粉煤灰地震動(dòng)力破壞和模量弱化特性研究

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(河南工業(yè)大學(xué) 土木建筑學(xué)院，鄭州 450001)

1 研究背景

近5 a來，我國粉煤灰年均產(chǎn)量達(dá)6億t以上，粉煤灰的不斷排放，占用了大量土地作為堆放場(chǎng)。另一方面，近年來粉煤灰在道路、壩體、碼頭等工程的填筑中有了大量應(yīng)用[1]。粉煤灰儲(chǔ)灰場(chǎng)堆放高度可達(dá)20 m，儲(chǔ)存量可達(dá)數(shù)百萬噸，粉煤灰堆場(chǎng)、壩體崩塌的事例時(shí)有發(fā)生，尤其在地震等自然災(zāi)害時(shí)，粉煤灰堆場(chǎng)、填筑體發(fā)生破壞會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大的危害。因此研究粉煤灰的動(dòng)力性質(zhì)，對(duì)于粉煤灰的工程應(yīng)用極為重要。

Kaniraj等[2-5]對(duì)粉煤灰的滲透、固結(jié)、壓縮、強(qiáng)度性質(zhì)，以及作為填料的變形特性進(jìn)行了研究。林彤、謝海瀾等[6-13]對(duì)于粉煤灰的加固和改良效果進(jìn)行了研究，針對(duì)粉煤灰與水泥、生石灰、膨脹土、黃土等材料的混合體，研究了加固改良后的強(qiáng)度、壓縮性、密度和微觀性質(zhì)的改變。王助貧等[14]利用數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)得出了粉煤灰三軸剪切的剪切帶形態(tài)，表明剪切帶初始形成于峰值強(qiáng)度之前，當(dāng)剪切帶完全形成后，強(qiáng)度趨于殘余值。梁波等[15]對(duì)粉煤灰填料靜動(dòng)強(qiáng)度的水穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。明經(jīng)平等[16-17]對(duì)粉煤灰地基的濕陷性進(jìn)行了研究，提出了用于計(jì)算濕陷變形的“全應(yīng)變曲線”增量有限元法。李時(shí)亮等[18-20]通過動(dòng)三軸和動(dòng)扭剪試驗(yàn)研究了粉煤灰的動(dòng)強(qiáng)度、動(dòng)變形、動(dòng)孔壓和液化等特性，分析了初始中主應(yīng)力對(duì)粉煤灰動(dòng)剪切模量與阻尼比的影響。

國內(nèi)外對(duì)于粉煤灰的物理力學(xué)性質(zhì)、加固改良效果和動(dòng)力特性均有一定的研究。然而在動(dòng)力特性的研究中，試驗(yàn)動(dòng)應(yīng)力未與實(shí)際地震條件相聯(lián)系。本研究基于Seed-Idriss地震動(dòng)應(yīng)力計(jì)算公式，針對(duì)實(shí)際地震的固結(jié)應(yīng)力和水平最大加速度條件，計(jì)算粉煤灰地基單元體上的應(yīng)力，再通過動(dòng)三軸試驗(yàn)研究粉煤灰的動(dòng)變形、動(dòng)孔壓、破壞和動(dòng)模量的弱化等特性，為粉煤灰堆場(chǎng)、地基、壩體等的動(dòng)力計(jì)算提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

本文試驗(yàn)用的粉煤灰取自鄭州煤電公司的儲(chǔ)灰場(chǎng)。粒徑>0.25 mm的顆粒占總質(zhì)量的13%，粒徑>0.075 mm的顆粒占總質(zhì)量的57%，按土的粒徑分類，該試驗(yàn)用土為粉砂。粉煤灰的最優(yōu)含水率為36.5%，最大干密度為0.98 g/cm3，本文試樣的壓實(shí)系數(shù)均為0.97，對(duì)應(yīng)的干密度為0.95 g/cm3，孔隙比為1.32。壓縮模量Es1-2為9.8 MPa，壓縮指數(shù)Cc為0.175。

試驗(yàn)在河南工業(yè)大學(xué)WFI動(dòng)三軸儀上進(jìn)行，將粉煤灰制成干密度為0.95 g/cm3的試樣，試樣直徑為39.1 mm，高度80 mm。通過真空飽和、反壓飽和，使得粉煤灰試樣的飽和度達(dá)到0.95以上。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了得出與實(shí)際地震條件相對(duì)應(yīng)的粉煤灰地震動(dòng)力特性，本文根據(jù)Seed-Idriss公式[21-22]計(jì)算不同固結(jié)應(yīng)力和水平最大加速度時(shí)地基中的動(dòng)剪應(yīng)力，即

