粉煤灰改良粉砂土動靜力學(xué)特性研究

周桓銳, 崔高航*, 程卓, 李琦 , 張永珍 , 閔子桐

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院, 哈爾濱 430070; 2.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院, 天津 300401)

粉砂土是一種十分常見的路基填土,其顆粒組成主要是粉粒和砂粒,粉砂土顆粒中存在著大量的細(xì)小孔隙,具有顆粒級配較差、塑性指數(shù)較小、抗剪強(qiáng)度較低等特點[1]。粉砂土在實際道路工程中表現(xiàn)出難以壓實、持水能力弱以及遇到振動荷載時容易出現(xiàn)液化的現(xiàn)象,所以時常達(dá)不到路基工程所需的強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求[2]。粉砂土的處理和改良技術(shù)是中國道路工程建設(shè)中經(jīng)常面臨的技術(shù)難題,也是中國道路工程中重點關(guān)注的問題之一。

近年來,中外學(xué)者針對粉砂土的力學(xué)性能開展了一系列的研究。張云龍等[1]對不同含水率的粉砂土進(jìn)行了動三軸試驗,發(fā)現(xiàn)隨著含水率的增加,凍融循環(huán)的次數(shù)對粉砂土黏聚力的影響逐漸增大。Marzuni等[2]對不同細(xì)粒含量的粉砂土的力學(xué)性能進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)細(xì)粒含量的變化會導(dǎo)致最大孔隙壓力的變化,增加粉砂土中的細(xì)粒含量會增大粉砂土的液化敏感性。崔高航等[3]分析了粉煤灰摻量對含黏粒粉砂土力學(xué)性能影響,發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻入量為15%時的改良粉砂土抵抗循環(huán)荷載的能力最強(qiáng)。Xu等[4]對砂土進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗,發(fā)現(xiàn)隨著干濕交替次數(shù)和含水量的增加,土顆粒排列提供的結(jié)構(gòu)變異性增加,而土顆粒內(nèi)聚力提供的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低,導(dǎo)致土體的抗剪強(qiáng)度呈下降趨勢。

粉煤灰是一種煤炭燃燒的主要產(chǎn)物,大量的粉煤灰如果無法得到妥善的處置,會對生態(tài)環(huán)境造成極大的威脅,造成巨大資源浪費。程卓等[5]對粉煤灰改良鹽漬土的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行探究,發(fā)現(xiàn)隨著粉煤灰摻入量的增加,土體的抗剪強(qiáng)度有所提升,當(dāng)粉煤灰摻入量為15%時,土體抗剪強(qiáng)度最大。袁玉卿等[6]利用水泥、石灰和粉煤灰對粉砂土進(jìn)行改良,對最佳配比的改良粉砂土進(jìn)行全球數(shù)字系統(tǒng)(global digital systems,GDS)動三軸試驗,得到了改良粉砂土累計軸向應(yīng)變的經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀i等[7]利用水泥、石灰和粉煤灰對黑棉土進(jìn)行改良,發(fā)現(xiàn)一定范圍內(nèi),隨著水泥、石灰和粉煤灰摻量不斷增加,改良土的無側(cè)限壓縮強(qiáng)度隨之增強(qiáng),并提出了無側(cè)限壓縮強(qiáng)度的預(yù)測公式。Turan等[8]分析了粉煤灰在改良土體方面的效果,發(fā)現(xiàn)加入粉煤灰后可以有效提高改良土的抗?jié)B性能,并初步確定了實際工程中粉煤灰的最佳摻量。

目前,大量學(xué)者已對粉煤灰改良粉砂土的力學(xué)特性開展了研究,但是對粉煤灰改良粉砂土動力學(xué)特性和靜力學(xué)特性綜合分析以及不同改良劑摻量下土體的動力學(xué)參數(shù)分析的研究卻不夠完善,缺乏改良粉砂土動變形特性和動強(qiáng)度特性的綜合分析。在道路運營過程中,路基填土往往受動靜荷載綜合作用,因此對粉煤灰改良粉砂土的動靜力學(xué)綜合研究具有實際意義。鑒于此,以綏化至大慶高速路基填土為研究對象,開展無側(cè)限壓縮試驗和動三軸試驗,分析粉煤灰摻量對粉砂土靜力學(xué)特征影響情況,以及圍壓、動荷載加載次數(shù)和粉煤灰摻量對粉砂土動強(qiáng)度的影響規(guī)律,以期為東北地區(qū)粉砂土改良以及工程建設(shè)提供合理可靠的理論依據(jù)和參考建議。

