水泥-玄武巖纖維改良泥炭質土滯回曲線變化規律研究

王卓， 屈俊童， 劉超， 張翔， 朱云強

（1.云南大學建筑與規劃學院，昆明 650504；2.濰坊金科建設投資有限公司，山東 濰坊 261000）

0 引言

泥炭土（泥炭和泥炭質土的統稱）是由有機質殘體、腐殖質和礦物質組成的特殊土，在我國主要分布在四川、云南、甘肅、黑龍江、吉林等省份。昆明滇池流域地處云貴高原，受高原氣候和湖泊沉積，在滇池周圍地區形成了深厚的泥炭質土層。隨著昆明市大力發展基礎設施建設，許多深基坑工程及地鐵地下工程等都會不可避免地遇到泥炭質土層這種軟弱地基上，給相關工程建設帶來許多難題。目前國內外學者對泥炭質土的物理力學性質、加固改良展開了相關的研究。目前，國內的研究大都基于靜力學方面，土在動荷載作用下的試驗表明，在周期荷載下，土的動應力-動應變關系一般具有三個基本特點：非線性，滯后性和應變累積性［1］。這與土在靜荷載下的力學特性有明顯區別，因此有必要對土體進行動力學方面的研究。Boulanger［2］研究了加載頻率、應力歷史、土體結構性等對加州泥炭質土動力特性的影響。Wehling［3］在Boulanger的基礎上繼續研究了固結應力、加載頻率對泥炭質土的剪切模量、阻尼比的影響關系。Kishida［4］的研究表明有機質含量和有效固結應力對泥炭質土的動力特性影響很大，尤其是有機質含量的影響更大。黃娟［5］進行了不同圍壓、固結比、加載頻率等條件下的昆明泥炭質土分級加載動三軸試驗，對滯回曲線的變化規律進行了定量分析。陳成［6］對不同圍壓、動應力幅值以及靜偏應力影響下的昆明泥炭質土進行動三軸試驗，研究了泥炭質土的長期累積變形特性，并提出了相應的應變預測模型。丁祖德等［7］研究了不同圍壓、固結比、振動頻率控制條件下的昆明泥炭質土的最大剪切模量、動剪切模量、剪切模量比及阻尼比的變化規律。文雯等［8］對昆明地區不同深度的多個取樣點的泥炭質土動三軸實驗數據進行統計分析，研究了土動力學參數隨埋深的變化并與相關規范中的其它軟土參數進行了對比分析。

目前對泥炭質土改良固化處理主要基于無機材料，如水泥、粉煤灰、生石灰等材料，無機材料可以較好地提高泥炭質土的強度，但另一方面如果水泥等無機材料的抗拉強度較低，當水泥改良泥炭質土承受動力循環荷載時，有可能出現脆性破壞，這對于地鐵或行車荷載工況下的圍巖或地基土來說是不利的。相關研究指出［9］，玄武巖纖維本身具有良好的力學性能，如抗拉強度高、剛度大；活性指數高，與水泥等無機材料結合度好；耐腐蝕、能防水；文中在水泥改良加固泥炭質土的基礎上，選擇玄武巖纖維作為主要外加固化劑，充分發揮玄武巖纖維材料的優勢，既可保證固化泥炭質土的強度，也加強了改良泥炭質土在承受循環荷載時的塑性及抗變形能力。文中以昆明滇池高原湖相泥炭質土為研究對象，先基于靜力學研究確定了水泥-玄武巖纖維復合固化劑的最佳配比。之后通過室內動三軸試驗，研究不同水泥和水泥-玄武巖纖維復合固化劑摻量、圍壓、加載頻率條件下固化泥炭質土的滯回曲線變化規律，為后續進一步研究泥炭質土的改良提供參考。

1 試驗研究

1.1 試驗材料與固化方案

試驗土樣取自昆明市地鐵5號線某路段基坑工程工地，取土深度約13m，其基本物理力學指標如表1所示。Simonetta和Giampaolo［10］的研究指出重塑土只改變土的強度，對土的力學特性影響不大。此外原狀土的取樣難度大，并且取土地的泥炭質土是經過一定擾動的，因此試驗將研究重塑土。固化材料中的水泥為市面上32.5級礦渣硅酸鹽水泥，水泥的試驗指標如表2所示；規格12mm的玄武巖纖維，橄欖綠色；生石灰為天津市致遠化學試劑有限公司生產的分析純（CaO），相對分子質量56.08，黃色顆粒狀粉末；生石膏為西隴科學股份有限公司生產的分析純（CaSO4·2H2O）相對分子質量172.15，白色結晶或白色粉末。

