不同環境對水泥土動應力影響的試驗研究

陳四利, 魏 星, 寧寶寬

(1.沈陽工業大學建筑與土木工程學院,遼寧 沈陽 110870; 2.江西工業工程職業技術學院,江西 萍鄉 337000)

不同環境對水泥土動應力影響的試驗研究

陳四利1, 魏 星2, 寧寶寬1

(1.沈陽工業大學建筑與土木工程學院,遼寧 沈陽 110870; 2.江西工業工程職業技術學院,江西 萍鄉 337000)

為研究腐蝕性介質和動荷載對水泥土力學特性的影響,通過水泥土的動三軸壓縮試驗,獲取水泥土動應力試驗參數,分析各種環境對水泥土動強度的影響。試驗結果表明,當硫酸鈉溶液濃度小于0.03 mol/L時水泥土的動強度逐步增大,當硫酸鈉溶液濃度大于0.03 mol/L時水泥土的動強度又逐步降低;隨著氯化鈉溶液濃度的增大,其動強度逐步降低;隨著腐蝕時間的增加,0.03 mol/L硫酸鈉溶液的水泥土動強度逐步增大,而0.1 mol/L和0.3 mol/L硫酸鈉溶液的水泥土動強度均逐步降低;水泥摻入比和圍壓越大,水泥土動強度越大;當溶液濃度小于0.03 mol/L時硫酸鈉環境對水泥土的動強度有增強效應,且濃度大于0.03 mol/L時硫酸鈉環境對水泥土具有腐蝕破壞效應,且硫酸鈉溶液腐蝕效應大于氯化鈉溶液腐蝕效應。

水泥土; 動三軸壓縮試驗; 動應力; 腐蝕環境; 水泥摻入比; 圍壓

0 引言

水泥土由于其價格低廉和制作方便被廣泛應用于地基處理、道路地基、水泥土攪拌樁、堤壩以及防滲墻等工程[1]。然而,處于公路路基、建筑地基以及堤壩等工程中的水泥土又經常遭受諸如酸雨、污水、受污染的地下水以及海水、河水等侵蝕性水的作用,必將對其力學特性產生影響[2]。同時,在實際工程中水泥土也常受到動荷載的沖擊,如地震、車輛碾壓以及海水、河水沖擊壩體等作用。因此國內外學者對水泥土的力學特性進行了較為深入的研究,開展了單軸、三軸、滲透以及環境影響(如腐蝕、凍融)等試驗。如劉恩軍[3]分析了侵蝕性地下水對地下結構工程的影響、評價標準及其防治措施;趙振亞等[4]討論了 Ca(OH)2對低摻量水泥土強度的影響;朱崇輝等[5]進行了水泥土滲透系數變化規律的試驗研究;寧寶寬等[6-8]等分析了各種環境對水泥土力學特性的腐蝕效應;陳四利等[9-11]分析了化學腐蝕、滲流以及凍融循環對水泥土力學特性的影響;楊雨林[12]研究了污水對水泥土滲透性能的影響;袁偉[13]分析了海水環境對水泥土滲透性和強度的影響及機理;楊俊杰等[14]對腐蝕性場地形成的水泥土的劣化進行了研究;魏星[15]開展了腐蝕環境下水泥土的動力性能試驗研究,獲得了有益的成果;王金濤[16]研究了循環荷載作用下水泥土樁復合地基的動力特性;張鵬等[17]探討了不同摻劑對水泥土動力特性的影響;李慶冰[18]開展了橡膠水泥土動力特性的試驗研究;蔡袁強等[19]分析了水泥土-土復合試樣的動力特性。另外,譚凡等[20]分析了飽和尾礦粉土的動力特性,冷建等[21]開展了循環荷載對上海軟土動力特性影響規律的試驗研究。然而,在動荷載作用下有關水泥土處于腐蝕環境中的動力特性卻鮮有報道。本文擬開展在腐蝕環境作用下水泥土的動三軸試驗研究,分析不同環境對水泥土動應力的影響,其研究成果可為處于復雜環境下水泥土工程的安全性和耐久性設計提供參考。

