動荷載作用下粉煤灰改性黃土的震陷特性

王 峻, 高中南, 車高鳳, 鐘秀梅,王 強(qiáng), 王 平, 王 謙, 柴少峰

(1.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000; 2.中國地震局黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000;3.甘肅省巖土防災(zāi)工程技術(shù)研究中心,甘肅 蘭州 730000)

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動荷載作用下粉煤灰改性黃土的震陷特性

王 峻1,2,3, 高中南1, 車高鳳1,2,3, 鐘秀梅1,2,3,王 強(qiáng)1,2,3, 王 平1,2,3, 王 謙1,2,3, 柴少峰1,2,3

(1.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000; 2.中國地震局黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000;3.甘肅省巖土防災(zāi)工程技術(shù)研究中心,甘肅 蘭州 730000)

針對黃土地區(qū)實(shí)現(xiàn)工程施工材料本土化和科學(xué)利用粉煤灰問題,對不同配比條件下粉煤灰改性黃土進(jìn)行重塑非飽和試件的動三軸震陷試驗(yàn),研究其在動荷載作用下的震陷特性,分析粉煤灰摻入量對動變形模量和動殘余應(yīng)變的影響變化規(guī)律。研究結(jié)果表明:粉煤灰摻入量對黃土震陷性質(zhì)的影響較大。相同固結(jié)應(yīng)力水平下,動變形模量和動殘余應(yīng)變隨粉煤灰摻入量呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律,隨著粉煤灰摻入量的增加,黃土動變形模量也隨之增大,殘余應(yīng)變則減小。動變形模量與動殘余應(yīng)變之間的變化趨勢滿足冪函數(shù)關(guān)系;黃土摻加約20%粉煤灰改性后就能夠有良好的抗震陷性能。研究成果可為黃土地區(qū)地基的抗震防震設(shè)計提供借鑒依據(jù),具有重要的工程實(shí)用價值。

粉煤灰; 黃土; 震陷特性; 動變形模量; 動殘余應(yīng)變

0 引言

黃土在我國分布廣、厚度大,且主要分布在多地震的中西部地區(qū)。由于黃土是具大孔性、弱粘結(jié)的特殊土類,對地震有很敏感的效應(yīng)[1-2]。地震時黃土容易產(chǎn)生破裂、滑移和地震沉陷等災(zāi)害,給當(dāng)?shù)厝嗣竦纳拓敭a(chǎn)造成巨大損失;黃土地區(qū)修筑的公路等交通干線也易因地震而遭到嚴(yán)重破壞?？梢钥闯?黃土與地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工程建設(shè)和人類生存環(huán)境有著密切關(guān)系。

黃土具有特殊的工程性質(zhì),有時雖經(jīng)壓實(shí)還是不能滿足工程建設(shè)需要。因此,如何利用當(dāng)?shù)赝亮?通過工程改良措施,簡單、經(jīng)濟(jì)地達(dá)到工程需要,對實(shí)現(xiàn)工程施工材料本土化顯得尤為重要。

粉煤灰是從煤粉爐排出的煙氣中收集到的細(xì)顆粒粉末,是工業(yè)“三廢”之一。我國的火電廠每年產(chǎn)生大量的粉煤灰,給國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)及生態(tài)環(huán)境造成了巨大的壓力。我國是一個人均占有資源儲量有限的國家,綜合利用粉煤灰,使其變廢為寶,已成為我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)中一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策。推廣和應(yīng)用粉煤灰不僅能節(jié)約土地和能源,而且能保護(hù)和治理環(huán)境,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,具有良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

