固化土動力特性與三因素動力模型試驗

周 宇， 趙瑩瑩,2， 王子玉， 王立慧

(1. 佳木斯大學 建筑工程學院， 黑龍江 佳木斯 154007； 2. 東南大學 土木工程學院， 江蘇 南京 211189； 3. 海南熱帶海洋學院 生態(tài)環(huán)境學院， 海南 三亞 572022；4. 黑龍江科技大學 礦業(yè)工程學院， 黑龍江 哈爾濱 150022)

高速鐵路路基不僅承受上部結(jié)構(gòu)靜荷載作用，還承受列車行駛產(chǎn)生的動荷載作用，其動力穩(wěn)定性與路基土的抗動剪切能力息息相關，設計時可將兩者作為重要的設計參數(shù)[1]。對于工程性質(zhì)較差的路基填土，常采用固化劑加固，因此，有必要對固化土動力響應特性進行深入研究。

對于路基土加固的固化劑多采用無機鹽類，從早期的水泥、石灰、粉煤灰等加固材料，至目前應用廣泛采用的Aught-set、路豐、RT、NCS、SC、HEC、QJ等新型固化劑[2,3]，品類繁多。其制成的固化土動力性能受到多種因素影響[4]，最主要的因素為固化劑摻量[5]，此外還包括圍壓、頻率、密實度、干密度、孔隙比與飽和度等[6,7]，需針對不同類型固化劑和土種進行專門研究。

學術界對于水泥、石灰和粉煤灰固化土動力性能的研究開展較多，并且成果較為成熟。多數(shù)成果表明，固化劑的摻入可顯著提升土體的動強度和動剛度，降低阻尼比[8,9]。同時，隨著固化劑摻量的增加，土體的動剪切模量并非單調(diào)增加，而是存在某一最佳摻量，在該摻量下，固化土動力性能達到最佳[9]。圍壓對固化劑加固效果的影響較大，圍壓低時，固化劑摻量對動力性能的提升作用明顯；隨著圍壓的增加，提升效果不斷弱化，因此，固化劑對深層土的加固效果一般[10]，一般只應用于基床深度范圍內(nèi)。對于Aught-set固化土，雖然已在鐵路路基中得以應用[11]，但目前對其研究多集中于靜力特性，而對于其在高速鐵路列車荷載下的動力性能研究較少[12]。

本文開展了一系列Aught-set路基土的動三軸試驗研究，討論固化劑摻入對路基土動力性能的改良效果及最佳配比，研究三因素影響下路基土的骨干曲線和動剪切模量變化規(guī)律，進而嘗試發(fā)展三因素影響下的固化土動力模型，對于高速列車荷載作用下路基動力行為預測、設計與病害控制具有重要的理論意義。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試驗材料與試樣制備

試驗用土取自京哈高速鐵路哈沈段某填料場，將土樣風干碾壓，過2 mm篩，以免帶入雜質(zhì)與大顆粒。土樣中粒徑大于0.075 mm顆粒質(zhì)量含量為59%，粉粒含量為28%，黏粒含量為12%，為粉砂，屬C組填料，作為基床底層填料時應進行改良。固化劑為北京奧特賽特B1型Aught-set固化劑，包括S，P1，P2，T1，T2，P3六種組分。

試樣制備時首先將蒸餾水按預定含水率摻入土中拌勻，悶料12～24 h，再將Aught-set固化劑滲入混合料中，混合均勻后采用三層成形法制成固化土試樣，試樣為圓柱形，高度為125 mm，直徑為61.8 mm，如圖1所示。將固化土試樣放入養(yǎng)護箱中，在溫度20±3 ℃、濕度90%條件下養(yǎng)護7 d取出進行試驗。由擊實試驗得，路基土最佳含水率為12.5%，最大干密度為1.87 g/cm3。

圖1 試樣

1.2 試驗方法

試驗儀器采用DSD-160型動三軸試驗機，加載方式為應變控制式。試樣采用固結(jié)不排水方式，等壓固結(jié)12 h。待固結(jié)穩(wěn)定后，以分級加載的方式施加正弦波動荷載，軸向從小到大等差施加，每級動荷載振動12次，直至試樣達到變形破壞為止。試樣的破壞標準規(guī)定為軸向應變達到15%。其中，每級循環(huán)選取第8次(數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定)作為此級數(shù)據(jù)分析代表值。為了模擬高速鐵路交通荷載，頻率選取4 Hz，振幅依據(jù)試樣性質(zhì)確定。