表1 泥炭質土的物理力學指標

表2 試驗所用水泥指標

固化方案一為單摻水泥，二是添加水泥-玄武巖纖維復合固化劑（文中稱之為PSA01固化劑），其中PSA01固化劑的配比通過室內無側限抗壓強度試驗研究PSA01固化劑中各材料對于固化土的無側限抗壓強度的影響，得出最佳配比（質量）為玄武巖纖維0.90%+生石灰4.27%+生石膏3.90%。

1.2 試樣制備與試驗方案

試驗儀器為英國生產GDS動三軸儀，該儀器具有控制方便、測量精度高等特點，可以準確測量軸向壓力、圍壓、試樣應變和孔隙水壓力等數據。

試樣制備：根據土工試驗方法標準［11］，先將取得的土樣風干碾碎并經5mm細篩篩選后，按照43%的含水率對篩選的土樣均勻噴灑無氣水，隨后使用保鮮膜密封搪瓷盤并靜置24h待用。根據水泥土配合比設計規程［12］，按照一定的水灰比，稱取一定量的水、水泥、和外加固化劑，混合在一起并通過攪拌使其變為均勻固化劑混合漿體，然后將靜置24h的泥炭質土與固化劑混合漿體拌和均勻。之后將拌合好的改良土按照分層擊樣法于配套的三瓣膜和擊樣器內制作規格為直徑39.1mm、高80mm的圓柱體，試樣的成型時間應控制在25min之內。

試樣飽和：采用真空抽氣飽和法，先將制好的試樣放在真空飽和裝置內抽氣至負一個大氣壓并持續1h以上。之后關閉抽氣閥，打開進水閥，待無氣水進入真空飽和裝置并淹沒試樣2cm左右時關閉進水閥，將導水管暴露在空氣中，再次打開進水閥，使空氣進入真空飽和裝置，并靜置至少24h。

根據水泥土配合比設計規程［12］的建議，一般工程中不需要考慮水泥固化土的排水與固結問題，所以文中對水泥固化土和PSA01固化土采用不固結不排水（UU試驗）的研究方法。試驗綜合考慮了水泥或PSA01固化劑摻量、圍壓、加載頻率等3個影響因素，具體的試驗方案見表3所示。另外對于每一組試驗，都取兩塊土樣在相同試驗條件下進行平行試驗，排除單一試驗可能造成的誤差影響。

表3 改良泥炭質土動三軸試驗方案

（1） 水泥和PSA01固化劑摻量。根據相關研究［13］，當水泥作為軟土的固化劑時摻量范圍宜在12%～20%，結合泥炭質土性質及相關工程實例，試驗對水泥和PSA01固化劑的摻量設計5%、10%、15%、20%、25%這5個不同摻量水平。

（2） 圍壓。根據相關的勘察資料及試驗條件，實驗選取100、200、300kPa等3種不同圍壓。

（3） 加載頻率。根據已有的地鐵隧道結構的實際監測數據，地鐵管線下的地基土在地鐵列車運行經過時，土體產生的相應頻率有低頻和高頻兩種，低頻范圍一般在0.4～0.6Hz，高頻范圍一般在2.4～2.6Hz，因此試驗選取1、2、3Hz等3種不同加載頻率。

（4） 動應力幅值。根據相關資料，列車和軌道結構對路基的附加應力為30±10kPa，試驗選取10、20、30、40、50kPa等5個不同動應力幅值。

（5） 加載方式。試驗中動應力幅值采用分級加載方式，相鄰動力振動級別的動應力幅值相差10kPa，每個振動級別下均循環往復振動12周次，并在GDSLAB動力加載模塊中設定每個振動周次采集20個數據點。

（6） 試驗終止條件。采用應變破壞標準，即當試樣的應變達到一定值時認為土體已破壞，試驗終止。試驗采定義水泥固化土和PSA01固化土動變形參數定量研究和累積軸向變形試驗中軸向應變達到5%或加載周次達到5000周時試驗結束。

