水泥改良泥質(zhì)板巖土動力特性試驗

陳樂求，陳俊樺，張家生，陳積光

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水泥改良泥質(zhì)板巖土動力特性試驗

陳樂求1, 2，陳俊樺1，張家生1，陳積光2

(1. 中南大學土木工程學院，湖南長沙，410075；2. 湖南理工學院土木建筑工程學院，湖南岳陽，414006)

針對未改良和水泥改良的泥質(zhì)板巖砂土，利用振動三軸儀開展不同加載頻率和圍壓作用下的循環(huán)振動加載試驗，研究土的動彈性模量、阻尼比、動力強度和動力累積變形等參數(shù)的變化規(guī)律，對比改良土和未改良土的試驗結(jié)果，分析和評價改良效果。研究結(jié)果表明：改良土的動應(yīng)力與動應(yīng)變關(guān)系骨干曲線為雙曲線；改良土阻尼比隨動應(yīng)變幅值增大而增大，近似為雙曲線函數(shù)關(guān)系；改良土初始動彈性模量隨圍壓增大而增大，最大阻尼比隨圍壓增大而減?。桓牧纪脸跏紕訌椥阅Ａ侩S加載頻率增大而增大，但加載頻率對最大阻尼比的影響不大；改良土動應(yīng)力強度和破壞振次的對數(shù)呈線性遞減關(guān)系；水泥改良后，泥質(zhì)板巖土的動力強度和初始動彈性模量顯著提高，而最大阻尼比變化不大。改良土動力變形穩(wěn)定性比未改良土的強。

土動力學；動三軸試驗；動彈性模量；阻尼比；動應(yīng)力強度；動力累積變形

當土石料不能滿足路基填筑要求時，需要對其進行物理改良或者化學改良。物理改良一般通過改變級配的方式改變土石料的強度和剛度等物理力學參數(shù)。對于物理改良效果不好的土料，如黃土、鹽漬土等受水環(huán)境影響較大的不良土料，需要采用化學方法進行改良?；瘜W改良通常是在不良填料中摻入石灰或者水泥等，利用化學反應(yīng)加強土內(nèi)部聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)聯(lián)系，從而增強土的力學穩(wěn)定性和水穩(wěn)性等。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)看，化學改良土比物理改良土、普通土等要復(fù)雜。由于路面上車輛荷載作用是引起路基變形與破壞的主要原因，因此，化學改良土的動力性質(zhì)是路基工程領(lǐng)域的研究熱點之一[1?12]。例如，徐望國等[1]研究了水泥土動強度和變形特性等，李池龍[2]研究了石灰改良土的動彈性模量與阻尼比的特性。研究路基土動力性質(zhì)的試驗通常包括現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗?，F(xiàn)場試驗通常為現(xiàn)場波速試驗，通過現(xiàn)場測試振動波的傳播速度，以該物理參數(shù)反映路基填土的動力特性。室內(nèi)試驗通常包括共振柱試驗[13]、離心機動力試驗[14]、直剪試驗[15?16]和振動三軸試驗等[8?11]。目前，振動三軸試驗是最為常用的研究方法。通常利用振動三軸試驗研究土的動強度、動彈性模量、阻尼比和累積變形等力學參數(shù)的變化規(guī)律，得到土的動力特性。如賀建清等[8]利用振動三軸儀研究了石灰土填料的動彈性模量和阻尼比特性，毛成等[11]利用振動三軸儀研究了改良膨脹土的動強度和動力累積變形特性。泥質(zhì)板巖遇水易軟化、崩解，水穩(wěn)性差，是一種較常見的軟巖。泥質(zhì)板巖破碎后形成的土料保留了母巖的物理化學性質(zhì)，是需要化學改良的不良填料。泥質(zhì)板巖在我國分布較廣，不少公路和鐵路路基的建設(shè)項目經(jīng)過泥質(zhì)板巖區(qū)域，因此，針對泥質(zhì)板巖改良土動力性質(zhì)的研究具有重要的工程意義。為此，本文作者利用振動三軸試驗研究水泥改良后的泥質(zhì)板巖土的動強度、動彈性模量、阻尼比和累積變形等，研究水泥改良泥質(zhì)板巖土的動力特性。通過對比改良土樣和未改良土樣的試驗結(jié)果，評價水泥改良效果，以期為泥質(zhì)板巖改良土的工程應(yīng)用提供 參考。

