考慮凍融影響的FMLSS動(dòng)力特性試驗(yàn)

朱一新，顧歡達(dá)

（蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州215011）

河道淤泥氣泡混合土（簡稱FMLSS）是由淤泥、水、水泥和氣泡按照設(shè)定配比混合而成，而且在實(shí)際工程中FMLSS的密度和強(qiáng)度均可以通過改變水泥、水和氣泡含量來調(diào)整[1]。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)MLSS具有保溫隔熱好、滲透性小、蠕變小和耐久性好等特點(diǎn)[2]，可用于軟基處理、地基填充、窄區(qū)施工等特殊工程領(lǐng)域，具有良好的適用性。工程上FMLSS常用于海港或機(jī)場回填土、橋梁路基過渡區(qū)填土、道路路基填料或換土墊層材料[3-4]。在日本等資源緊缺國家較多使用并且解決了大量的實(shí)際工程問題。我國幅員遼闊，各地情況差異明顯，在實(shí)際工程尤其是季節(jié)性凍土地區(qū)，作為填土材料的FMLSS不僅要承受包括交通、地震、波浪等動(dòng)靜載荷作用，還可能經(jīng)受反復(fù)凍融環(huán)境影響，F(xiàn)MLSS具有高含水及多孔性結(jié)構(gòu)特征，發(fā)生凍融時(shí)可能導(dǎo)致土中水或孔隙性質(zhì)改變從而引起其力學(xué)性能發(fā)生變化。何國杰[5]研究了凍融循環(huán)對泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度的影響，分析了輕質(zhì)土的凍融破壞特征和凍融破壞機(jī)理。董慧等[6]對凍融水泥土進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并研究了水泥摻量、含水率和密度等因素對凍融水泥土靜力學(xué)特性的影響。劉增祥等[7]分別從圍壓、震動(dòng)頻率、養(yǎng)護(hù)時(shí)間及FMLSS各組成含量（水、水泥、氣泡）分析影響FMLSS動(dòng)變形特性的因素，并總結(jié)出含水率及水泥摻量對FMLSS的動(dòng)力特性有著至關(guān)重要的影響。王天亮等[8]采用動(dòng)三軸試驗(yàn)對水泥及石灰改良土進(jìn)行了凍融循環(huán)后的動(dòng)力特性研究。鐘曉凱[9]研究了凍融與循環(huán)荷載作用下污泥固化輕質(zhì)土力學(xué)及其結(jié)構(gòu)特性。

目前，國內(nèi)外對輕質(zhì)土在凍融條件下的動(dòng)力特性影響研究不多，對高含水、大孔隙的輕質(zhì)土在凍融環(huán)境下的性狀保持研究更少；再加上河道淤泥組成成分復(fù)雜，以其為原料制成的河道淤泥氣泡混合輕質(zhì)土影響因素較多，力學(xué)性質(zhì)較為復(fù)雜，故關(guān)于河道淤泥氣泡混合土的相關(guān)研究只是處于起步階段。因此，基于工程應(yīng)用目的，合理評(píng)價(jià)凍融環(huán)境下FMLSS的動(dòng)力特性是非常必要的。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)用原料土為蘇州市內(nèi)某河道的清淤淤泥土，根據(jù) 《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-1999）測試其物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所列。原料土的液性指數(shù)2.01，處于流塑狀態(tài)；塑性指數(shù)16.9，屬于粉質(zhì)粘土。

表1 原料土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.2 配合設(shè)計(jì)及試樣制作

試樣配比條件及凍融條件如表2所列，每種配比的試樣制作兩組平行試樣。表中所示的水泥摻量（ωc）、氣泡摻量（ωe）均是指水泥、氣泡與干土質(zhì)量之比。試驗(yàn)用水泥為華新廠32.5#復(fù)合硅酸鹽水泥，發(fā)泡劑采用南京大野節(jié)能生產(chǎn)的TY復(fù)配型發(fā)泡劑。試樣制備前先將淤泥過5 mm篩去除大顆粒雜質(zhì)，然后根據(jù)配比條件稱量一定量的淤泥，加入水泥后用攪拌器攪拌均勻，最后稱取制備好的泡沫將其加入料漿并攪拌均勻。將試料裝入直徑50 mm、高100 mm的模具中。將制備的試樣置于溫度為20±2℃，濕度≥95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24 h后取出試樣脫模，并用保鮮膜密封，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至設(shè)定養(yǎng)護(hù)齡期。

