石灰處置粉質(zhì)粘土本構(gòu)關(guān)系研究

張 群 戰(zhàn)高峰 朱 福 董偉智

(吉林建筑大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130118)

土的本構(gòu)關(guān)系是土力學(xué)的一個重要的理論問題.近年來，土的本構(gòu)關(guān)系模型發(fā)展迅速，加上計算技術(shù)的應(yīng)用，使許多復(fù)雜的關(guān)系式能夠較快速的計算并應(yīng)用于科研當(dāng)中，但有效的應(yīng)用于實際工程中卻很少.為使本構(gòu)關(guān)系更好地應(yīng)用于實際工程中，且簡單易行，通過研究石灰處置粉質(zhì)粘土的本構(gòu)關(guān)系，使改良后的粉質(zhì)粘土能夠在實際工程中得到應(yīng)用.眾所周知，土不像金屬等固體材料［1］，其性狀相當(dāng)復(fù)雜，它不能用理想的彈塑性材料假設(shè).實際工程應(yīng)用中，希望能夠建立較準(zhǔn)確地土的本構(gòu)模型來滿足工程安全和經(jīng)濟(jì)可行性;同時希望該模型簡潔易懂，便于技術(shù)人員掌握和使用.

1 試驗材料與儀器

(1)試驗材料. 試驗所用材料取自吉林至荒崗高速公路沿線標(biāo)段的路基土，其物理性質(zhì)見表1.

表1 粉質(zhì)粘土物理性質(zhì)

石灰采用CaO，MgO總含量為61%的三級灰.

(2)試驗儀器. 試驗所用儀器有DTM—2電動脫模機(jī)、JYE—2000型數(shù)顯式壓力試驗機(jī)、SHBY—40B型標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱、DW—40低溫箱、TSZ－1型應(yīng)變控制式三軸儀.

2 試驗方法

對素土及摻入比4%，6%的石灰土進(jìn)行擊實試驗，測得最佳含水率和最大干密度，數(shù)據(jù)見表2.

表2 石灰土的最佳含水率和最大干密度

按照最佳含水率將粉質(zhì)粘土與石灰按各自摻入比進(jìn)行拌合，浸潤12h.每個試件的質(zhì)量按壓實度94%計算得到，分五層裝料，用JYE—2000型數(shù)顯式壓力試驗機(jī)靜壓成型，試樣直徑39.1mm、高80mm，本試驗含水率不變，將制備好的試件立即用保鮮膜包好，放入SHBY—40B型標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)生，養(yǎng)生時間為7d.

采用TSZ－1型應(yīng)變控制式三軸儀，進(jìn)行不固結(jié)不排水剪切(UU)試驗，加載速率0.18mm/min，為模擬現(xiàn)場路基應(yīng)力場情況，根據(jù)文獻(xiàn)［2］研究，圍壓(σ3)取15kPa，30kPa，45kPa，進(jìn)行三軸剪切試驗.

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

圖1(a)，(b)，(c)分別為不同圍壓、不同摻灰的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線.由圖(a)，(b)，(c)知，圍壓對石灰土的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系有一定影響，圍壓增大峰值強(qiáng)度升高，圍壓45kPa時的峰值強(qiáng)度是圍壓15kPa時的1.3倍，且圍壓較低時，過峰值點后的曲線降低較大，曲線軟化明顯，顯示圍壓對試樣的破壞起到一定的阻礙作用，試樣內(nèi)部聯(lián)結(jié)強(qiáng)度有一定增強(qiáng).

圖1 應(yīng)力－應(yīng)變曲線

3.2 石灰粉質(zhì)粘土的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)擬合

圖2 典型應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖1可以看出，石灰土的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系成應(yīng)變軟化型，且應(yīng)變較小時，應(yīng)力－應(yīng)變曲線呈現(xiàn)硬化壓密形式，超過峰值強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變值后，應(yīng)力應(yīng)變曲線急劇下降，強(qiáng)度減小.土力學(xué)的常用軟化模型不能描述與其相似的現(xiàn)象，而是同混凝土的破壞極其相像.其典型模型圖示見圖2.分析可知，采用簡單的非線性曲線方程［3］，即可符合上面的幾何條件，同時對于試樣采取不同類型曲線的準(zhǔn)確形狀是困難的.所以選取曲線峰值點為分界點，即分上升階段和下降階段，但試樣的破壞發(fā)生在峰值點后，為了研究簡單和在工程中應(yīng)用方便，僅對曲線上升階段進(jìn)行擬合，選取擬合公式:

式中，a，b，c，d為試驗參數(shù).對典型曲線進(jìn)行描述:a)當(dāng) ε =0時，σ =0;b)當(dāng) ε = εf時，σ = σf，dσ/dε =0，即到達(dá)曲線峰值點;c)當(dāng)ε→0時，dσ/dε=E0，E0為初始切線模量.

由幾何描述確定試驗參數(shù):

其中，σf為峰值點對應(yīng)的應(yīng)力;εf為峰值點對應(yīng)的應(yīng)變.將其帶入式(1)得:

可以看出參數(shù)a，b，c，d都可由三軸壓縮試驗得到.

圖3 驗證曲線

圖3為素土及石灰處置后的粉質(zhì)粘土的三軸壓縮試驗測得的數(shù)據(jù)點，與上述公式曲線進(jìn)行了擬合.由圖中擬合曲線與實測數(shù)據(jù)點的離散程度可知，二者離散性小，說明上述模型公式能夠較好地描述石灰處置粉質(zhì)粘土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線.

4 結(jié)論

(1)在粉質(zhì)粘土中摻加石灰，能夠有效地提高粉質(zhì)粘土的抗剪強(qiáng)度，且隨摻入比的增大抗剪強(qiáng)度越大，一定范圍內(nèi)效果明顯;

(2)通過室內(nèi)靜三軸試驗對石灰處置粉質(zhì)粘土的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行了初步研究，其應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)出非線性特征和應(yīng)變軟化特征;

(3)對石灰處置粉質(zhì)粘土的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行數(shù)值擬合，對上升階段采用簡單的三次多項式，通過比較，曲線離散性較小，三次多項式能滿足石灰處置粉質(zhì)粘土破壞前的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系.

［1］屈智炯.土的塑性力學(xué)［M］.成都:成都科技大學(xué)出版社，1987:7－10.

［2］羅志剛.路基與粒料層動態(tài)模量參數(shù)研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2007.

［3］王天亮.凍融條件下水泥及石灰路基改良土的動靜力特性研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2011.