試驗方案為：固化劑摻量分別為0，4%，5%，6%，7%；含水率分別為10.5%，12.5%，14.5%，16.5%；圍壓分別為100，150，200，250 kPa。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 路基土動參數(shù)提取

土的骨干曲線是不同循環(huán)動荷載作用下各周期動應力-動應變滯回圈的頂點繪制的軌跡線(如圖2)，可用于表征土體在動荷載作用下的抗動剪切破壞能力，是土動力分析的基礎。動剪切模量反應動荷載下土體的抗變形能力，可表示為：

圖2 土的骨干曲線與滯回曲線

(1)

式中：Gd為動剪切模量；τd為動剪應力；γd為動剪應變幅值。

2.2 路基土抗動剪切破壞能力

2.2.1 固化劑摻量的影響

圖3為路基土骨干曲線，由圖3a可知，依賴于固化劑在土中硬化反應所形成的膠結(jié)物具有良好結(jié)構(gòu)性，因此，路基土的骨干曲線明顯高于素土，說明固化劑摻入可顯著提升路基土的抗動剪切破壞能力。隨著固化劑摻量的增加，路基土骨干曲線不斷提升，摻量超過6%后開始下降，與多數(shù)固化土動力研究結(jié)果相符[9]。這是由于摻入的固化劑與土顆粒在水的作用下發(fā)生化學反應生成膠凝物，填充土中孔隙，使土體更加密實，從而明顯提升土體抗剪性能。固化劑摻入越多，化學反應越完全，土體越密實，性能越好，但加入量超過一定值后，會導致固化劑摻量過量，反應完全后仍有殘余，多余殘留物會影響土體結(jié)構(gòu)性，造成其性能降低。

圖3 路基土骨干曲線

2.2.2 含水率的影響

由圖3b可知，隨著含水率增加，路基土骨干曲線先增后減，在最佳含水率12.5%時土體骨干曲線最高，土體抗動剪切破壞能力最強。分析表明，當固化土處于最佳含水率時，膠結(jié)硬化反應最為完全充分，且無多余水分，生成膠凝硬化物聯(lián)結(jié)效應更好，結(jié)構(gòu)性更強；當含水量高時，多余水會增強膠凝物間的潤滑性，降低土中有效應力，抗剪切強度和變形的能力減??；當含水量低時，固化劑與土顆粒反應所需水分不足，反應不充分，膠凝硬化產(chǎn)物減小，固化劑的效能未能得到充分發(fā)揮。

2.2.3 圍壓的影響

由圖3c發(fā)現(xiàn)，圍壓越大，骨干曲線越高，土體抗動剪切破壞的能力越強。這是由于隨著圍壓加大，試樣所受側(cè)向束縛力增加，側(cè)向變形量減小，土體更加緊密，土顆粒間接觸增多，土中孔隙減小，顆粒間咬合力增大，因此，圍壓對土體具有良好的壓密作用。當動剪應變小于0.05%時，各圍壓下路基土骨干曲線近似重合，說明圍壓對小應變水平下土的抗動剪切破壞能力影響微小。

2.3 路基土動剪切模量特性

如圖4所示，路基土動剪切模量隨著動剪應變增加而逐漸衰減。表現(xiàn)為：在循環(huán)加載初期，小應變情況下，動剪切模量變化幅值較大，隨著動剪應變增加，大幅度衰減；動剪應變超過一定值后，逐漸趨于平穩(wěn)。在不同工況下，隨著動剪應變的增加，路基土的動剪切模量曲線相互靠攏，表明各影響因素對路基土動剪切模量的影響作用在高應變時被不斷削弱。

圖4 路基土動剪切模量衰減曲線

固化劑摻入可明顯提升路基土的動剪切模量(見圖4a)。隨著固化劑摻量增加，路基土動剪切模量大幅增加，至摻量6%時達到最佳，隨后開始回落，這與骨干曲線的結(jié)果基本一致。含水率對路基土動剪切模量的影響規(guī)律與骨干曲線一致。如圖4b所示，隨著含水率的增加，動剪切模量先增后減，在最佳含水率12.5%處性能最佳。由此可知，路基土的最佳配比為固化劑摻量為6%，含水率為12.5%。由圖4c可知，隨著圍壓增加路基土的動剪切模量增加，這與前人研究成果一致[13]。

2.4 三因素土動力模型

2.4.1 骨干曲線模型

通過試驗數(shù)據(jù)分析可知，在循環(huán)荷載作用下路基土骨干曲線(見圖3)符合Hardin-Drnevich雙曲線模型[14]，該模型可描述為：

