二灰改良風積土動力特性試驗

張向東，馮勝洋，潘宇

(遼寧工程技術大學土木與交通學院，遼寧阜新 123000)

二灰改良風積土動力特性試驗

張向東，馮勝洋，潘宇

(遼寧工程技術大學土木與交通學院，遼寧阜新 123000)

在一系列室內(nèi)動三軸試驗的基礎上，研究了二灰(石灰、粉煤灰)改良風積土在不同固結(jié)圍壓、固結(jié)比、摻灰比和振動頻率條件下的動強度特性。通過試驗和計算分析，在力學性質(zhì)較差的風積土中摻入石灰、粉煤灰，其動強度明顯提高，且主要表現(xiàn)為動粘聚力增加。其中，尤以摻灰比(石灰∶粉煤灰∶風干土)10∶20∶70，13∶27∶60的石灰粉煤灰土改良效果更為明顯，其飽水動強度相對于素土而言提高近2～3倍以上。隨著振動頻率的升高，二灰改良風積土動剪應力呈現(xiàn)下降的趨勢。

動強度特性;石灰;粉煤灰改良;風積土;試驗研究

0 引言

風積土廣泛分布于我國的東北、內(nèi)蒙古、西北等廣大地區(qū)。研究表明［1］，風積土具有明顯的結(jié)構(gòu)性，特別是東北地區(qū)的風積土，在季節(jié)性凍脹、融沉、荷載和滲流等外部因素作用下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生根本性的變化，造成道路大量翻漿冒泥、柔性路面鼓包或開裂、剛性路面斷裂和錯縫等，給交通行業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失。因此，對風積土的改良加以研究，找出提高風積土特性的措施，對現(xiàn)有的工程施工技術加以補充和修正顯得尤為重要。用二灰(石灰、粉煤灰)改良土作路基填料，已得到廣泛應用，利用其處理不良地基也取得了令人滿意的成果，但其在交通動荷載作用下的變形特性和強度特性的研究還很不成熟，理論研究遠遠落后于工程應用。因此，研究二灰改良風積土的動力特性并將它應用于實際工程中，具有十分重要的現(xiàn)實和理論意義。

1 試驗儀器和方法

1.1 試驗土樣

土樣取自遼寧阜新市北方花園附近地表以下2m處，其物理、力學性質(zhì)如表1所示，具體試驗步驟見文獻［2］。石灰消解后其有效CaO和MgO總含量為57.6%，超過50%，屬III級。試驗所用粉煤灰取自阜新熱電廠的二級粉煤灰。

將風干的土樣過2mm篩并測定其風干含水量，然后按照試驗方案中所需的含水量調(diào)配成濕土。調(diào)制好的濕土放在保濕缸內(nèi)靜置24h，待其內(nèi)部水分分布均勻后，將土分層灌入試樣模(三瓣飽和器)內(nèi)，每層錘擊12～18次，分4層擊實，為了使試件層與層之間具有良好的接觸形成一體，在一層擊實完后要進行刮毛。制作成的試件為直徑3.91cm、高8cm的圓柱體。

表1 風積土的物理、力學性質(zhì)Table 1 Physico-mechanical properties of undisturbed aeolian soil

1.2 試驗儀器和方法

根據(jù)文獻［3］和本文具體情況，分別對素土、10∶20∶70、13∶27∶60、16∶34∶50的石灰粉煤灰改良風積土的動強度特性進行試驗研究。主要考慮的因素有固結(jié)比(Kc=1、Kc=2)，頻率(f=1Hz、f=5Hz)，圍壓(100kPa、150kPa、200kPa)和摻灰比(素土、10∶20∶ 70、13∶27∶60、16∶34∶50)對其動強度的影響。試驗儀器采用北京新技術應用研究所研制的DDS－70微機控制電磁式振動三軸儀。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 動抗剪強度