1 泥質(zhì)板巖改良土振動三軸試驗方案

1.1 試驗材料及制樣

試驗所取土樣來自湖南岳陽市區(qū)。土樣為褐黃色泥質(zhì)板巖土。土中白云母與綠泥石等親水礦物成分的質(zhì)量分數(shù)較高，土遇水易軟化，崩解，水穩(wěn)性差。土樣的天然含水率為5%~13%，密度為1.04~1.70 g/cm3。

試驗設(shè)備為DDS?70微機控制電磁式振動三軸試驗系統(tǒng)。試樣為圓柱體，其直徑為39.5 mm，高為80.0 mm。對于未改良試樣，試樣的壓實度為96%，含水率為11%，干密度為2.20 g/cm3。試樣的顆粒粒徑小于2 mm，其中，細粒土質(zhì)量分數(shù)約為10.4%。不均勻系數(shù)為5.2，曲率系數(shù)為1.1。土樣的級配曲線見圖1。根據(jù)GB/T 50145—2007“土的工程分類標準”，未改良試樣為級配良好的含細粒土砂。改良試樣的加固劑為普通硅酸鹽P.O32.5。在一般情況下，當土中水泥質(zhì)量分數(shù)≥4%時，改良土的強度和水穩(wěn)性均可滿足路基設(shè)計要求[17?18]。因此，從工程應(yīng)用角度出發(fā)，本文試驗在由圖1所示級配曲線確定的未改良土中摻入質(zhì)量分數(shù)為5%的水泥，以96%的壓實度、11%的含水率和2.20 g/cm3的干密度制作改良試樣。

圖1 泥質(zhì)板巖土的級配曲線

1.2 試驗設(shè)計

試驗為循環(huán)振動加載試驗，包括動彈性模量與阻尼比試驗、動強度試驗和動力累積變形試驗。試樣包括改良土樣和未改良土樣。

考慮到當標準養(yǎng)護齡期達到28 d后，水泥的強度逐漸步入穩(wěn)定階段，對試樣進行標準養(yǎng)護。當養(yǎng)護齡期達到28 d時，對改良土樣進行試驗。

影響土的力學性質(zhì)的因素很多，包括孔隙比、含水率、圍壓、加載動應(yīng)力幅和加載頻率等，其中，圍壓、加載動應(yīng)力幅值以及加載頻率是試驗和工程中最常用的參數(shù)。本文主要的試驗控制參數(shù)為圍壓、動應(yīng)力幅值和加載頻率。主要的試驗條件及方法說明如下。

1) 動彈性模量與阻尼比試驗等循環(huán)動力加載試驗施加的振動荷載形式相同，如圖2所示。振動荷載施加在試樣軸向，為等幅值正弦波荷載，其表達式為

式中：k為動靜應(yīng)力比，k=0.1~0.8。對于動彈性模量與阻尼比試驗，每一級循環(huán)對應(yīng)1個k。

根據(jù)試驗結(jié)果測定動彈性模量d和阻尼比以及它們隨應(yīng)變幅值的變化規(guī)律。阻尼比的具體計算過程和計算表達式見文獻[9]。動應(yīng)力—動應(yīng)變骨干曲線關(guān)系式為

動強度試驗的破壞標準為：土中孔隙水壓力等于圍壓。破壞時對應(yīng)的應(yīng)力為破壞強度，即。相應(yīng)的振次為破壞振次f，即=f。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 動彈性模量試驗結(jié)果及分析

2.1.1 應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系骨干曲線與動彈性模量

圖3和圖4所示為頻率=1 Hz時、不同圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變骨干曲線和動彈性模量與應(yīng)變幅值的關(guān)系曲線。從圖3可看出：改良土和未改良土的應(yīng)力應(yīng)變骨干曲線均近似為雙曲線。從圖4可以看出：改良土的動彈性模量隨動應(yīng)變幅值增大而減小，但這種減小程度隨動應(yīng)變幅值的增大而逐漸減小。這些結(jié)果與通常的非改良土(砂土、黏性土等)振動三軸試驗揭示的規(guī)律一致[19]。本文試驗中泥質(zhì)板巖改良土的骨干曲線關(guān)系?、動彈性模量和應(yīng)變幅值之間的關(guān)系?可用如下的擬合關(guān)系式表示[19]：

其中：

(5)