國外從20世紀(jì)20年代起開始對粉煤灰的處理和利用進(jìn)行研究,取得了不少成果[3-5]。20世紀(jì)80年代隨著我國公路和鐵路建設(shè)的飛速發(fā)展,許多學(xué)者開始對粉煤灰等為摻合料的改性土進(jìn)行研究,取得了一系列有價值的研究成果,并將這些成果廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中[6-12]。但這些成果基本是關(guān)于此類土靜力學(xué)方面的研究成果,相關(guān)動力學(xué)研究相對較少,而專門針對粉煤灰改性黃土的動力學(xué)研究則更少見。隨著車輛速度的提高、車輛荷載的增加以及地震等動荷載對路基的影響,動荷載作用下土體的動力性質(zhì)越來越引起人們的關(guān)注[13-18]。因此為滿足工程建設(shè)的需要,研究粉煤灰改性黃土的動力性質(zhì)是非常必要的,它與黃土地區(qū)的工程建設(shè)有密切的關(guān)系,對于減輕災(zāi)害具有重要意義。本文以粉煤灰改性黃土為研究對象,通過重塑非飽和試件的動三軸震陷試驗(yàn),獲得動荷載作用下粉煤灰改性黃土的動變形模量、動殘余應(yīng)變等參數(shù),并將不同配比粉煤灰改性黃土的震陷試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,研究其在動荷載作用下的震陷(動變形)特性及變化規(guī)律,得到一些重要結(jié)論,以期為黃土地區(qū)實(shí)現(xiàn)工程施工材料本土化和科學(xué)利用粉煤灰提供依據(jù),對粉煤灰改性黃土地基抗震設(shè)計具有參考價值。

1 試驗(yàn)概述

1.1 材料的性質(zhì)

所選粉煤灰為國電蘭州熱電有限責(zé)任公司產(chǎn)出的,其主要技術(shù)指標(biāo)的測試結(jié)果如表1。

表1 粉煤灰主要成分

所選黃土為甘肅省臨夏縣東北部黃土塬上的Q3黃土,其主要物理性質(zhì)及顆粒級配試驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 土樣物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試樣制備

黃土風(fēng)干后,碾碎過2 mm篩,其后置于烘箱中,烘干后測定土的含水率,并將粉煤灰按一定的配比摻入土中(粉煤灰配比分別按5%、10%、15%、20%及25%進(jìn)行),然后加水?dāng)嚢杈鶆?使水和粉煤灰顆粒充分接觸,悶料2 d。用標(biāo)準(zhǔn)制樣器制備粒度、密度、飽和度、均勻性一致的粉煤灰黃土試樣,試樣高H=100 mm,直徑D=50 mm。將試樣放置在保濕缸中,土樣養(yǎng)護(hù)齡期為3 d。其組平均干密度介于1.43～1.44 g/cm3,組平均含水率介于15.91～16.14。為了更好地進(jìn)行對比,同時還制作了一組素土樣。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在DSD-160型電磁式振動三軸試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行。儀器由主機(jī)、靜壓力系統(tǒng)、動力控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成。試驗(yàn)過程中各試樣的靜壓力、動應(yīng)力及動應(yīng)變等均可由相應(yīng)的配套系統(tǒng)采集記錄。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 DSD-160型電磁式振動三軸試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 DSD-160 electromagnetic dynamic triaxial test system

試驗(yàn)參照《土工試驗(yàn)規(guī)程SL237—1999》中振動三軸試驗(yàn)進(jìn)行操作。試樣采用固結(jié)不排水,每種試樣先在固結(jié)應(yīng)力比KC=1.69下固結(jié),側(cè)向固結(jié)壓力采用σ3C=118 kPa。固結(jié)過程中測軸向變形量,以30 min軸向變形量不大于0.01 mm為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn);然后控制一定的動應(yīng)力對每個試樣進(jìn)行試驗(yàn),其所加的動應(yīng)力分4～5種。即對固結(jié)變形穩(wěn)定后的一組試樣分別施加不同幅值的動應(yīng)力,測定不同振次下的殘余應(yīng)變εP。

模擬的地震荷載為頻率1 Hz的正弦波,試驗(yàn)時按等效正弦波的形式施加周期性垂直動荷載。每個試樣進(jìn)行40次循環(huán)荷載試驗(yàn)。試驗(yàn)中震陷用殘余應(yīng)變εPN來表示:

式中:N為振次;H為動應(yīng)力作用前的試樣高度;H'(N)為動應(yīng)力作用N次后的試樣高度。

由動三軸震陷試驗(yàn)記錄的動應(yīng)力σd與動殘余應(yīng)變εP時程可得到任一振次N 所對應(yīng)的殘余應(yīng)變εP,即動應(yīng)力σd恒定時的振次N 與殘余應(yīng)變εP關(guān)系曲線。對一組試樣均可獲得一簇不同動應(yīng)力σd下的N-εP曲線(圖2),利用這一簇曲線可得到不同振次下的動應(yīng)力σd與殘余應(yīng)變εP關(guān)系曲線,即震陷曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