(2)

式中：a，b為試驗參數(shù)，所代表的物理意義為1/Gdmax，1/τdmax，為初始動剪切模量Gdmax和最大動剪應力幅值τdmax的倒數(shù)。

通過線性回歸分析，可得固化土的Hardin模型參數(shù)a，b如表1所示。分析可知，三種不同因素對骨干曲線方程中參數(shù)a，b的影響均存在差異，這也是造成路基土結(jié)構(gòu)性差異的根本原因。換句話說，動參數(shù)Gdmax和τdmax與固化劑摻量β、含水率ω和圍壓σ3具有較強相關性。

表1 路基土動力模型參數(shù)a，b

2.4.2 動參數(shù)模型

從表1可知，隨著圍壓增大，初始動剪切模量和最大動剪應力不斷增加。但隨著固化劑摻量的增加，初始動剪切模量、最大動剪應力均呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，并在摻量6%時達到最佳；含水率對其變化規(guī)律的影響與固化劑摻量類似，在含水率12.5%處固化土動力性能達到最佳。

通過多次回歸分析可知，Gdmax與β，Gdmax與ω，τdmax與β，τdmax與ω等的關系均以較高精度符合單高斯模型；而Gdmax與σ3，τdmax與σ3的關系表現(xiàn)出與素土相同的規(guī)律，依然符合經(jīng)典冪函數(shù)模型[15]。據(jù)此，綜合上述規(guī)律可知，Gdmax，τdmax滿足下述動參數(shù)模型：

(3)

式中：ωopt，βopt分別為最佳含水率和固化劑最佳摻量；A為最佳配比時，圍壓為一個標準大氣壓下固化土的動參數(shù)與標準大氣壓之比；c1，c2，n為無量綱模型參數(shù)；Pa為標準大氣壓，近似取100 kPa?；貧w分析得到的路基土動參數(shù)模型中ωopt，βopt，A，c1，c2，n的值如表2所示，可見，式(2)可以較高精度估計Gdmax和τdmax值，可完全滿足鐵路路基工程設計與動力反應分析的需求。

表2 路基土動參數(shù)模型擬合結(jié)果

將式(2)，(3)聯(lián)立，可得到Aught-set固化土的三參數(shù)動力模型。

2.5 固化土破壞特征

固化劑與土反應形成的水化膠凝物，具有良好的填充效應，形成較強的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)。在循環(huán)動荷載作用下，試樣產(chǎn)生側(cè)向變形，剪切表現(xiàn)為剪脹現(xiàn)象，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)能有效抑制顆粒間搓動；但動荷載循環(huán)作用次數(shù)繼續(xù)增加，土中會造成結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)破裂，產(chǎn)生滑移，而后試樣斷裂，發(fā)生脆性張裂破壞，表現(xiàn)出明顯剪切破壞面，固化土剪切破壞以脆性破壞為主，無明顯塑性流動變形過程。

固化土試樣破壞形態(tài)多為剪切面，當固化劑摻量為3%時，試樣沿一個主要剪切面破壞(見圖5a)；當固化劑摻量為6%時，試樣沿多個剪切面破壞，呈破碎狀(見圖5b)，但在最佳摻量6%處試樣的側(cè)向鼓脹變形相對較小，土體更加密實，因此，產(chǎn)生相同變形所能承受的荷載更大。

圖5 試樣破壞形態(tài)

3 結(jié) 論

本文采用動三軸試驗研究了在高速列車動荷載作用下的Aught-set路基土在多因素影響下的動力特性，結(jié)論如下：

(1)路基土的抗動剪切破壞能力和動剪切模量隨著圍壓單調(diào)增加，而與固化劑摻量和含水率不存在單調(diào)關系，存在最佳配比(固化劑摻量6%、含水率12.5%)，使路基土動力性能達到最佳。三參數(shù)對動剪切模量的影響隨動剪應變的增加不斷弱化。

(2)在循環(huán)荷載作用下，路基土骨干曲線符合Hardin-Drnevich雙曲線模型，據(jù)此提出了考慮固化劑摻量、含水率和圍壓影響的三因素動力參數(shù)模型，進而可推演出固化土三因素動力模型。

(3)三因素動力模型精度較高，參數(shù)物理意義明確，可通過有限次試驗獲得，適用于Aught-set固化劑改良的高速鐵路路基的設計與動力反應分析，也可推廣至公路工程中。