1 試件制備與試驗方案

1.1 水泥土試件的制備

試驗所用土為粉質黏土,經過風干、碾壓、過篩,其主要的物理力學性質指標:含水量27.5%,天然重度19.2 kN/m3,液限35.0%,塑限19.4%,塑性指數15.6,液性指數0.58。

根據《JGJT 233-2011 水泥土配合比設計規程》以及試驗設計的要求,試驗采用強度等級為42.5的礦渣硅酸鹽水泥。為了進行對比分析,討論水泥摻量對水泥土動力特性的影響,取兩組水泥摻入比,分別為15%、18%、21%和3%、6%、9%,并裝入直徑為39.1 mm、高為80 mm的模具中,試件放于(20±5) ℃的潮濕環境下靜置24 h后拆模。

1.2 水泥土試件養護

將靜置24 h后的試件拆模,放入清水中養護90天,室內溫度約為22～28 ℃。為分析腐蝕環境對水泥土的影響,分別配置兩種化學溶液,即硫酸鈉(Na2SO4)溶液和氯化鈉(NaCl)溶液,并根據試驗要求將試件分別放入0.03 mol/L、0.1 mol/L、0.3 mol/L硫酸鈉和氯化鈉溶液中進行腐蝕。腐蝕時間分別為10天、20天、30天。

1.3 試驗方案

本試驗采用SDT-20型微機控制電液伺服土動三軸試驗機,如圖1所示。

圖1 動三軸試驗機Fig.1 Dynamic triaxial apparatus

對腐蝕時間分別為10、20及30天的試件進行動三軸試驗。試驗設置參數和方案如下:

選擇不固結試驗,圍壓分別取100、200和300 kPa,其加載速率為100 kPa/min。選軸向負荷控制、靜態加載速率為200 N/min,軸向力控制頻率為1 Hz,波形為正弦波。對于水泥摻入比為15%、18%、21%以及不同腐蝕時間、腐蝕濃度、腐蝕溶液試驗中,其初始軸向力為3 000 N,振動采用分4級加載,振幅分別為500、1 000、1 500及2 000 N,振動次數均為50次。對于水泥摻入比為3%、6%、9%以及不同圍壓試驗中,初始軸向力為400 N,振動采用分4級加載,振幅分別為50、100、150及200 N,振動次數均為50次。

2 試驗結果及分析

2.1 腐蝕溶液濃度對動應力的影響

限于篇幅,僅給出圍壓為300 kPa、硫酸鈉溶液腐蝕20天后的腐蝕溶液濃度以及不同水泥摻入比對水泥土動應力影響的關系曲線(圖2)。無論哪種水泥摻入比(15%、18%和21%),硫酸鈉溶液濃度為0.03 mol/L時極限動應力最大,0.3 mol/L時極限動應力最小。相對于清水狀態下的動強度,水泥摻入比為15%時:濃度為0.03 mol/L時其動強度提高了12.2%,而濃度為0.1 mol/L和0.3 mol/L時分別降低了5.8%、17.3%;水泥摻入比為18%時:濃度為0.03 mol/L時提高了4.4%,濃度為0.1 mol/L和0.3 mol/L時分別降低了15.7%、25.5%;同理,水泥摻入比為21%時:濃度為0.03 mol/L時提高了7.1%,濃度為0.1 mol/L和0.3 mol/L時分別降低了8.3%、24.5%。

圖2 硫酸鈉溶液濃度對動應力-動應變影響的曲線Fig.2 Effect curves of Na2SO4 solution concentration on dynamic stress-dynamic strain

為了更詳細分析硫酸鈉溶液濃度對水泥土動強度的影響,探討上述現象,以水泥摻入比為21%為例,不同腐蝕時間和濃度條件下水泥土動強度變化曲線如圖3所示。當濃度較小時,隨溶液濃度的增加,其水泥土動強度先增大,當濃度達到某一定值(約0.03 mol/L)時動強度又逐步降低。