1—改良土，3=100 kPa，=1 Hz；2—改良土，3=150 kPa，=1 Hz；3—改良土，3=200 kPa，=1 Hz；4—未改良土，3=100 kPa，=1 Hz。

圖3 土的骨干曲線

Fig. 3 Backbone curves of soil

1—改良土，σ3=100 kPa，f=1 Hz；2—改良土，σ3=150 kPa，f=1 Hz；3—改良土，σ3=200 kPa，f=1 Hz；4—未改良土，σ3=100 kPa，f=1 Hz。

表1 參數(shù)E0和ηd

表2 不同頻率時的參數(shù)nE和mE

典型的改良土動彈性模量和動應(yīng)變幅值之間的擬合關(guān)系曲線見圖5。擬合關(guān)系式如下：

擬合關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)為0.94。

1—3=150 kPa，=2 Hz；2—擬合曲線。

圖5 動彈性模量與動應(yīng)變幅值關(guān)系的擬合曲線

Fig. 5 Fitted curves of relationship between dynamic elastic modulus and amplitude of dynamic strain

由圖5和擬合相關(guān)系數(shù)可知擬合效果良好，這表明式(4)~(6)適合描述改良土應(yīng)力與應(yīng)變骨干關(guān)系以及動彈性模量隨應(yīng)變幅值變化的規(guī)律。

2.1.2 加載頻率和圍壓對初始動彈性模量的影響

初始動彈性模量0和頻率以及圍壓3之間的關(guān)系曲線見圖6。從圖6可看出：在相同頻率作用下，改良土的初始動彈性模量0隨圍壓3的增大而增大；在同一圍壓3作用下，初始動彈性模量0隨加載頻率增大而增大。這表明圍壓和加載頻率均對改良土的初始動彈性模量產(chǎn)生較大影響。經(jīng)分析可知：圍壓越大，試樣受到的側(cè)向約束越大，其軸向越難產(chǎn)生變形，在相同動應(yīng)力幅值作用下，根據(jù)式(4)計算得到0也越大。在等幅循環(huán)荷載作用下，頻率越高意味著加載速率越大[19]。而加載速率越大，巖土體材料表現(xiàn)出的黏性也越顯著，此時，加載方向上的變形往往來不及產(chǎn)生，瞬時變形較小，宏觀上表現(xiàn)為瞬時動彈性模量增大或者初始動彈性模量隨加載頻率增大而增大。

1—改良土，σ3=100 kPa；2—改良土，σ3=150 kPa；3—改良土，σ3=200 kPa；4—未改良土，σ3=100 kPa。

2.2 阻尼比試驗結(jié)果及分析

2.2.1 阻尼比與動應(yīng)變幅值的關(guān)系

圖7所示為頻率=1 Hz時，阻尼比隨動應(yīng)變幅值變化的曲線。從圖7可看出：阻尼比隨動應(yīng)變幅值的增大而增大，但增大速率逐漸變小并趨于穩(wěn)定，曲線形態(tài)近似為雙曲線形式。阻尼比和應(yīng)變幅值之間的擬合關(guān)系可用如下的雙曲線函數(shù)式表示[19]：

從圖7可看出：當頻率和動應(yīng)變幅值相同時，圍壓越大，阻尼比越小。經(jīng)分析可知：圍壓越大，試樣顆粒間擠壓越密實。從波動傳播理論看，這有利于減少土顆粒間振動傳遞路徑和時間，也減小了顆粒間產(chǎn)生摩擦滑移的可能性，從而減少了能量耗散，宏觀上表現(xiàn)為黏性耗散機制退化，而材料的黏性耗散能力越強，阻尼比越大。

1—改良土，σ3=100 kPa，f=1 Hz；2—改良土，σ3=150 kPa，f=1 Hz；3—改良土，σ3=200 kPa，f=1 Hz；4—未改良土，σ3=100 kPa，f=1 Hz。

表3 不同頻率時的參數(shù)和

Table 3 Parameters of and for different frequencies

表3 不同頻率時的參數(shù)和

f/Hzσ3=100 kPaσ3=150 kPaσ3=200 kPa 10.29621.70.221 086.40.122 166.2 20.261 498.50.19614.30.141 201.0 40.274 124.20.225 710.50.153 649.1