(1)

圖1地震動(dòng)應(yīng)力條件
Fig.1Stressconditionsunderearthquakeload

表1 動(dòng)三軸試驗(yàn)方案Table 1 Test programs in cyclic triaxial test

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 動(dòng)變形特性

圖2雙幅動(dòng)應(yīng)變結(jié)果
Fig.2Doubleamplitudeaxialstrains

根據(jù)Seed-Idriss公式，在有效固結(jié)應(yīng)力為50，100，150，200 kPa時(shí)，較大的地震動(dòng)應(yīng)力對(duì)應(yīng)的循環(huán)應(yīng)力比CSR分別為0.491，0.419，0.347，0.275。在該應(yīng)力條件下，粉煤灰試樣的雙幅動(dòng)應(yīng)變隨著循環(huán)周數(shù)的增大迅速增大，在4～14周時(shí)，雙幅動(dòng)應(yīng)變達(dá)到5%的破壞條件[23]。在對(duì)應(yīng)的循環(huán)周數(shù)下，粉煤

圖3累積軸向應(yīng)變結(jié)果
Fig.3Accumulativeaxialstrains

灰的累積軸向應(yīng)變較小，介于-1%～0.2%之間，表明在該條件下，粉煤灰在較小的循環(huán)周數(shù)下發(fā)生破壞，破壞形式為雙幅動(dòng)應(yīng)變達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)。

有效固結(jié)應(yīng)力為50，100，150，200 kPa時(shí)，中等地震動(dòng)應(yīng)力對(duì)應(yīng)的循環(huán)應(yīng)力比CSR分別為0.245，0.209，0.173，0.137。有效固結(jié)應(yīng)力50 kPa、循環(huán)應(yīng)力比為0.245的試驗(yàn)，粉煤灰試樣在循環(huán)周數(shù)為207時(shí)，累積軸向應(yīng)變達(dá)到10%的破壞標(biāo)準(zhǔn)[23]，此時(shí)雙幅動(dòng)應(yīng)變僅為1%。圍壓>50 kPa時(shí)，試樣在循環(huán)周數(shù)為128～952時(shí)，雙幅動(dòng)應(yīng)變達(dá)5%的破壞標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)的粉煤灰試樣累積軸向應(yīng)變僅為1.3%～1.6%，有效固結(jié)應(yīng)力越高試樣破壞的循環(huán)周數(shù)越大。

有效固結(jié)應(yīng)力為50，100，150，200 kPa時(shí)，較小的地震動(dòng)應(yīng)力對(duì)應(yīng)的循環(huán)應(yīng)力比CSR分別為0.123，0.105，0.087，0.069。1 000周循環(huán)荷載后，試樣的雙幅動(dòng)應(yīng)變介于0.07%～0.09%之間，累積軸向應(yīng)變介于0.1%～0.14%之間，粉煤灰試樣均不發(fā)生破壞。

3.2 動(dòng)孔壓特性

不同地震動(dòng)應(yīng)力水平下，孔壓比隨著有效固結(jié)應(yīng)力的變化如圖5所示。圖5中循環(huán)應(yīng)力比CSR較大時(shí)，由于粉煤灰中孔壓增長(zhǎng)較快，孔壓比是循環(huán)周數(shù)為8時(shí)的結(jié)果；中等循環(huán)應(yīng)力比條件時(shí)，孔壓比是循環(huán)周數(shù)為100時(shí)的結(jié)果；循環(huán)應(yīng)力比較小時(shí)，孔

圖4孔壓比結(jié)果
Fig.4Porepressureratios

壓比是循環(huán)周數(shù)為1 000時(shí)的結(jié)果。從試驗(yàn)結(jié)果可見，地震動(dòng)應(yīng)力較大時(shí)，在8周循環(huán)荷載作用下，淺層粉煤灰的孔壓比Ru接近1，接近液化條件，而深層粉煤灰孔壓比僅0.25。中等地震動(dòng)應(yīng)力條件下，有效固結(jié)應(yīng)力從50 kPa增大至200 kPa，孔壓比從0.39降低至0.09。較小地震動(dòng)應(yīng)力條件下，固結(jié)應(yīng)力從50 kPa增大至200 kPa，孔壓比從0.08降低至0.04。孔壓比隨著固結(jié)應(yīng)力的增大呈降低趨勢(shì)。