1 實驗

1.1 實驗所用粉砂土和粉煤灰

試驗土樣取自綏化-大慶高速公路沿線,采取地下1～3 m范圍內(nèi)土樣,對取得的土樣依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG3430—2020)分析,測得該類土各項物理性質(zhì)指標(biāo),如表1所示。粉煤灰采購自哈爾濱市依蘭地區(qū)粉煤灰廠,出廠時檢測為一級粉煤灰,外形灰白粉末,其基本物理性質(zhì)及化學(xué)成分組成如表2所示。

表1 土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic physical property indexes of soil samples

表2 粉煤灰化學(xué)成分組成Table 2 Chemical composition and physical index of fly ash

1.2 試樣制備

將取回的土樣風(fēng)干后利用橡膠錘砸碎,將通過2 mm 標(biāo)準(zhǔn)篩的粉砂土與粉煤灰分別放入110 ℃的烘箱中,烘干8 h以上,以保證土樣和粉煤灰完全干燥。參考文獻(xiàn)[3],選取粉煤灰摻量0～20%為研究范圍,根據(jù)質(zhì)量配比原則,在粉砂土中分別摻入5%、10%、15%、20%的粉煤灰,將其混合均勻后加入純凈水,控制各個試樣的含水率均為素土的最佳含水率12.4%。拌和后土樣在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)24 h后,參考《公路土工試驗規(guī)程》(JTG3430—2020)使用液壓機(jī)將土樣按照95%壓實度靜壓成直徑39.1 mm、高80 mm的三軸試件和直徑50 mm、高50 mm的無側(cè)限壓縮試件。

1.3 試驗設(shè)計

1.3.1 無側(cè)限壓縮試驗

試驗儀器選用WDW-50型微機(jī)控制式電子試驗機(jī),試驗設(shè)定加載頭壓縮變形速率為1 mm/min,加載數(shù)據(jù)和位移由數(shù)據(jù)記錄儀器自動記錄。計算相應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變,繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

1.3.2 動三軸試驗

本試驗儀器采用英國GDS公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)型溫控動態(tài)三軸測試系統(tǒng)(enterprise level dynamic triaxial testing system,ELDYN),由圖1所示。所有試驗數(shù)據(jù)由 GDS 自動采集系統(tǒng)采集。

圖1 動態(tài)三軸試驗系統(tǒng)Fig.1 Dynamic triaxial test system

試驗參數(shù)為振動頻率f=1 Hz,考慮到所取路基土土樣深度較淺,所以在動三軸試驗中,試驗的圍壓不應(yīng)設(shè)定過大,本試驗的圍壓條件根據(jù)土中地表以下深度z處的自重應(yīng)力ε=γz(土的天然重度γ=20 kN/m),分別選用1、2、3 m處對應(yīng)的 20、40、60 kPa進(jìn)行不排水固結(jié),當(dāng)軸向變形小于0.005 mm/5 min時,認(rèn)為試樣固結(jié)試驗完成,選用正弦波形、按照循環(huán)加載的方式進(jìn)行加載,采用土體的最大動應(yīng)變超過5%[9]時,作為動三軸試驗終止破壞標(biāo)準(zhǔn)。

對完成固結(jié)的粉砂土試樣施加動荷載幅值為σ1的正弦波荷載,達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)時得到破壞周數(shù)為N1。對相同條件下對另外兩組粉砂土試件分別施加動荷載幅值為σ2、σ3、σ4、σ5的正弦波荷載進(jìn)行試驗,得到破壞周數(shù)N2、N3、N4、N5(N為破壞周數(shù))。進(jìn)而可以得出該試件的動應(yīng)力和破壞振次的變化曲線[10],即σd-Nf(σd為動應(yīng)力幅值,Nf為破壞振次)曲線,作為該試件的動強(qiáng)度曲線;具體試驗方案如表3所示。