2 改良泥炭質土滯回曲線演化規律

文中選擇動應力幅值30kPa作用下的第6個動力循環周次對應的滯回曲線進行分析，以研究圍壓、加載頻率、水泥和復合固化劑摻量水平對滯回曲線的影響規律。

受限于試驗條件，文中對于改良泥炭質土的滯回曲線的變化規律主要為定性研究。對于滯回曲線來說，有長軸斜率、中心偏移量、動應變幅值和滯回曲線的面積等四個參數可以解釋其變化規律，即土體的相關力學性能的變化。

（1） 長軸斜率。指滯回曲線的長軸的應力差于應變差的比值，它反映了土體的剛度和彈性性能。數值越大，土體的剛度越大，彈性性能增強，反之則越小。

（2） 中心偏移量。指的是兩個滯回圈的中心的距離，該值描述了土體的細觀損傷和殘余塑性變形程度，中心偏移量越大說明土體的細觀損傷和殘余塑性變形程度越大，反之則越小。

（3） 動應變幅值。滯回曲線動應變幅值等于滯回圈的最大動應變和最小動應變差值的一半，它反映了土的變形程度。動應變幅值，土體變形程度越大。

（4） 滯回曲線的面積。該參數反映了土體抗震性能和能量消耗能力。面積越大，表明土體在一個循環荷載作用下能量消耗越大、抗震性能越強;反之，能量消耗小，抗震性能差。

2.1 水泥和PSA01固化劑摻量對改良泥炭質土滯回曲線的影響

文中選擇動應力幅值30kPa作用下的第6個動力循環周次對應的滯回曲線進行分析，以研究圍壓、加載頻率、水泥和復合固化劑摻量水平對改良泥炭質土滯回曲線的影響規律。當圍壓和加載頻率一定時，泥炭質土在不同水泥和PSA01固化劑摻量下的動應力-動應變滯回曲線如圖1、圖2所示。

圖1 不同水泥摻量下水泥固化土滯回曲線

圖2 不同PSA01固化劑摻量下PSA01固化土滯回曲線

由圖1可知，在同一動荷載下不同摻量的水泥固化土滯回曲線有著明顯的變化，隨著水泥摻量的增加，水泥固化土的滯回曲線明顯向縱向坐標軸旋轉，水泥固化土滯回圈所包圍的面積也隨著水泥摻量的增加而明顯減小。從而可得知隨著水泥摻量水平的增加，水泥固化土剛度特征和彈性性能有著較大幅度的提高，對外界能量的耗散能力也下降明顯，細觀損傷和殘余應變程度均有所減小。當水泥摻量達到15%時對泥炭質土抵抗變形的能力提升較大，這是由于隨著水泥摻量的增加，固化土礦物顆粒之間的膠結力越強，固化土自身抵抗變形的能力越強，而水泥摻量低于15%時，水泥固化土抵抗動變形的能力相對較弱。

從圖2來看，不同PSA01固化劑摻量下的改良泥炭質土滯回曲線變化趨勢與水泥固化土類似。但與水泥固化土相比，PSA01固化土在低摻量下的動應變幅值明顯更小，基本只有水泥固化土的一半，說明在相同固化劑摻量水平下，PSA01固化劑能更好地提高土體的抵抗動變形能力。但在PSA01固化劑摻量提升之后，尤其是在15%摻量以后，固化土的剛度和彈性性能雖有提升，提升卻比較有限。根據相關研究［14］，玄武巖纖維本身帶電，各纖維絲之間會相互吸引，在低摻量時，少量相互吸附的纖維團或纖維-土團可以改善泥炭質土的力學性能。但在摻量提升后，土體內部形成纖維團或纖維-土團增多增大，造成了纖維在土體內部的不均勻性，反而影響了纖維的加筋效果。因此才會造成在高摻量PSA01時，固化泥炭質土的動力學性能改善效果較小。

2.2 圍壓對改良泥炭質土滯回曲線的影響

由上述水泥和PSA01固化劑摻量水平對改良泥炭質土滯回曲線的影響可以發現，在摻量為15%時，土體的抗擾動能力相比10%時顯著提高，而當摻量增加到20%、25%時，土體的抗變形能力提升幅度較小，且相對15%摻量來說經濟效益比較低。因此后續研究圍壓、加載頻率對滯回曲線的影響時，水泥和PSA01固化劑摻量均控制為15%。當加載頻率為1Hz，水泥和PSA01固化劑摻量為15%時，水泥固化土和PSA01固化土在100、200kPa和300kPa圍壓條件下的動應力-動應變滯回曲線如圖3、圖4所示。