黃土震陷是地震時地震動引起黃土層的附加沉陷;有時也把這種附加沉陷叫做地震引起的永久變形或殘余變形。震陷是黃土的殘余變形特性,所以把動變形(震陷)試驗(yàn)結(jié)果作為反映黃土震陷性的主要土動力學(xué)參數(shù),并把黃土動變形試驗(yàn)取得的殘余應(yīng)變參數(shù)稱作震陷系數(shù)。

2.1 粉煤灰改性黃土的震陷(殘余應(yīng)變)特性

圖2為動應(yīng)力和振次對殘余應(yīng)變的影響。由圖2可以看出,在同一固結(jié)應(yīng)力條件下殘余應(yīng)變隨動應(yīng)力幅值和振動歷時的增加而增加,初期增長較快隨后逐漸變緩。其原因主要是由于振動初始階段,土體孔隙迅速被壓密,從而變形迅速;隨著振動次數(shù)的增加,顆粒間密實(shí)度增加,土體的次生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸形成,由動應(yīng)力作用產(chǎn)生的動變形將會越來越小,變形將越來越困難,從而使殘余應(yīng)變增長速率減緩。

圖2 動應(yīng)力和振次對殘余應(yīng)變的影響Fig.2 Impact of dynamic stress and loading cycles on residual strain

由圖2可見,殘余應(yīng)變一定時,動應(yīng)力越大需要的振次越少;振次一定時,動應(yīng)力越大產(chǎn)生的殘余應(yīng)變越大。

圖3為振次N=10次時不同粉煤灰配比下改性黃土的震陷曲線。由于振次N=20、30、40次下的震陷曲線具有相同特征,限于篇幅,圖形不再展示。由圖3可以看出,在同一振次條件下,動荷載作用下不同配比粉煤灰改性黃土的殘余應(yīng)變隨動應(yīng)力的增大而增大,隨粉煤灰摻入量的增加而減小。從圖中還可看出,不同配比粉煤灰改性黃土的震陷曲線具有相同的變化規(guī)律,但震陷曲線隨粉煤灰摻入量的不同表現(xiàn)出不同的變化趨勢;素黃土的殘余應(yīng)變隨動應(yīng)力變化曲線均處在其他改性黃土的震陷曲線之下,說明隨著粉煤灰摻入量的增大,相同動應(yīng)力作用下土體所產(chǎn)生的震陷變形變小,這主要是由于粉煤灰與黃土混合后,在一定含水率條件下與土體反應(yīng),生成晶體氫氧化鈣和含水硅鋁酸鈣等膠結(jié)物,在黃土中形成了凝塊狀膠接結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了土體顆粒間的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[19-20],從而在相同的動應(yīng)力下減弱了改性黃土的震陷性,表現(xiàn)出殘余應(yīng)變減小的性質(zhì)。

由圖3可見,殘余應(yīng)變一定時,粉煤灰摻入量越大需要的動應(yīng)力越大;動應(yīng)力一定時,粉煤灰摻入量越大產(chǎn)生的殘余應(yīng)變越小。

圖3 粉煤灰改性黃土的震陷曲線(N=10)Fig.3 Curves of seismic subsidence of fly-ash-modified loess (N=10)

綜上,動應(yīng)力幅值、振次和粉煤灰摻入量是影響動荷載作用下粉煤灰改性黃土震陷特性的主要因素。

2.2 粉煤灰摻入量對動變形模量的影響

動變形模量Eb是土動力特性的重要參數(shù)之一[21]。圖4為振次N=10次時不同配比下Eb-εP關(guān)系曲線。由圖4可知,在相同固結(jié)壓力下,黃土動變形模量Eb改性后大于改性前。隨著粉煤灰摻入量的增加,黃土的動變形模量增大,當(dāng)粉煤灰配比達(dá)到20%時,若再增加粉煤灰量對黃土動變形模量影響甚微。說明適量摻入粉煤灰可以大大減小黃土的變形能力。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),不同配比粉煤灰改性黃土的動變形模量Eb均隨殘余應(yīng)變εP的增大而減小,且具有明顯的非線性特征,即隨著εP的逐漸增大,Eb的衰減速率不斷減小,在殘余應(yīng)變達(dá)到3%左右時逐漸趨于平穩(wěn);相同εP對應(yīng)的Eb隨粉煤灰摻入量的增加明顯增大。不同配比粉煤灰改性黃土的Eb-εP關(guān)系曲線具有相同的變化趨勢,其關(guān)系曲線較好地符合冪函數(shù)關(guān)系,即