1—σ3=150 kPa，f=2 Hz；2—擬合曲線。

2.2.2 圍壓和加載頻率對阻尼比的影響

最大阻尼比與圍壓、加載頻率的關(guān)系見圖9。由圖9和表3可知：當動應(yīng)變幅值和頻率相同時，最大阻尼比隨圍壓增加而減小，而當動應(yīng)變幅值和圍壓相同時，最大阻尼比隨加載頻率發(fā)生變化的幅度很小。與加載頻率相比，圍壓是影響改良土最大阻尼比的主要因素。

2.3 動強度試驗結(jié)果及分析

根據(jù)圖10的變化規(guī)律，采用下式描述動應(yīng)力破壞強度與破壞振次之間的關(guān)系：

1—改良土，σ3=100 kPa，f=1 Hz；2—改良土，σ3=150 kPa，f=1 Hz；3—改良土，σ3=200 kPa，f=1 Hz；4—未改良土，σ3=100 kPa，f=1 Hz。

2.4 動力累積變形試驗結(jié)果及分析

從圖11可看出：當圍壓和頻率一定時，動靜應(yīng)力比越大，改良土和未改良土的累積應(yīng)變越大；對于改良土，軸向累積動應(yīng)變隨振動次數(shù)增加而逐漸增加；隨著振動次數(shù)增加，軸向累積動應(yīng)變曲線逐漸變得平緩，即軸向累積應(yīng)變速率逐漸減小。根據(jù)文獻[20]，本文試驗中改良土的累積變形發(fā)展是穩(wěn)定的。

表4 不同時的參數(shù)和

Table 4 Parameters of and at different

表4 不同時的參數(shù)和

/kPa 1003.644.1 1505.258.0 2005.793.3

1—k=0.5，改良土樣；2—k=0.6，改良土樣；3—k=0.8，改良土樣；4—k=0.5，未改良土樣；5—k=0.5，未改良土樣。

2.5 改良效果評價

2.5.1 動彈性模量

從圖3和圖6可看出：當圍壓為100 kPa，頻率為1 Hz時，改良土的動彈性模量均比未改良土的大。未改良土和改良土的初始動彈性模量分別為14.7 MPa和21.2 MPa。與未改良土相比，水泥改良泥質(zhì)板巖土的初始動彈性模量增加44%，這表明經(jīng)水泥改良后，泥質(zhì)板巖土的剛度顯著提高。

監(jiān)管工作承擔著公路工程建設(shè)質(zhì)量與安全的監(jiān)督管理功能，但是當前關(guān)于這方面的制度制約比較薄弱，對公路工程建設(shè)中出現(xiàn)的違法違規(guī)等行為的制約與處罰力度不足，容易導(dǎo)致這些違法違規(guī)行為發(fā)生率上升。尤其是一些施工單位出于自身的利益而擅自偷工減料，引發(fā)質(zhì)量與安全方面的問題，其性質(zhì)比較惡劣。同時，由于相關(guān)法律制度和監(jiān)管制度的不完善，導(dǎo)致公路工程施工單位對職責劃分范圍不夠明確，容易發(fā)生問題出現(xiàn)時的推諉責任現(xiàn)象。

2.5.2 阻尼比

從圖9可看出：當圍壓為150 kPa，頻率分別為1，2和4 Hz時，未改良土最大阻尼比分別為0.29，0.28和0.29，而改良土的最大阻尼比分別為0.29，0.26和0.27，可見水泥改良對泥質(zhì)板巖土的最大阻尼比影響不大。

2.5.3 動強度

從圖10可看出：當圍壓為100 kPa，加載頻率為1 Hz時，未改良土的動強度曲線均在改良土的下方。即在相同破壞振次作用下，改良土動力強度均比未改良土的大。因此，水泥改良后，泥質(zhì)板巖土的強度顯著提高。

2.5.4 動力累積變形

從圖11可看出：當圍壓、頻率以及動靜應(yīng)力比一定時，未改良土的累積應(yīng)變比改良土的大，且兩者間的差值隨循環(huán)次數(shù)增加而顯著增大。例如對于= 0.6的試驗，=200時未改良土的累積應(yīng)變達0.210，仍然比=2 000時改良土的累積應(yīng)變0.154大很多。這是因為未改良土的累積變形曲線在較低循環(huán)次數(shù)作用下快速上升，如對于= 0.5的試驗，當由10增加到50時，累積變形由0.007增加到0.015，增加了約1倍；而當=200時，累積變形快速增加到0.180，相對=50時，累積變形增大了10倍以上?？梢?，未改良土的累積變形速率呈增大趨勢。根據(jù)文獻[20]，本文試驗中未改良土的累積變形發(fā)展是不穩(wěn)定的。結(jié)合前面對改良土累積變形特點分析可知，水泥改良后，泥質(zhì)板巖土動力變形顯著減小，動力變形發(fā)展的穩(wěn)性顯著增強。