圖3 溶液濃度對動強度的影響曲線Fig.3 Effect curves of solution concentration on dynamic strength

2.2 腐蝕時間對動應力的影響

圖4所示為水泥摻入比為18%的水泥土在不同腐蝕時間下、圍壓300 kPa時動應力隨動應變的變化曲線。

圖4曲線變化表明:當溶液濃度為0.03 mol/L時,腐蝕時間10、20和30 d時的極限強度與初始強度(未腐蝕、清水狀態)相比分別提高了4.9%、3.9%和13.6%;而當溶液濃度為0.1 mol/L時,極限強度分別降低了2.9%、13.1%和5.8%;同理,溶液濃度為0.3 mol/L時,極限強度分別降低了10.3%、19.9%和9.2%。

圖4 腐蝕時間對動應力-動應變的影響曲線Fig.4 Effect curves of corrosion time on dynamic stress-dynamic strain

為分析腐蝕時間對水泥土動強度的影響,取水泥摻入比為18%,將上述破壞時的極限強度繪制成如圖5所示的曲線。不同的硫酸鈉溶液濃度影響程度不同,當溶液濃度為0.03 mol/L時,腐蝕時間越長其水泥土動強度越大,濃度較小時有利于水泥土強度發展;當溶液濃度為0.1 mol/L和0.3 mol/L,即硫酸鈉溶液濃度越大時,腐蝕時間越長水泥土腐蝕破壞越嚴重,導致水泥土動強度逐步降低。

圖5 腐蝕時間對動強度的影響曲線Fig.5 Effect curves of corrosion time on dynamic strength

2.3 不同腐蝕溶液對動應力的影響

不同腐蝕環境對水泥土的影響程度不同,本文進行了兩種腐蝕溶液(硫酸鈉溶液和氯化鈉溶液)下的試驗。圖6所示為圍壓300 kPa、水泥摻入比18%的水泥土試件,腐蝕時間為20 d時其動應力隨動應變的變化曲線。對于硫酸鈉溶液下的極限強度變化上文已經討論過,而氯化鈉溶液下的極限強度,當濃度為0.03 mol/L、 0.1 mol/L和0.3 mol/L時,與未腐蝕的極限強度相比分別降低了1.5%、3.0和13.6%。

為了更詳細分析不同腐蝕溶液對水泥土動強度的影響,選取水泥摻入比為18%、腐蝕時間為20 d、圍壓為300 kPa時水泥土動強度的變化曲線(圖7)。圖中曲線表明,硫酸鈉環境中的水泥土動強度先升高再降低,而氯化鈉環境中的水泥土動強度一直平穩降低。

2.4 不同圍壓對動應力的影響

由于篇幅有限,僅取硫酸鈉腐蝕溶液且腐蝕20 d、水泥摻入比為6%時,不同硫酸鈉腐蝕溶液濃度、不同圍壓下水泥土動應力隨動應變的變化曲線(圖8)。試驗結果表明,隨著圍壓增大,其水泥土的動強度也增大;硫酸鈉腐蝕溶液濃度越大,其對水泥土的動強度影響越大(圖9)。

2.5 不同水泥摻入比對動應力的影響

對于硫酸鈉溶液,腐蝕時間20 d、圍壓為300 MP時,不同水泥摻入比、不同硫酸鈉溶液濃度下水泥土動應力隨動應變的變化曲線如圖10所示。

圖中數據表明,硫酸鈉溶液濃度為0.03 mol/L時,水泥摻入比為18%和21%的極限強度相比15%的極限強度分別提高了26.8%和40.5%。硫酸鈉溶液濃度為0.1 mol/L時,水泥摻入比為18%和21%的極限強度相比15%分別提高了17.0%和23.8%。而硫酸鈉溶液濃度為0.3 mol/L時,水泥摻入比為18%和21%的極限強度相比15%分別提高了17.8%和31.0%(圖11)。