表2 FMLSS配比及凍融設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)方法

對完成養(yǎng)護(hù)的試樣根據(jù)《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》[10]按設(shè)定條件進(jìn)行凍融試驗(yàn)，凍融設(shè)備為TDS-300凍融試驗(yàn)機(jī)。試樣在（-10±2）℃冷凍6 h后，凍融機(jī)自動(dòng)注入清水并恒溫至（20±5）℃，保持6 h，以此完成一次凍融循環(huán)。試樣凍融完成后實(shí)施動(dòng)荷載試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器為31-WF7015氣動(dòng)式動(dòng)三軸儀，采用分級(jí)逐次加載模式施加動(dòng)力荷載，加載參數(shù)如表3所列。其中，試驗(yàn)過程不固結(jié)不排水，采用應(yīng)力控制加載模式。

表3 動(dòng)荷載加載參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在動(dòng)三軸試驗(yàn)中，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變累積及殘余應(yīng)變，由不同變形（波動(dòng)變形、殘余變形和綜合變形）確定的動(dòng)彈性模量也會(huì)不同。然而大量試驗(yàn)表明在定性上采用不同的變形可以得到相似的變化規(guī)律[11]。在此，試驗(yàn)結(jié)果中的動(dòng)應(yīng)變和動(dòng)彈性模量均按波動(dòng)變形確定。

2.1 凍融對FMLSS動(dòng)力特性的影響

2.1.1 動(dòng)力特性參數(shù)定義

在周期動(dòng)荷載的作用下，土的動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變（σd-εd）關(guān)系表現(xiàn)為非線性和滯后性，每周應(yīng)力循環(huán)得到一個(gè)滯回圈，如圖1所示。所有滯回圈頂點(diǎn)的連線，即為動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變骨干曲線。其動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變關(guān)系[12]可以用雙曲線模型進(jìn)行擬合

圖1 典型滯回圈示意圖

式中，σd、εd為軸向動(dòng)應(yīng)力幅值和軸向動(dòng)應(yīng)變幅值，a、b是與試樣凍融循環(huán)和配比相關(guān)的擬合參數(shù)，擬合結(jié)果顯示上述雙曲線關(guān)系能比較準(zhǔn)確地反映FMLSS的動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變關(guān)系。

FMLSS的動(dòng)彈性模量Ed按式（2）定義，動(dòng)模量-動(dòng)應(yīng)變關(guān)系可按雙曲線模型進(jìn)行擬合[12]（見式（3）），結(jié)果顯示雙曲線能比較準(zhǔn)確地反映凍融條件下FMLSS在動(dòng)力荷載作用下動(dòng)模量-動(dòng)應(yīng)力之間相關(guān)關(guān)系。

式中，Ed是FMLSS的動(dòng)彈性模量，c、d是與試樣凍融循環(huán)和配比相關(guān)的擬合參數(shù)。擬合結(jié)果顯示雙曲線模型能較好地反映FMLSS動(dòng)模量-動(dòng)應(yīng)變相關(guān)關(guān)系。

2.1.2 凍融對FMLSS動(dòng)力特性的影響

通過FMLSS的凍融試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以原料土含水率110%試樣為例，5次凍融循環(huán)前試樣表面未發(fā)生明顯變化，但當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到7次時(shí)，試樣表面出現(xiàn)比較明顯的軟化剝離現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 凍融前后試樣表面圖