本文試驗的泥質(zhì)板巖砂土中主要含白云母、綠泥石等親水礦物，不排水條件下土中礦物互層結(jié)構(gòu)、顆粒定向結(jié)構(gòu)等較容易破壞以及產(chǎn)生崩解現(xiàn)象。在循環(huán)動荷載反復(fù)作用下，土內(nèi)部聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)進一步變得松散、紊亂，顆粒間發(fā)生不可逆的滑移也進一步增大，同時，大顆粒逐漸變成小顆粒，礦物顆粒進一步發(fā)生崩解，土顆粒間的有效承載力急劇下降，這導(dǎo)致土體內(nèi)產(chǎn)生的累積變形不斷增大，且累積變形速率越來越大。因此，泥質(zhì)板巖土的剛度、強度以及動力變形穩(wěn)定性等均較差。而水泥改良土中土顆粒通常被水泥凝膠吸附包裹，同時土顆粒中的孔隙中填充于大量纖維狀結(jié)晶中，構(gòu)成了一定的水泥膠結(jié)網(wǎng)絡(luò)格架作用，形成了水泥土骨架。由于水泥骨架的彈性模量、強度等較高，水泥膠結(jié)網(wǎng)又能有效抑制土中礦物顆粒的膨脹變形和崩解軟化，因此，與未改良土相比，水泥改良泥質(zhì)板巖土的剛度、強度以及動力變形穩(wěn)定性均顯著提高。

3 結(jié)論

1) 改良土應(yīng)力應(yīng)變骨干曲線關(guān)系為雙曲線函數(shù)關(guān)系。動彈性模量隨動應(yīng)變幅值增加而減小。阻尼比隨動應(yīng)變幅值增加而增大，它們之間關(guān)系近似為雙曲線函數(shù)關(guān)系。

3) 改良土的動應(yīng)力強度隨相應(yīng)的破壞振次增加而降低，且動應(yīng)力強度和破壞振次的對數(shù)之間的關(guān)系近似為線性遞減關(guān)系。

4) 水泥改良效果良好。水泥改良后，泥質(zhì)板巖土的剛度、強度以及變形穩(wěn)定性均顯著提高。

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(編輯 陳燦華)

Test of dynamic properties of argillite-slate soil improved by cement

CHEN Leqiu1, 2, CHEN Junhua1, ZHANG Jiasheng1, CHEN Jiguang2

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. Department of Construction & Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China)

Test of dynamic properties of argillite-slate soil and the soil improved by cement were carried out using dynamic triaxial compressive equipment under different conditions of loading frequency and confining pressure. The changes of dynamic elastic modulus, damping ratio, dynamic strength and cumulative strain were obtained by the test. The improvement effects were analyzed and evaluated by comparing the dynamic properties of the improved soil with that of the one unimproved. The results show that the stress-strain backbone curve of improved soil can be fitted with hyperbolar. The damping ratio increases with the increase of the amplitude of dynamic strain, and their relationship can also be fitted with hyperbolic curve. The initial value of dynamic elastic modulus increases with the increase of the confining pressure, while the maximum value of damping ratio has the opposite trend. The initial value of dynamic elastic modulus increases with the increase of the loading frequency, while there are little influences of loading frequency on the maximum damping ratio. The dynamic stress strength decreases linearly with the logarithm of cycle times. After the improvement, both the dynamic strength and the initial dynamic elastic modulus are enhanced significantly while the maximum damping ratio changes little. The dynamic deformation of the improved soil is more stable than that of the one unimproved.

soil dynamics; dynamic triaxial test; dynamic elastic modulus; damping ratio; dynamic stress strength; dynamic cumulative deformation

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.07.024

TU41

A

1672?7207(2017)07?1858?08

2016?10?12；

2016?12?22

國家自然科學基金資助項目(51308210) (Project(51308210) supported by the National Natural Science Foundation of China)

陳樂求，博士，副教授，從事巖土工程、路基工程研究；E-mail: 365148895@qq.com