一般土的動強度表示為達到某種破壞標準時的振次Nf與作用動應力σd的關系，即σd～lgNf曲線，稱為土的動強度曲線［4］。土力學中常用三軸試樣在45°面上的剪應力τd表示土的動強度，τd=σd/2。因而土的動強度曲線通常表示為動剪應力曲線τd～lgNf。σd是軸向動應力幅值，Nf為達到某破壞標準時的振動周次。圖1為素土在不同條件下的τd～lgNf的關系曲線圖。由于篇幅所限，其他二灰改良風積土的τd～lgNf的關系曲線圖暫不列出。按照應變破壞標準［5－6］，以動應變εd=5%所對應的振次為破壞振次Nf，從而可以算得各條件下的動剪應力強度τd(表2)。

圖1 素土τd～lg Nf的關系曲線Fig.1 The τd～lgNfrelation curve of the plain soil

2.2 動摩爾庫侖強度參數(shù)

研究表明［7］，摩爾－庫侖理論仍然適用于土動力學。根據(jù)摩爾－庫侖抗剪強度理論，有

在固結(jié)比相同的動抗剪強度曲線上分別截取三個不同圍壓作用下與某一破壞振次相對應的動剪應力τd，由式τd=σd/2，可以確定σd。令σ1d=σ1c+ σd，σ3d=σ3c，σ1c由式σ1c=Kcσ3c確定，σ1d為固結(jié)圍壓，Kc為固結(jié)比。所得到的σ1d、σ3d分別為各試樣在該固結(jié)壓力下產(chǎn)生動力破壞的大小主應力。由σ1d、σ3d可以得出一個動摩爾圓，由三個動摩爾圓即可得出它們的動抗剪強度包線，然后由其求在該破壞振次下的動抗剪強度參數(shù)cd、φd。由上述方法得到素風積土和摻以不同灰量的石灰、粉煤灰風積土的動抗剪強度參數(shù)cd、φd，其計算結(jié)果見表3。

2.3 試驗結(jié)果分析

(1)固結(jié)圍壓σ3c對動抗剪強度的影響

研究表明［8］，當Kc＜K0(K0為達到雙向極限平衡條件的固結(jié)比)，土體達到破壞標準時，大主應力在水平方向，即土樣在拉半周發(fā)生拉伸破壞，即

表2 各條件下土動剪應力強度τdTable 2 Dynamic shearing strength τdof soil

表3 素土和石灰、粉煤灰土動抗剪強度指標Table 3 Dynamic shearing strength index between plain soil and lime-flyash-improved soil

式中:Kd=tan2(45°+φd/2)，cd、φd為動抗剪強度參數(shù)，σ3c為固結(jié)圍壓，Kc為固結(jié)比。土體在拉半周發(fā)生拉伸破壞時，由式(4)可知，當KdKc＞1，?τd/?σ3c＞0，τd隨圍壓的增加而增加。當KdKc＜1，dτd/dσ3c＜0，τd隨圍壓的增加而減少。

當Kc＞K0，土體達到破壞標準時，大主應力在豎直方向，即土樣在壓半周發(fā)生壓縮破壞，即

土體在壓半周發(fā)生拉伸破壞時，由式(6)可知，當Kd＞Kc時dτd/dσ3c＞0，τd隨圍壓的增加而增加。當Kd＜Kc時，dτd/dσ3c＜0，τd隨圍壓的增加而減少。Kd的大小與動強度參數(shù)φd有關，而動內(nèi)摩擦角φd與土性條件，即土的類別、密實程度和顆粒大小有關。

(2)固結(jié)比Kc對動強度的影響

土體在拉半周發(fā)生拉伸破壞，式(3)對Kc求偏導，可得

土體在壓半周發(fā)生壓縮破壞，式(5)對Kc求偏導，可得

土體在拉半周發(fā)生擠壓拉伸破壞時，由式(7)可知，τd隨固結(jié)比Kc的增加而增加。土體在壓半周發(fā)生壓縮破壞時，由式(8)可知，τd隨固結(jié)比Kc的增加而減少。

(3)摻灰比對動強度的影響

由上述分析可知，τd主要與圍壓σ3c，固結(jié)比kc，動強度參數(shù)cd有關。在圍壓σ3c，固結(jié)比Kc相同的條件下，τd的大小取決于動強度參數(shù)cd，即土樣性質(zhì)。圖2可看出，隨著摻灰比的變化，石灰粉煤灰風積土的動強度參數(shù)φd發(fā)生了顯著改變。摻灰比為10∶20∶70(二灰含量占總量之比為30%)和13∶27∶60(二灰含量占總量之比為40%)的改良風積土動強度有明顯增加，配比為16∶34∶50(二灰含量占總量之比為50%)的改良土雖然動強度有所增加，但不如前兩種的效果好。