圖3與圖4分別顯示了不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下FMLSS試樣的σd-εd與Ed-εd關(guān)系。根據(jù)圖示試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)次數(shù)較少的情況下（凍融循環(huán)次數(shù)5次以內(nèi)），凍融環(huán)境引起的FMLSS動(dòng)強(qiáng)度及動(dòng)剛度衰減比較明顯，這與董慧[6]關(guān)于凍融水泥土的相關(guān)研究結(jié)果比較類似。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，在動(dòng)應(yīng)力σd一定時(shí)，動(dòng)應(yīng)變?chǔ)興隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大；而當(dāng)動(dòng)應(yīng)變?chǔ)興一定時(shí)，動(dòng)模量Ed隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小。以上試驗(yàn)結(jié)果說明，凍融作用導(dǎo)致FMLSS發(fā)生劣化，隨著凍融次數(shù)的增加，這種劣化作用會(huì)進(jìn)一步加深，但變化趨勢逐漸收斂。其機(jī)理在于構(gòu)成FMLSS的四相介質(zhì)（河道淤泥、水、水泥水合物、空氣）在凍、融狀態(tài)下具有不同的熱物理性質(zhì)。溫度降低時(shí)，淤泥中的土顆粒體積收縮，而水結(jié)冰導(dǎo)致體積膨脹。為了限制這種收縮和膨脹，在淤泥和水泥水化物顆粒之間產(chǎn)生了較大的局部拉伸和壓縮應(yīng)力（凍脹力）[13]，這種凍脹力會(huì)造成FMLSS內(nèi)部出現(xiàn)局部損傷破壞。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，這些局部損傷破壞區(qū)域逐漸擴(kuò)展并連接形成裂隙；隨著這種裂隙不斷產(chǎn)生并延伸，導(dǎo)致土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)顯著削弱，土體變軟，應(yīng)力波的傳播路徑減小，傳播過程中的能量損耗增加；在凍融條件下FMLSS的動(dòng)強(qiáng)度及動(dòng)模量均出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，但經(jīng)凍融后的動(dòng)彈性模量依然能保持初始動(dòng)彈性模量的60%以上，說明凍融前后FMLSS都是較好的彈性材料，適用于對變形有較高要求的季節(jié)性凍土地區(qū)工程中。

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下FMLSS的σd-εd關(guān)系

圖4 不同凍融循環(huán)次數(shù)下FMLSS的Ed-εd關(guān)系

2.2 凍融條件下其他因素的影響分析

根據(jù)FMLSS的材料構(gòu)成特性，原料土含水率、水泥摻入量、氣泡摻入量等因素均會(huì)對FMLSS的力學(xué)性質(zhì)將產(chǎn)生影響。因此，進(jìn)一步分析在凍融條件下其他相關(guān)因素的影響，則可通過FMLSS的配合優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高FMLSS的抗凍融耐久能力，改善其在動(dòng)力荷載作用下的力學(xué)性質(zhì)。

（1）含水率的影響。圖5、圖6分別表示為在一定的凍融條件下不同原料土含水率FMLSS試樣的σd-εd與Ed-εd的試驗(yàn)結(jié)果?？疾靾D示結(jié)果可以看出，當(dāng)原料土含水率為120%時(shí)，循環(huán)凍融5次后試樣已無法保持原有形狀而不可能繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。在一定的凍融循環(huán)次數(shù)及動(dòng)應(yīng)力σd作用下，F(xiàn)MLSS的動(dòng)應(yīng)變?chǔ)興隨含水率的增加而增加；當(dāng)動(dòng)應(yīng)εd一定時(shí)，動(dòng)模量Ed隨著原料土含水率的增加而減小。其次，還可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)原料土含水率小于110%時(shí)，在一定的凍融循環(huán)條件下原料土含水的改變對FMLSS的σd-εd關(guān)系影響較小，但當(dāng)原料土含水率超過110%時(shí)，原料土含水率的變化對FMLSS的σd-εd關(guān)系影響比較顯著。其原因是原料土中含有的水分越多，凍融后發(fā)生的凍脹與融陷作用更加明顯，在反復(fù)多次的凍脹與融陷作用下，作為氣泡混合土的骨架受損傷導(dǎo)致FMLSS的強(qiáng)度與剛度下降。而且這種損傷隨著土中含水的增加愈加明顯。