Eb=AεPB

(1)

其中:A、B為模型參數(shù)。

圖4 不同配比粉煤灰改性黃土的Eb-εP關(guān)系(N=10)Fig.4 Eb-εP curves of loess doped with different proportions of fly ash (N=10)

不同配比粉煤灰改性黃土的模型參數(shù)及相關(guān)系數(shù)如表3所列。

表3 冪函數(shù)模型參數(shù)

由此可見,粉煤灰摻入量對黃土動變形模量有很大影響,說明在黃土中適量摻入粉煤灰可以提高其抗變形能力。

2.3 粉煤灰摻入量對改性黃土殘余應(yīng)變的影響

由試驗(yàn)測得6組試樣的震陷曲線(圖3)可以看出,粉煤灰摻入量對黃土的殘余應(yīng)變有明顯影響。在相同固結(jié)應(yīng)力和振次條件下,殘余應(yīng)變隨動應(yīng)力的增大而增大,同一動應(yīng)力對應(yīng)的殘余應(yīng)變隨粉煤灰摻入量的增大而減小。不同粉煤灰配比組黃土的震陷曲線隨著粉煤灰摻入量的增大逐漸靠近應(yīng)力軸,即在相同動應(yīng)力下,粉煤灰摻入量越大殘余應(yīng)變越小。摻入量不同,改性土的殘余應(yīng)變隨動應(yīng)力幅值增長的速率有所不同;隨著粉煤灰摻入量的變化,粉煤灰改性黃土的殘余應(yīng)變發(fā)生了顯著改變,即隨著粉煤灰摻入量的增大殘余應(yīng)變逐漸減小,粉煤灰的改良作用逐漸顯現(xiàn)。從圖3中還可以明顯看出,粉煤灰配比為20%和25%的改性黃土強(qiáng)度明顯增大,在相同動應(yīng)力作用下震陷系數(shù)明顯變小;配比為15%的改性黃土雖然強(qiáng)度有所增加,但不如前兩種的效果好;而粉煤灰配比為5%和10%的改性土與素黃土的震陷曲線很接近,說明在黃土中摻入少量粉煤灰起不到改良作用。

為了更具體、直觀地研究粉煤灰摻入量對改性黃土殘余應(yīng)變的影響,利用圖3得到圖5。圖5為動應(yīng)力幅值等于100 kPa時粉煤灰改性黃土的震陷系數(shù)εP與粉煤灰摻入量m的關(guān)系。

從圖5可以看出,隨著粉煤灰摻入量m的增加,改性土的εP均有所減小,但m對黃土εP降低效果不同:摻入5%、10%的粉煤灰,黃土的εP減小幅度較小,改良作用不明顯;摻入15%的粉煤灰,εP減小至2.02%,減小了1.76倍,改性作用開始顯現(xiàn);而摻入20%、25%的粉煤灰,εP分別減小至0.8%、0.73%,減小了4.44～4.86倍,改性作用明顯;但粉煤灰摻入超過20%后若再增加其摻入量,改性黃土的εP變化甚微。通過以上分析可知,黃土中加入20%和25%的粉煤灰后,改性土震陷系數(shù)與素土相比成倍減小。由此可見,在黃土中適量摻入粉煤灰可提高其抗震陷性能。

圖5 不同摻入量下粉煤灰改性黃土的εP-m 關(guān)系曲線Fig.5 εP-m curves of loess doped with different proportions of fly ash

2.4 改性方案的對比確定

根據(jù)對黃土采用不同粉煤灰配比改性處理的比較試驗(yàn)分析可知,摻入一定量的粉煤灰可以較好地改善黃土的震陷(動變形)特性,增加其強(qiáng)度。綜合分析表明,粉煤灰摻入較少時對減小黃土變形能力的效果不明顯,而摻入20%時改性黃土就具有良好的抗變形性能。

綜合考慮粉煤灰改性處理對黃土的動變形模量和震陷等的影響可以看出,粉煤灰改性是處治黃土震陷的較為有效的措施,且摻入20%的粉煤灰就可以有效提高黃土的抗震陷能力。

3 結(jié)論

(1) 通過試驗(yàn)分析了動荷載作用下不同配比粉煤灰改性黃土的震陷特性,結(jié)果表明,動應(yīng)力幅值、振次和粉煤灰摻入量是影響動荷載作用下粉煤灰改性黃土震陷特性的主要因素。