圖2 改良風積土摻灰量與cd的關系曲線Fig.2 The relation curve of lime and flyash amount of improved soil with cdwith Cd

(4)頻率對動強度的影響

由圖3可知，頻率對動剪應力的影響因摻灰量的不同而表現(xiàn)略有不同。素土與二灰改良土在f=5Hz時的動剪應力基本小于在f=1Hz時的動剪應力。表現(xiàn)為隨著頻率的升高，動剪應力呈現(xiàn)下降的趨勢。改良后的風積土初期在頻率f=1Hz和f=5Hz時，動剪應力基本相等，但隨著破壞周次的增加，頻率的升高，動剪應力呈現(xiàn)下降趨勢。

圖3 振動頻率不同時的τd～lgNf關系曲線Fig.3 The relation curve of τd～lgNfin different frequency of vibration soil with cd

3 結(jié)論

(1)固結(jié)條件與土動強度的關系，取決于土的類別、密實度和顆粒大小。遼西地區(qū)風積土是一種粘粒含量很少的松散粉質(zhì)粘土，在固結(jié)比一定的情況下，要獲得相同的動強度，需要比其他土性較好的土體更大的固結(jié)圍壓。由表3可以看出，石灰、粉煤灰的摻入，顯著的提高了風積土的力學性質(zhì);

(2)二灰改良風積土動抗剪強度τd主要與圍壓σ3c，固結(jié)比Kc，動強度參數(shù)cd有關。在圍壓σ3c，固結(jié)比Kc相同的條件下，τd的大小取決于動強度參數(shù)cd，即土體性質(zhì)。在力學性質(zhì)很差的風積土中，摻入石灰、粉煤灰能夠顯著改善風積土動強度，且主要表現(xiàn)在動凝聚力的增加。但是，隨著二灰摻入量的增加，改良風積土動強度有下降趨勢;

(3)頻率對動剪應力的影響因摻灰量的不同而表現(xiàn)略有不同。隨著頻率的升高，二灰改良風積土動剪應力呈現(xiàn)下降的趨勢。

［1］張向東，劉功勛，于崇，等.遼西地區(qū)風積土結(jié)構(gòu)特性試驗研究［J］.巖土力學，2008，29(3):691－695.

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［7］謝定義，張建民.極限平衡理論在飽和砂土失衡過程中的引用［J］.土木工程學報，1981，14(4):17－28.

［8］賀建清.石灰改良土路基填料的動力特性及應用研究［C］.中南大學，2005.

Abstract:Based on a series of dynamic triaxial tests，dynamic strength characteristics of lime－flyash－improved soil are researched under the different conditions of confining pressure，consolidation ratio，amount of lime and flyash，frequency of vibration.By means of testing and computational analysis，it shows that dynamic strength of aeolian soil with lime and flyash is obviously improved，mainly for dynamic cohesion.Experiment results show that the improvement effect of lime－flyash soil with the ratio of 10∶20∶70 and 13∶27∶60(lime∶flyash∶air dried soil)is more visible，the saturation dynamic strength of which is improved 2～3 times than that of plain soil.Dynamic shearing strength of lime－flyash－improved soil is decreased along with the improvement of frequency of vibration.

Key words:dynamic strength characteristics;lime－flyash－improved soil;aeolian soil;study

Experimental study on dynamic performance for lime-flyash-improved aeolian soil

ZHANG Xiang－dong，F(xiàn)ENG Sheng－yang，PAN Yu
(Institute of Civil Engineering and Transportation，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin123000，China)

1003－8035(2010)02－0089－05

TU472

A

2009－12－31;

2010－01－22

張向東(1962—)，男，博士，教授，博士生導師，主要從事土木工程方面的教學與科研工作。E－mail:zhxd2008@yahoo.com.cn