表3 具體實驗方案Table 3 Specific experimental protocols

2 實驗結(jié)果分析

2.1 粉煤灰的摻入對改良粉砂土無側(cè)限壓縮強(qiáng)度的影響

對不同粉煤灰摻量試樣進(jìn)行無側(cè)限壓縮實驗,獲得其應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖2所示。可以看出,在壓縮初期,土壤顆粒處于壓實狀態(tài),曲線斜率較小;然后,試件進(jìn)入彈性變形階段,曲線斜率增加,此階段的斜率可以用彈性模量來表示;隨著應(yīng)力的不斷增大,試件因受壓而體積膨脹,繼續(xù)施加壓力會使試件被壓碎,曲線上會有一個最高值,被定義為土的無側(cè)限壓縮強(qiáng)度;最后破壞階段,試件的內(nèi)部和外部裂縫都在快速的擴(kuò)張,直到整個土體都被破壞。試驗表明粉煤灰的加入對土體的無側(cè)限壓縮強(qiáng)度有明顯的改善作用,這與劉文建[11]的研究結(jié)果相同。隨粉煤灰用量的增大,其抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢;加入15%粉煤灰后,這種類型的粉砂土的抗壓強(qiáng)度最高[12]。

圖2 應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curve

2.2 圍壓對改良粉砂土動強(qiáng)度的影響

在本次動三軸試驗中,所采用的圍壓分別為20、40、60 kPa。圖3為5種不同摻入量的粉煤灰在不同圍壓下的動強(qiáng)度曲線。

圖3 不同摻入量的粉煤灰在不同圍壓下的動強(qiáng)度曲線Fig.3 Dynamic strength curves of fly ash with different dosing levels at different envelope pressures

由圖3可知,在反復(fù)荷載下,土的動強(qiáng)度隨加載次數(shù)的增加而降低。當(dāng)粉煤灰摻入量為10%,圍壓為20 kPa時,土體動強(qiáng)度曲線的變化范圍為80～95 kPa,在圍壓為60 kPa時,動強(qiáng)度曲線在95～105 kPa的范圍內(nèi),圍壓為40 kPa時的動強(qiáng)度在兩者之間變化。在同樣的動荷載作用下,隨著圍壓的增大,使改良粉砂土達(dá)到破壞條件所需要的加載次數(shù)也越多。這說明隨著圍壓的增大,土體的動強(qiáng)度也相應(yīng)增大[13]。在不同摻入量的粉煤灰中,其動強(qiáng)度的變化規(guī)律基本一致,均表現(xiàn)為隨著動荷載加載次數(shù)的增加,動強(qiáng)度逐漸減小,在幅值相同的動荷載的作用下,隨著圍壓的增大,土體達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)所需要承受的荷載震動次數(shù)越多。

由σd-Nf關(guān)系曲線的試驗結(jié)果(圖3)可知,在動三軸試驗中,試驗數(shù)據(jù)在半對數(shù)坐標(biāo)系內(nèi)均分布在某條直線的附近。土體動強(qiáng)度的規(guī)律一般表示為達(dá)到某種破壞標(biāo)準(zhǔn)時的振次Nf與作用動應(yīng)力σd的關(guān)系,因此應(yīng)用線性公式[式(1)]的函數(shù)進(jìn)行擬合。

σd=A+BlgNf

(1)

式(1)中:A、B為擬合參數(shù);σd為動應(yīng)力幅值;Nf為破壞振次。

各擬合直線的參數(shù)以及相關(guān)系數(shù)如表4所示。由表4可知,各擬合直線的擬合參數(shù)都在0.95以上,表明了擬合直線與原始數(shù)據(jù)的擬合度較高,擬合曲線方程能很好地反映出動強(qiáng)度隨加載次數(shù)的變化規(guī)律。在相同的圍壓條件下,隨粉煤灰摻入量的增大,擬合曲線的截距呈現(xiàn)先升后降的趨勢,與動強(qiáng)度曲線所反映的規(guī)律相吻合[14]。