(2) 在同一固結(jié)應(yīng)力條件下,殘余應(yīng)變隨動應(yīng)力幅值和振動歷時的增加而增加,初期增長較快隨后逐漸變緩,即在動荷載振動10次以后,不同配比粉煤灰改性黃土殘余應(yīng)變的增長均十分緩慢,且已完成震陷量的80%左右。

(3) 在同一振次條件下,動荷載作用下不同配比粉煤灰改性黃土的殘余應(yīng)變隨動應(yīng)力的增大而增大,隨粉煤灰摻入量的增加而減小。粉煤灰改性黃土的震陷曲線具有相同的變化規(guī)律,但震陷曲線隨粉煤灰摻入量的不同表現(xiàn)出不同的變化趨勢。

(4) 對粉煤灰改性黃土動變形模量的分析可知,在相同固結(jié)應(yīng)力下黃土改性后的動變形模量大于改性前,且隨著粉煤灰摻入量的增加,其動變形模量增大。當(dāng)粉煤灰配比達(dá)到20%時再增加粉煤灰對其影響甚微。粉煤灰改性黃土的動變形模量隨殘余應(yīng)變的增大而減小,具有明顯的非線性特征,其變化趨勢滿足冪函數(shù)關(guān)系。

(5) 改性黃土的震陷試驗(yàn)表明,加入粉煤灰后黃土的性狀得到了改善,但對5%和10%粉煤灰配比的改性黃土,其變化不太明顯;15%粉煤灰配比的改性黃土,效果一般;而20%、25%粉煤灰配比的改性黃土改良效果明顯。因此,粉煤灰改良黃土可以使黃土的動變形模量和震陷(殘余應(yīng)變)特性得到大的改善,主要表現(xiàn)為動變形模量增大和震陷系數(shù)的減小。

(6) 從研究資料來看,黃土用粉煤灰改良的效果顯著。綜合考慮黃土改性后的動變形模量和震陷特性,粉煤灰改性是處治黃土震陷的較為有效的措施,且摻入約20%的粉煤灰就可以有效提高黃土的抗震陷(動變形)能力。

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Seismic Subsidence Behavior of Fly-ash-modified Loess under Dynamic Loading

WANG Jun1,2,3, GAO Zhong-nan1, CHE Gao-feng1,2,3, ZHONG Xiu-mei1,2,3, WANG Qiang1,2,3, WANG Ping1,2,3, WANG Qian1,2,3, CHAI Shao-feng1,2,3

(1.LanzhouInstituteofSeismology,ChinaEarthquakeAdministration,Lanzhou730000,Gansu,China; 2.KeyLaboratoryofLoessEarthquakeEngineering,ChinaEarthquakeAdministration,Lanzhou730000,Gansu,China; 3.GeotechnicalDisasterPreventionEngineeringTechnologyResearchCenterofGansuProvince,Lanzhou730000,Gansu,China)

In order to obtain raw material locally and make optimal use of fly ash in engineering construction in loess areas, we conducted a series of dynamic triaxial tests on unsaturated remolded loess specimens that had been modified with different proportions of fly ash. Based on the test results, we studied the seismic subsidence properties of loess based on the improvement afforded by the fly ash, and derived change laws for the dynamic modulus of deformation and the dynamic residual strain for different proportions of fly ash. The results show that the quantity of dope in fly ash significantly influences the seismic subsidence properties of loess. The changes in the dynamic modulus of deformation and in the dynamic residual strain vary with respect to the improvement afforded by fly ash under the same consolidation stress, i.e., the former becomes larger while the latter become smaller and the relationship between them is well described by the power function. Moreover, we verified that the anti-seismic subsidence behavior of the loess specimens was much better when the proportion of fly ash is about 20%. Thee research findings provide a scientific basis for establishing anti-seismic designations for foundations in loess areas, and thus have important application value.

fly ash; loess; seismic subsidence; dynamic deformation modulus; dynamic residual strain

2016-03-10

中國地震局地震預(yù)測研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(2014IESLZ02,2012IESLZ02);甘肅省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1308RJZA153)；國家自然科學(xué)基金(51408567)

王 峻(1957-),男,高級工程師,主要從事土動力學(xué)與地震工程研究。E-mail:wangjunlz@163.com。

TU435

A

1000-0844(2016)05-751-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.05.751