圖6 腐蝕溶液對動應力-動應變的影響曲線Fig.6 Effect curves of corrosion solution on dynamic stress-dynamic strain

圖7 不同腐蝕溶液對動強度的影響曲線Fig.7 Effect curves of different corrosion solution on dynamic strength

圖8 不同圍壓對動應力-動應變的影響曲線Fig.8 Effect curves of different confining pressure on dynamic stress-dynamic strain

圖9 圍壓對動強度的影響曲線Fig.9 Effect curves of confining pressure on dynamic strength

圖10 不同水泥摻入比對對動應力—動應變 影響的曲線Fig.10 Effect curves of different cement mixing ratio on dynamic stress-dynamic strain

3 結論

本文通過對腐蝕后水泥土的動三軸試驗,分析腐蝕溶液濃度、腐蝕時間、不同腐蝕溶液以及水泥摻入比和圍壓對水泥土動應力的影響,得出如下主要結論:

圖11 水泥摻入比對動強度影響的曲線Fig.11 Effec curves of cement mixing ratio on dynamic strength

(1) 對硫酸鈉腐蝕溶液濃度來說,當濃度小于0.03 mol/L時水泥土的動強度逐步增大,當濃度大于0.03 mol/L時水泥土的動強度又逐步降低;隨著氯化鈉溶液濃度的增大,其動強度逐步降低;

(2) 隨著腐蝕時間的增加,0.03 mol/L硫酸鈉溶液的水泥土動強度逐步增大;而0.1 mol/L和0.3 mol/L硫酸鈉溶液的水泥土動強度均逐步降低;

(3) 通過硫酸鈉溶液和氯化鈉溶液對比分析可知,當溶液濃度小于0.03 mol/L時,硫酸鈉環境對水泥土的動強度有增強效應;而濃度大于0.03 mol/L時,硫酸鈉環境對水泥土有腐蝕破壞效應,且硫酸鈉溶液腐蝕效應大于氯化鈉溶液腐蝕效應;

(4) 水泥摻入比越大,其水泥土動強度越大;圍壓越大,水泥土動強度越大。

References)

[1] 李智彥.水泥土工程性能實驗研究[D].北京:中國地質大學(北京),2006. LI Zhi-yan.Research on Laboratory Test of Engineering Property of Soil Cement[D].Beijing:China University of Geosciences(Beijing),2006.(in Chinese)

[2] 陳四利,寧寶寬.巖土材料的環境效應[M].北京:冶金工業出版社,2010. CHEN Si-li,NING Bao-kuan.Environment Effect of Geotechnical Material[M].Beijing:Metallurgical Industry Press,2010.(in Chinese)

[3] 劉恩軍.侵蝕性地下水對地下結構工程的影響、評價標準及其防治措施[J].地下工程與隧道,2001(4):38-45. LIU En-jun.Erosive Impact of Groundwater on the Underground Structure Engineering,Evaluation Standards and Control Measures[J].Underground Works and Tunnels,2001(4):38-45.(in Chinese)

[4] 趙振亞,申向東,賈尚華.Ca(OH)2對低摻量水泥土的強度影響[J].土木建筑與環境工程,2012,34(增刊):170-173. ZHAO Zhen-ya,SHEN Xiang-dong,JIA Shang-hua.Influence of Ca(OH)2on Strength of Low Proportional Cemented Soil[J].Journal of Civil,Architectural &Engineering,2012,34(Supp):170-173.(in Chinese)

[5] 朱崇輝,王增紅.水泥土滲透系數變化規律試驗研究[J].長江科學院院報,2013(7):59-63. ZHU Chong-hui,WANG Zeng-hong.Experimental Research on the Variation Regularity of Permeability Coefficient of Cement Soil[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2013(7):59-63.(in Chinese)