表4 動強(qiáng)度擬合參數(shù)Table 4 Dynamic strength fitting parameters

2.3 粉煤灰摻入量對改良粉砂土動強(qiáng)度的影響

圖4為不同粉煤灰摻量的改良粉砂土的動強(qiáng)度曲線。可以看出,在同樣的圍壓作用下,當(dāng)粉煤灰摻入量為15%時,改良粉砂土表現(xiàn)出的動強(qiáng)度最大。粉煤灰的摻入量由0逐漸提高至15%時,改良粉砂土的動強(qiáng)度隨粉煤灰用量的增加而增加,這是由于在改良粉砂土中加入粉煤灰可以填充土體的孔隙,提高土顆粒之間的黏結(jié)力,從而使其動強(qiáng)度增大[15]。粉煤灰用量大于15%時,土體結(jié)構(gòu)中的孔隙已經(jīng)基本被填充完畢,而隨著粉煤灰用量的繼續(xù)增大會對土體起到潤滑作用,降低土顆粒間的黏結(jié)力,其動強(qiáng)度也相應(yīng)減小。

圖4 不同粉煤灰摻量下改良粉砂土的動強(qiáng)度曲線Fig.4 Dynamic strength curves of improved chalk soils at different fly ash blending rates

2.4 改良粉砂土的動強(qiáng)度分析

2.4.1 循環(huán)荷載作用對改良粉砂土動強(qiáng)度指標(biāo)的影響

動強(qiáng)度指標(biāo)是對實際工程進(jìn)行安全性能評估和實際工程設(shè)計中的重要參考,包括動黏聚力cd和動內(nèi)摩擦角φd,分別了體現(xiàn)土顆粒之間的黏聚力和摩擦力的大小。對于等壓固結(jié)不排水條件下的動三軸試驗,應(yīng)按照總應(yīng)力方法來求取動強(qiáng)度指標(biāo)。由Mohr-Coulomb理論[16]可得

τd=cd+tanφd

(2)

式(2)中:τd為動剪應(yīng)力;cd為動黏聚力;φd為動內(nèi)摩擦角。

在土的動強(qiáng)度曲線上可以得到3個圍壓下的動應(yīng)力σd,令

σ1d=σ1c+σd,σ3d=σ3c,σ1c=Kcσ3c

(3)

式(3)中:σ1d、σ3d分別為改良粉砂土試樣在固結(jié)圍壓下試樣產(chǎn)生動力破壞的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力;σ1c為軸向固結(jié)應(yīng)力;σ3c為側(cè)向固結(jié)應(yīng)力;Kc為固結(jié)比,本次動三軸試驗中均使用等向固結(jié)方法,Kc取1。

由此可知5種不同粉煤灰摻入量下在動荷載加載次數(shù)Nf=50、100、150、200次時的動強(qiáng)度指標(biāo),如表5所示。

表5 不同試樣的動強(qiáng)度指標(biāo)Table 5 Dynamic strength indicators for different specimens

根據(jù)表5可以繪制出動黏聚力和動內(nèi)摩擦角與動荷載次數(shù)的變化關(guān)系圖,如圖5和圖6所示。

圖5 加載次數(shù)Nf與動黏聚力cd關(guān)系曲線Fig.5 Number of loadings Nf versus dynamic cohesion cd

圖6 加載次數(shù)Nf與動內(nèi)摩擦角φd關(guān)系Fig.6 Number of loadings Nf versus dynamic internal friction angle φd

從圖5和圖6中可以看出,在向土體摻入粉煤灰后,土體的動黏聚力cd和動內(nèi)摩擦角φd均隨著加載次數(shù)的增加而減小。選取動荷載加載次數(shù)為100次時的動黏聚力cd和動內(nèi)摩擦角φd分析,當(dāng)粉煤灰摻入量小于15%時,動黏聚力cd和動內(nèi)摩擦角φd都隨著粉煤灰摻入量的增加而變大,因為隨著粉煤灰的摻入,填充了土顆粒間的孔隙,與水產(chǎn)生膠結(jié)作用,提升了土骨架的強(qiáng)度[17]。但是當(dāng)粉煤灰摻入量超過15%后,繼續(xù)增加粉煤灰摻入量會使改良粉砂土的動黏聚力和動內(nèi)摩擦角減小。因為土體結(jié)構(gòu)中的孔隙已經(jīng)基本被填充完畢,過多的粉煤灰會對土體起到潤滑作用,降低土顆粒間的黏結(jié)力,使改良粉砂土的承載能力降低。

2.4.2 粉煤灰摻量與動強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系

選取動荷載加載次數(shù)為100次時的動黏聚力cd和動內(nèi)摩擦角φd,用三次函數(shù)擬合曲線,如圖7和圖8所示。

圖7 動內(nèi)摩擦角與粉煤灰摻量關(guān)系Fig.7 Dynamic internal friction angle versus fly ash admixture

