不同粒徑風化砂改良膨脹土的動力特性研究*

劉昌建 莊心善

(湖北工業大學土木建筑與環境學院 武漢 430068)

前言

廣泛分布于我國各地區的膨脹土對國家的工程建設造成重大的經濟損失。據了解，早期在工程建設過程中，由于膨脹土不能當作填料，開挖出來的膨脹土需要在工地周邊安排很大面積的地方堆放，不僅會破壞地形地貌，而且由于膨脹土難以被壓實，暴雨沖刷后容易產生水土流失甚至是泥石流，對道路安全和耕地等造成威脅。另外，對挖出的膨脹土還要進行回填，回填的材料可能需要進行遠距離運輸，這也加重了工程建設的成本并且可能會對環境造成一定的破壞。因此如何改良膨脹土的變形特性成為了近年來眾多學者的研究方向。部分學者利用石灰，水泥，粉煤灰對膨脹土進行改良，取得了顯著的效果，膨脹土的特性明顯得到了改善。邊加敏等的研究表明，隨著摻灰率的增大，改良土的粘聚力，內摩擦角，CBR值均增大，不同膨脹土強度增大的幅度有所不同。吳新明等的研究指出，改良土的強度與摻砂率，浸水時間和養護時間有關，抗壓強度隨著水泥摻量的增大而增大；浸水后，強度會出現降低，降低的數值與摻量和養護時間成反比。相關研究表明，對膨脹土摻入10%左右的風化砂處理，其脹縮特性得到明顯改善，且能有效提高膨脹土的抗剪強度，滿足路基設計要求，本次利用GDS真三軸儀動力加載模塊進行了一系列風化砂改良膨脹土動力試驗，研究不同粒徑風化砂改良膨脹土動彈性模量和等效阻尼比的特性。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗用土取自合肥某高速公路工程，外觀呈黃色，吸水失水后體積脹縮明顯，天然密度為1.9Vg/cm3，自由膨脹率為44%。為了研究粒徑大小對改良風化砂的影響，將風化砂進行篩分，取有效粒徑為中砂，粗砂和細砂的風化砂按照Msand∶Msoil=1∶10的質量比摻入到膨脹土中進行土樣配制。

1.2 試樣制備

由擊實試驗得到素膨脹土最大干密度1.655 g/cm3，最優含水率為15.52%，制樣時以最大干密度為1.7 g/cm3,含水率為15.5%，將粒徑為粗砂，中砂和細砂的風化砂與膨脹土進行均勻拌合，于恒溫箱內靜置24 h之后，制成高度100 mm，直徑50 mm的圓柱體試樣。將制備好的土樣放入飽和器內抽氣飽和，再放入GDS壓力室內進行20 h的反壓飽和，直至飽和系數B值到達0.98以上，再進行動力實驗。

1.3 試驗方案

根據原有土體所處的自然環境，確定一組試驗圍壓100 MPa，在不排水條件下，采用頻率f=1 HZ的正玄波，將該率下預設的動荷載分10級施加到土樣上，每級振動循環10次，當試樣的軸向動應變達到5%時，視為試樣被破壞。具體實驗方案見表1。

表1 實驗方案表

2 實驗結果與分析

2.1 動彈性模量的變化規律

動三軸試驗得到的動應力-動應變滯回曲線，計算滯回曲線兩頂點之間的斜率可得到動彈性模量：

(1)

式中：σd為動應力；εd為動應變；Ed為動彈性模量。

取每級循環荷載帝3～7次循環應力的動彈性模量的平均值和對應的平均應變作為該級荷載的動彈性模量和動應變。

2.2 粒徑大小對改良膨脹土動彈性模量的影響分析

圖1為100 kpa圍壓，頻率1 HZ情況下，改良膨脹土的動彈性模量-動應變關系曲線。

圖1 不同粒徑下改良土動模量-動應變關系曲線

由圖1可知，風化砂改良品膨脹土的動彈性模量隨著動應變的增大而減小，當動應變較小時，εd<0.2%時，動彈性模量隨著應變變化顯著；相同動應變的情況下，粗砂的動彈性模量最大，細砂的動彈性模量最小。這是因為粗顆粒摻入后，粗細顆粒的擠密增大了顆粒之間的嵌合，顆粒間相互結合形成骨架，使改良膨脹土的內摩擦角，粘聚力均增大。

2.3 粒徑大小對改良膨脹土等效阻尼比的影響分析

阻尼系數與臨界阻尼比系數ccr之比為阻尼比λ：

(2)

又因為能量損失數為：

(3)

(4)

式中：ΔW為一個周期內損耗的能量；W為作用的總能量。

研究表明，對于粘彈性體而言，一個周期內損失的能量可近似等于滯回曲線圍成的面積。一個周期內動荷載儲存的能量為：

(5)

即為原點到最大幅值點連線下的三角形面積，故式(5)可表示為：

(6)

由圖2可知，改良膨脹土的等效阻尼比λ隨應變的增大而增大，在應變εd<0.2%范圍內，等效阻尼比λ變化明顯;在相同應變的情況下，粗砂改良膨脹土的阻尼比最小，細砂改良膨脹土的阻尼比最大，這是因為粗砂提高了改良膨脹土的孔隙率，使土體內部顆粒的接觸面積減小，降低了動應力傳遞能量的效率。

圖2 不同粒徑下改良土阻尼比-動應變關系曲線

3 結論

相同摻量，圍壓和頻率下，改良土動彈性模量隨著動應變的增大而減小，在動應變εd<0.2%范圍內，動彈性模量變化顯著；在動應變相同的情況下，粗砂改良土的動彈性模量最大，細砂改良土的動彈性模量最?、谙嗤瑖鷫汉皖l率下，不同粒徑改良膨脹土的等效阻尼比隨著動彈性模量的增大而增大；在相同應變條件下，粗砂改良膨脹土的阻尼比最小，細砂改良膨脹土的阻尼比最大。通過對動彈性阻尼比的比對應得到對于膨脹土加中砂還是細砂來改良膨脹土的性能結論。