（2）水泥摻入量的影響。圖7和圖8為一定凍融循環(huán)次數(shù)條件下不同水泥摻入量對FMLSS的σd-εd與Ed-εd關(guān)系的影響?？疾靾D示結(jié)果可得，水泥含量越高，在相同凍融循環(huán)次數(shù)及σd作用下，εd越?。划?dāng)εd相同時(shí)，Ed隨著水泥摻量的增加顯著增大。這主要因?yàn)榧尤肓怂嘧鳛楣袒瘎┖?，河道淤泥顆粒被水泥水化物包裹形成膠結(jié)連接，增強(qiáng)了土顆粒間的黏結(jié)力[14]，并且形成了水泥石骨架。FMLSS受凍融時(shí)，水泥石骨架受凍脹力而引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷，導(dǎo)致其強(qiáng)度降低。實(shí)際試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水泥摻量為15%時(shí)，試樣經(jīng)歷3次凍融就發(fā)生凍融破壞；而水泥摻量為35%的試樣經(jīng)歷5次凍融后仍有較好的動(dòng)力表現(xiàn)。所以可以得出結(jié)論：水泥含量越高，F(xiàn)MLSS抵抗凍融損傷的能力越強(qiáng)。這是因?yàn)樗嘧鳛楣袒瘎┖吭礁?，其對FMLSS中原料土的膠結(jié)強(qiáng)度明顯增加，水泥和土顆粒形成的水泥石骨架趨于穩(wěn)定，在受到凍融破壞時(shí)抵抗試樣內(nèi)部動(dòng)脹力的能力增大。通過試驗(yàn)可驗(yàn)證這一點(diǎn)，水泥的水化作用產(chǎn)生的膠結(jié)物質(zhì)的影響才是水泥摻量影響的本質(zhì)[15-16]。

圖5 不同凍融循環(huán)次數(shù)后不同含水率下FMLSS的σd-εd關(guān)系

圖6 不同凍融循環(huán)次數(shù)后不同含水率下FMLSS的Ed-εd關(guān)系

圖7 不同凍融循環(huán)次數(shù)后不同水泥摻量下FMLSS的σd-εd關(guān)系

圖8 不同凍融循環(huán)次數(shù)后不同水泥摻量下FMLSS的Ed-εd關(guān)系

（3）氣泡摻入量的影響。FMLSS中的氣泡摻入量對FMLSS密度影響較大。經(jīng)FMLSS的密度統(tǒng)計(jì)分析可知，當(dāng)FMLSS中的氣泡摻入量從1%增加到3%時(shí)，F(xiàn)MLSS平均密度從1.51 g/cm3降低到1.33 g/cm3，密度降低了約12%。由圖9、圖10所示的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在一定的凍融循環(huán)次數(shù)及動(dòng)應(yīng)力σd作用下，隨著氣泡摻入量的增加動(dòng)應(yīng)變?chǔ)興增大；當(dāng)動(dòng)應(yīng)變?chǔ)興相同時(shí)，Ed隨著氣泡摻入量的增加而減小。另外，在一定的凍融循環(huán)次數(shù)條件下，當(dāng)氣泡摻入量由1%減少到2%時(shí)，雖然FMLSS密度顯著降低，但FMLSS的σd-εd與Ed-εd關(guān)系并沒有顯著變化，經(jīng)5次凍融循環(huán)后關(guān)系曲線幾乎重合，但3%氣泡摻量的FMLSS試樣受凍融后損傷較明顯，F(xiàn)MLSS動(dòng)強(qiáng)度及動(dòng)模量均出現(xiàn)明顯下降。由此可知，適當(dāng)增加氣泡有利于減小FMLSS密度，但FMLSS抵抗凍融破壞存在臨界氣泡摻量[5]。當(dāng)FMLSS中氣泡摻量大于臨界值時(shí)，F(xiàn)MLSS孔隙增加明顯，F(xiàn)MLSS在受反復(fù)的凍脹與融陷后，更容易造成孔隙相互貫通，導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，降低了FMLSS的強(qiáng)度與剛度。

圖9 不同凍融循環(huán)次數(shù)后不同氣泡含量下FMLSS的σd-εd關(guān)系

圖10 不同凍融循環(huán)次數(shù)后不同氣泡含量下FMLSS的Ed-εd關(guān)系

3 凍融損傷的數(shù)學(xué)模型

從FMLSS受凍融循環(huán)后的動(dòng)力特性看，凍融循環(huán)對FMLSS有一定的影響，利用一定的數(shù)學(xué)手段來建立凍融對FMLSS損傷的模型，對季凍區(qū)工程應(yīng)用有著非常重要的意義。根據(jù)損傷力學(xué)基本理論，參考魏海斌[17]對粉煤灰土的抗凍性與壽命預(yù)測模型研究，用相對動(dòng)彈性模量來表征FMLSS經(jīng)凍融循環(huán)后的動(dòng)模量損傷度S，定義為式（4）。其中，F(xiàn)MLSS凍融后剩余動(dòng)模量越小，意味著凍融損傷程度越大。