圖8 動黏聚力與粉煤灰摻量關(guān)系Fig.8 Dynamic cohesion versus fly ash admixture

可以看出,三次擬合曲線對圖7和圖8中的數(shù)據(jù)擬合效果較好。當(dāng)粉煤灰摻入量低于15%時,動黏聚力和動內(nèi)摩擦角值均隨粉煤灰用量的增大而增大,這是因為粉煤灰能夠填補(bǔ)顆粒之間的縫隙,并且所加入的粉煤灰與水產(chǎn)生了水化反應(yīng),使土中的小顆粒凝固形成較大的土團(tuán),增強(qiáng)了土體的骨架,使改良粉砂土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更加穩(wěn)定。因此,改良粉砂土的動黏聚力和動內(nèi)摩擦角隨著粉煤灰摻入量的增加而增加。在15%的粉煤灰摻量下,土體的動黏聚力和動內(nèi)摩擦角同時獲得了最大值。當(dāng)粉煤灰摻量為20%時,改性粉砂土的動黏聚力與最大值相比,降低了約0.9 kPa,動內(nèi)摩擦角則降低了0.6°,出現(xiàn)這種情況的原因是:在改良粉砂土中添加太多的粉煤灰,則會增大土壤顆粒間的滑移性,因此,會出現(xiàn)改良粉砂土的動黏聚力和動內(nèi)摩擦角都會隨著粉煤灰摻入量的增大而降低的現(xiàn)象。

三次擬合曲線對圖7和圖8中的數(shù)據(jù)擬合效果較好,可以得到以下公式。

(1)非線性擬合所得到的動黏聚力cd與粉煤灰摻入量的關(guān)系表達(dá)式為

cd=19.363+0.129k+0.048k2-0.002k3

(4)

(2)非線性擬合所得到的動內(nèi)摩擦角φd與粉煤灰摻入量的關(guān)系表達(dá)式為

φd=11.126+0.113k+0.029k2-0.001k3

(5)

將式(4)、式(5)代入動剪強(qiáng)度式(2)中,可以得出動荷載加載次數(shù)為 100次時,僅考慮粉煤灰摻入量下動剪切強(qiáng)度經(jīng)驗公式[式(6)]。

τ=19.363+0.129k+0.048k2-0.002k3+
(A+10B)tan(11.126+0.113k+
0.029k2-0.001k3)

(6)

式中:k為粉煤灰摻入量;A、B為擬合參數(shù),可從表4中查找。

3 結(jié)論

對不同粉煤灰摻入量下的改良粉砂土進(jìn)行GDS動三軸試驗,通過動三軸試驗的試驗結(jié)果,討論圍壓、粉煤灰摻入量對改良粉砂土動強(qiáng)度的影響規(guī)律。重點分析粉煤灰摻入量和動荷載加載次數(shù)對改良粉砂土動強(qiáng)度和動強(qiáng)度指標(biāo)的影響規(guī)律,并通過曲線擬合對實驗數(shù)值進(jìn)行規(guī)律性分析。得到如下結(jié)論。

(1)粉煤灰的加入對土體的無側(cè)限壓縮強(qiáng)度有明顯的改善作用。隨粉煤灰用量的增大,其抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢;加入15%的粉煤灰時,改良粉砂土的抗壓強(qiáng)度最高。

(2)粉煤灰摻入量和圍壓對改良粉砂土的動強(qiáng)度有顯著的影響,而在動荷載作用下,粉煤灰摻入量和動荷載加載次數(shù)對改良土的動強(qiáng)度、動黏聚力和動內(nèi)摩擦角均有一定程度的影響。在低承載力的粉砂土中添加適當(dāng)摻量的粉煤灰,能夠顯著提高其動強(qiáng)度,并使其動黏聚力、動內(nèi)摩擦角增大。

(3)在不同的動荷載加載條件下改良粉砂土的動黏聚力和動內(nèi)摩擦角均隨動荷載加載次數(shù)的增大而降低。采用三次函數(shù)擬合粉煤灰摻入量與動黏聚力和動內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系,將其引入到動抗剪強(qiáng)度的計算公式中,得到該條件下僅考慮粉煤灰摻入量下的動剪切強(qiáng)度經(jīng)驗公式。