圖5孔壓比與有效固結(jié)應(yīng)力的關(guān)系
Fig.5Relationbetweenporepressureratioandeffectiveconsolidationstress

循環(huán)應(yīng)力比CSR較大時(shí)，對(duì)應(yīng)于粉煤灰變形破壞標(biāo)準(zhǔn)條件下，孔壓比Ru介于0.35～0.53之間；中等循環(huán)應(yīng)力比條件下，達(dá)到變形破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，粉煤灰孔壓比Ru介于0.51～0.58之間。表明粉煤灰達(dá)到變形破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，遠(yuǎn)未達(dá)到液化條件，粉煤灰的破壞由變形破壞控制。

3.3 動(dòng)模量弱化特性

動(dòng)三軸試驗(yàn)中動(dòng)模量為動(dòng)應(yīng)力幅值與動(dòng)應(yīng)變幅值的比值(Ed=σd/εd)，動(dòng)模量的弱化指數(shù)為第n周動(dòng)模量與第1周動(dòng)模量的比值(δ=Ed,n/Ed,1)。弱化指數(shù)δ為1表示試樣未發(fā)生弱化，δ接近0表示試樣的模量發(fā)生較大的弱化。粉煤灰在地震荷載下，動(dòng)模量弱化指數(shù)結(jié)果如圖6所示，循環(huán)周數(shù)為對(duì)數(shù)坐標(biāo)。

圖6動(dòng)模量弱化指數(shù)結(jié)果
Fig.6Indexvaluesofdynamicmodulusdegradation

地震循環(huán)應(yīng)力比CSR較大時(shí)，弱化指數(shù)隨著循環(huán)周數(shù)的增大迅速降低，在10周左右，降低至0.1左右，此時(shí)動(dòng)模量發(fā)生較大的降低。中等循環(huán)應(yīng)力比條件下，弱化指數(shù)曲線上存在著臨界周數(shù)，小于臨界循環(huán)周數(shù)時(shí)，動(dòng)模量弱化指數(shù)降低較緩慢；而大于臨界循環(huán)周數(shù)時(shí)，動(dòng)模量弱化指數(shù)降低較快。有效固結(jié)應(yīng)力為50，100，150，200 kPa時(shí)，臨界循環(huán)周數(shù)分別為16，33，72，328，固結(jié)應(yīng)力越大，臨界循環(huán)周數(shù)越大。地震循環(huán)應(yīng)力比較小時(shí)，在1 000周循環(huán)荷載后弱化指數(shù)約為0.9，動(dòng)模量未發(fā)生明顯弱化。

4 結(jié) 論

本文基于Seed-Idriss公式，計(jì)算地震作用下地基的動(dòng)應(yīng)力，并通過動(dòng)三軸試驗(yàn)?zāi)M地基動(dòng)應(yīng)力狀態(tài)，研究了粉煤灰地震動(dòng)力特性，得到以下結(jié)論：

(1)地震循環(huán)應(yīng)力較大時(shí)，粉煤灰破壞形式為雙幅動(dòng)應(yīng)變達(dá)到限值，破壞周數(shù)為4～14周。中等循環(huán)應(yīng)力條件下，固結(jié)應(yīng)力為50 kPa時(shí)，破壞形式為累積軸向應(yīng)變達(dá)到限值；固結(jié)應(yīng)力>50 kPa時(shí)，破壞形式為雙幅動(dòng)應(yīng)變達(dá)到限值。地震循環(huán)應(yīng)力較小時(shí)，粉煤灰在1 000周循環(huán)荷載后仍不發(fā)生變形破壞。

(2)相同循環(huán)周數(shù)時(shí)，粉煤灰孔壓比隨著有效固結(jié)應(yīng)力的增大而降低。粉煤灰達(dá)到變形破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，試樣中孔壓遠(yuǎn)小于液化值。

(3)地震循環(huán)應(yīng)力較大時(shí)，在10周循環(huán)荷載后，粉煤灰動(dòng)模量迅速弱化，弱化指數(shù)急劇降低至0.1左右。中等循環(huán)應(yīng)力條件下，當(dāng)循環(huán)周數(shù)小于臨界值時(shí)模量弱化較小，大于臨界值后模量弱化顯著。地震循環(huán)應(yīng)力較小時(shí)，粉煤灰的模量降低極小。