式中，S為凍融損傷度；En為n次凍融循環(huán)后的剩余動(dòng)模量；E0為未凍融前的動(dòng)模量。其中En、E0為（3）式中εd趨于0時(shí)的值。

以氣泡含量為2%、水泥含量25%、含水量110%的典型配比為例，分別施加0、1、3、5、7、9次凍融循環(huán)，并進(jìn)行分級(jí)加載試驗(yàn)，所得結(jié)果利用（3）式擬合。相關(guān)擬合參數(shù)如表4所列。

表4 擬合參數(shù)表

建立數(shù)次凍融后FMLSS的動(dòng)彈性模量和凍融循環(huán)次數(shù)的數(shù)學(xué)模型，為式（5）所示雙曲線模型[17]。

式中，a、b為試驗(yàn)常數(shù)；n為凍融循環(huán)次數(shù)。

將En/n定義為動(dòng)彈性模量衰變速率，則n/En為動(dòng)彈型模量衰變度，即

從式（6）可以看出，動(dòng)彈性模量衰變度與凍融循環(huán)次數(shù)正相關(guān)，從而將雙曲線模型轉(zhuǎn)化為線性模型。利用式（6）將上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，如圖11所示，斜率為0.074 62，截距為-0.044 74。圖12為試驗(yàn)所得剩余動(dòng)模量與模型擬合所得剩余動(dòng)模量對比圖，從圖中可以看出數(shù)學(xué)模型擬合值與試驗(yàn)值比較吻合，可以預(yù)測FMLSS每次凍融后土體剩余動(dòng)彈性模量。

圖11 動(dòng)模量衰變度分析曲線

圖12 剩余動(dòng)模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

將式（5）帶入（4）中，可得凍融損傷度S為

表5為試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值擬合結(jié)果求得的損傷度。由表中結(jié)果可知，將 （7）式定義為每次凍融循環(huán)后FMLSS的動(dòng)彈性模量損失度的數(shù)學(xué)模型，用FMLSS未凍融前的動(dòng)模量與其經(jīng)歷凍融循環(huán)次數(shù)來反映每次凍融后FMLSS的動(dòng)彈性模量損失度，可以較準(zhǔn)確的評(píng)估每次凍融循環(huán)后FMLSS的動(dòng)力性能指標(biāo)及凍融循環(huán)對FMLSS使用壽命的影響，以判斷其在季凍區(qū)實(shí)際工程中的使用壽命。根據(jù)預(yù)測結(jié)果及變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)對FMLSS的前期凍融影響較大，尤其是經(jīng)歷三次凍融循環(huán)后，預(yù)測損傷度達(dá)到56.4%，而7次凍融后動(dòng)力特性基本保持穩(wěn)定，以較低的速率緩慢下降。

表5 試驗(yàn)結(jié)果與用數(shù)值擬合結(jié)果求得的損傷度

4 結(jié)論

（1）經(jīng)凍融作用后的FMLSS的σd-εd與Ed-εd關(guān)系均符合雙曲線模型；（2）凍融環(huán)境對FMLSS的動(dòng)強(qiáng)度及動(dòng)模量均產(chǎn)生影響，尤其是在凍融次數(shù)較少的凍融循環(huán)初期，凍融引起的動(dòng)力特性參數(shù)衰減比較明顯；（3）相比于氣泡含量，原料土含水率較大或水泥摻量較小時(shí)，F(xiàn)MLSS受凍融損傷明顯，即含水率和水泥摻量是影響FMLSS抗凍融性能的主要因素；（4）FMLSS的Ed-εd關(guān)系曲線為上凸的衰減型，即使在經(jīng)受凍融后，Ed仍能保持較高的水平，F(xiàn)MLSS仍顯示較好的彈性性質(zhì)，可適用于對變形有較高要求的季節(jié)性凍土地區(qū)工程中；

（5）并建立的凍融損傷的數(shù)學(xué)模型，能較準(zhǔn)確的反映評(píng)估每次凍融循環(huán)后FMLSS的動(dòng)力性能指標(biāo)及凍融循環(huán)對FMLSS使用壽命的影響。