[6] 寧寶寬,陳四利,劉斌,等.環境侵蝕下水泥土的力學效應試驗研究[J].巖土力學,2005,26(4):600-603. NING Bao-kuan,CHEN Si-li,LIU Bin,et al.Experimental Study of Cemented Soil under Environmental Erosion[J].Rock and Soil Mechanics,2005,26(4):600-603.(in Chinese)

[7] 寧寶寬,劉斌,陳四利.環境侵蝕對水泥土樁承載力影響的試驗及分析[J].東北大學學報,2005,26(1):95-98. NING Bao-kuan,LIU Bin,CHEN Si-li.Bearing Capacity Study of Cement-mixed Soil Pile under Environmental Erosion[J].Journal of Northeastern University,2005,26(1):95-98.(in Chinese)

[8] 寧寶寬,陳四利,丁梧秀,等.環境侵蝕下水泥土的強度及細觀破裂過程分析[J].巖土力學,2009,10(8):2215-2219. NING Bao-kuan,CHEN Si-li,DING Wu-xiu,et al.Analysis of Meso-fracture Process of Cemented Soil under Environmental Erosion[J].Rock and Soil Mechanics,2009,10(8):2215-2219.(in Chinese)

[9] 陳四利,寧寶寬,劉一芳,等.化學侵蝕下水泥土的無側限抗壓強度試驗[J].新型建筑材料,2006(6):40-42. CHEN Si-li,NING Bao-kuan,LIU Yi-fang,et al.Experimental Study of Unconfined Compression Strength on Cement Soil under Chemical Erosion[J].New Building Materials,2006(6):40-42.(in Chinese)

[10] CHEN Si-li,DONG Kai-he,YU Tao,et al.Experimental Study on Infiltration Time Effects of Mechanical Behaviors of Cement Soil[J].International Journal of Applied Mathematics and Statistics,2013,50(20):302-309.

[11] 陳四利,史建軍,于濤,等.凍融循環對水泥土力學特性的影響[J].應用基礎與工程科學學報,2014,22(2):343-349. CHEN Si-li ,SHI Jian-jun,YU Tao,et al.Influence of Freezing and Thawing Cycles on Mechanical Properties of Cemented Soil[J].Journal of Basic Science and Engineering Applications,2014,22(2):343-349.(in Chinese)

[12] 楊雨林.污水對水泥土滲透性能影響的試驗研究[D].沈陽:沈陽工業大學,2015. YANG Yu-lin.Experimental Study on Effect of Sewage Environment on Permeability of Cemented Soil[D].Shenyang:Shenyang University of Technology,2015.(in Chinese)

[13] 袁偉.海水環境對水泥土滲透性和強度的影響及機理分析[D].青島:中國海洋大學,2012. YUAN Wei.Effect of Seawater Condition on Permeability and Strength of Cement-treated Soil and Mechanism Analysis[D].Qingdao:Ocean University of China,2012.(in Chinese)

[14] 楊俊杰,孫濤,張玥宸,等.腐蝕性場地形成的水泥土的劣化研究[J].巖土工程學報,2012(1):130-138. YANG Jun-jie,SUN Tao,ZHANG Yue-chen,et al.Deterioration of Soil Cement Stabilized in Corrosive Site[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2012(1):130-138.(in Chinese)

[15] 魏星.腐蝕環境下水泥土的動力性能試驗研究[D].沈陽:沈陽工業大學,2015. WEI Xing.Experimental Study on Dynamic Characteristics of Cemented Soil under the Corrosive Environment[D].Shen-yang:Shenyang University of Technology,2015.(in Chinese)

[16] 王金濤.循環荷載作用下水泥土樁復合地基的動力特性[D].北京:北京交通大學,2012. WANG Jin-tao.Dynamic Characteristics of Soil-Cement Pile Composite Foundation under Cyclic Loading[D].Beijing:Beijing Jiaotong University,2012.(in Chinese)

