòng)應(yīng)變曲線走勢(shì)，可以發(fā)現(xiàn)不同加載圍壓與不同摻量的土體均在0.5%<εd<1%時(shí)取得λmin，此時(shí)滯回曲線面積變化較大，每振級(jí)循環(huán)消耗能量不斷加大，所以阻尼比變化幅度較大，在動(dòng)應(yīng)變范圍為3%<εd<5%時(shí)對(duì)應(yīng)的滯回曲線面積數(shù)值相近，此時(shí)每循環(huán)振級(jí)所消耗能量幾乎不變化，阻尼比值已趨于穩(wěn)定。

相同摻量的土樣阻尼比λ隨著圍壓的增大而增大，圍壓每增大50 kPa，阻尼比值提升5%～10%，因?yàn)殡S著圍壓增大，粉煤灰顆粒可以更加緊密的填滿(mǎn)膨脹土體內(nèi)的顆粒間隙，從而降低孔隙率，使土體結(jié)構(gòu)密實(shí)，整體阻尼比值升高。

由圖5總結(jié)可知，εd>4%后，土體阻尼比值均已接近穩(wěn)定值，圍壓為50 kPa時(shí)，所有試樣的阻尼比值均處于20%～30%。在圍壓為100 kPa時(shí)，所有試樣的阻尼比值均處于25%～35%，在圍壓為150 kPa時(shí)，所有試樣的阻尼比值均處于35%～40%，可見(jiàn)粉煤灰摻量對(duì)阻尼比的影響不明顯。

3 結(jié)論

在一定含水率和干密度的條件下，向膨脹土加入不同摻量的粉煤灰，使用GDS動(dòng)三軸儀器對(duì)改良土進(jìn)行動(dòng)力特性試驗(yàn)研究，主要結(jié)論如下：

1)Ed-εd曲線走勢(shì)相似且具有明顯規(guī)律性，隨著應(yīng)變?cè)黾樱瑒?dòng)彈性模量先急劇增長(zhǎng)至一個(gè)峰值，隨后快速下降，在εd>5%后曲線趨于平緩，證明土體具有“應(yīng)變硬化”特點(diǎn)。

2)動(dòng)彈性模量在應(yīng)變初期變化幅度較大，Ed在范圍為0.5%<εd<1%時(shí)可取到峰值，證明改良土體在應(yīng)變較小時(shí)具有優(yōu)秀的抗形變能力。

3)經(jīng)粉煤灰改良土體的彈性模量與阻尼比相較于素土有明顯的提升，且在相同圍壓加載條件下，Ed隨著摻灰率的提升先增大后減小，根據(jù)本試驗(yàn)數(shù)據(jù)可認(rèn)為10%摻灰率為最佳摻量。

4)圍壓可顯著提升膨脹土的阻尼比值，每增加50 kPa圍壓可提高5%～10%的膨脹土阻尼比值。

5)圍壓條件相同情況下，粉煤灰摻量對(duì)阻尼比提升不明顯，因此，粉煤灰摻量對(duì)λ-εd曲線沒(méi)有明顯影響。