[17] 張鵬,朱珍德,王軍,等.不同摻劑對水泥土動力特性的影響[J].長江科學院院報,2014,31(5):62-67. ZHANG Peng,ZHU Zhen-de,WANG Jun,et al.Effect of Additives on Dynamic Properties of Cement-stabilized Soils[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2014,31(5):62-67.(in Chinese)

[18] 李慶冰.橡膠水泥土動力特性的試驗研究[D].沈陽:沈陽建筑大學,2011. LI Qing-bing.Experimental Research on Dynamic Characteristics of Rubberized Cement-soil[D].Shenyang:Shenyang Jianzhu University,2011.(in Chinese)

[19] 蔡袁強,梁旭,李坤.水泥土-土復合試樣的動力特性[J].水利學報,2003(10):19-25. CAI Yuan-qiang,LIANG Xu,LI Kun.Dynamic Characteristics of Composite Sample of Cemented Clay-clay[J].Journal of Hydraulic Engineering,2003(10):19-25.(in Chinese)

[20] 譚凡,饒錫保,黃斌,等.飽和尾礦粉土動力特性試驗研究[J].地震工程學報,2015,37(3):772-777. TAN Fan,RAO Xi-bao,HUANG Bin,et al.Experimental Study or the Dynamic Characteristics of Tailings Silts[J].China Earthquake Engineering Journal,2015,37(3):772-777.(in Chinese)[21] 冷建,葉冠林,劉學增,等.循環荷載對上海軟土動力特性影響規律的試驗研究[J].地震工程學報,2015,38(4):1049-1052. LENG Jian,YE Guan-lin,LIU Xue-zeng,et al.Experimental Study on the Dynamic Characteristics of Shanghai Soft Clay Subjected to Cyclic Loading[J].China Earthquake Engineering Journal,2015,38(4):1049-1052.(in Chinese)

Experimental Study on Dynamic Stress of Cement Soil under Different Environments

CHEN Si-li1, WEI Xing2, NING Bao-kuan1

(1.SchoolofArchitecture&CivilEngineering,ShenyangUniversityofTechnology,Shenyang110870,Liaoning,China; 2.JiangxiVocationalCollegeofIndustry&Engineering,Pingxiang337000,Jiangxi,China)

Dynamic triaxial compression tests are conducted to study the effects of corrosive media and dynamic loads on the mechanical properties of cement soil. The experimental parameters of dynamic stress are obtained, and the effects of the dynamic strength of the cement soil are analyzed in different environments. Results show a gradual increase in the dynamic strength of the cement soil with an increase in the concentration of sodium sulfate corrosion solution when it is less than 0.03 mol/L. However, when the concentration is greater than 0.03 mol/L, there is a gradual decrease in the dynamic strength of the cement soil. In addition, there is a gradual decrease in the dynamic strength of cement soil with an increase in the concentration of sodium chloride solution. Furthermore, there is a gradual increase in the dynamic strength of cement soil in 0.03 mol/L of sodium sulfate solution with an extension of corrosion time. Results show the following: when the concentration of sodium sulfate solution is between 0.1～0.3 mol/L, there is a gradual decrease in the dynamic strength of the cement soil. Moreover, when the cemented content is at a greater ratio, the stronger dynamic strength of cement soil is greater. Furthermore, when the confining pressure is greater, the dynamic strength of cement soil is stronger. In addition, when the solution concentration is less than 0.03 mol/L, the dynamic strength of cement soil is enhanced in a sodium sulfate environment, but when it is greater than 0.03 mol/L, the cement soil is corroded and damaged within the same environment and the corrosion effect is greater than that of the sodium chloride solution.

cement soil; dynamic triaxial compression test; dynamic stress; corrosive environment; cement mixing ratio; confining pressure

2015-08-13 基金項目：國家自然科學基金資助項目(51279109) 作者簡介：陳四利(1959-)，男，博士，教授，主要從事環境巖土力學理論及其應用研究。E-mail:chen1458@163.com。

TU411

A

1000-0844(2016)06-0847-07

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.06.0847