圖3 不同圍壓下的水泥固化土滯回曲線

圖4 不同圍壓下的PSA01

由圖3可以看出，隨著圍壓的增大，水泥固化土在相同動力荷載作用下的滯回圈表現出長軸斜率增大，滯回圈整體向縱坐標軸旋轉，在同一級動荷載作用下，水泥固化泥炭質土的最大動應變幅值隨著試驗圍壓的增大而減小。同時，隨著試驗圍壓的增大，滯回圈在形狀上表現出越來越狹窄的趨勢，其包圍而成的面積也越小，但這種變化趨勢在圍壓低于200kPa時不明顯。同時也可以看到，隨著圍壓增大到200kPa，水泥固化土表現出的剛度特征和彈性性能有較為明顯增大，土體在同一級動荷載作用下的變形量減小，土體的殘余應變和細觀損傷程度減小。

從圖4可知，隨著圍壓的增大，PSA01固化土滯回圈的變化規律也與水泥固化土的相似。但與水泥固化土不同的是，在同一級動荷載作用下，PSA01固化土的最大動應變幅值隨著試驗圍壓的增大而逐漸減小的更多。在圍壓超過200kPa時，PSA01固化土的滯回圈包圍的面積更狹窄。在相同圍壓條件下，PSA01固化土表現出的剛度特征和彈性性能比水泥固化土更大；在同一級動荷載作用下的變形量明顯減小，尤其是圍壓為200kPa時土體的殘余應變和細觀損傷程度減小明顯。其原因是由于PSA01固化劑中的加入的玄武巖纖維使得土體之間的筋土摩擦作用在圍壓增大時充分發揮，因而對試樣的約束能力得到加強，很大程度上限制了動荷載作用下固化土內部微小裂縫的產生，因此進一步提高了土體的剛度，減小了土體耗散外界的能量。

2.3 加載頻率對滯回曲線的影響

由圍壓對固化泥炭質土的滯回曲線的影響可以看出，在圍壓200kPa以上時，固化土的剛度較大，有較強的抵抗變形能力，而在100kPa時，固化土的剛度和彈性性能明顯較小。在實際工程中，更關注不利情況，因此文中在研究加載頻率對滯回曲線的影響時，將圍壓控制為100kPa。當試驗圍壓為100kPa，水泥和PSA01固化劑摻量為15%時，水泥固化土和PSA01固化土在1、2、3Hz加載頻率作用下的動應力-動應變滯回曲線如圖5、圖6所示。

圖5 不同加載頻率條件下水泥固化土滯回曲線

圖6 不同加載頻率條件下PSA01固化土滯回曲線

由圖5可得，隨著加載頻率的增大，水泥固化土滯回曲線逐漸向縱坐標軸旋轉，動應變幅值逐漸減小，滯回圈的長軸斜率增大，但這種變化趨勢的發展程度在加載頻率達到2Hz后變得很小。從水泥固化土在加載頻率影響下的滯回曲線變化規律可以發現，隨著加載頻率的增大，水泥固化土的彈性性能和剛度特征有著較為明顯的增大，而固化土的細觀損傷和殘余應變程度相對減小，耗散外界能量的能力減弱，加載頻率達到2Hz后，繼續增大加載頻率對滯回曲線的影響已經很小。

從圖6可知，與水泥固化土的滯回曲線在較高的加載頻率的影響下相似，PSA01固化土滯回曲線隨著加載頻率的變化很小，PSA01固化土滯回曲線的長軸斜率隨加載頻率的增大有著輕微增大，而滯回圈包圍的面積也有一定程度減小。說明隨著加載頻率增大，PSA01固化土的彈性性能和剛度特征有著輕微的增大，而PSA01固化土的耗能能力也有所降低，但這種變化程度均較小。由于實驗的加載頻率選擇相對來說較低，且土體應變較小，對土的性質影響主要考慮動應變幅值和動荷載的循環效應。這是因為在泥炭質土中加入水泥后改變了土體的性質，提高了土體的剛度，而PSA01固化劑加入的玄武巖纖維材料具有較好的韌性和抗變形能力，在承受循環荷載時，玄武巖纖維網絡發揮了纖維網的結構作用，因此使得PSA01固化土的變形程度受加載頻率的影響更小，故試驗的振動效應和循環效應對PSA01固化土的影響較小。

3 結語

對摻入水泥和PSA01固化劑改良的泥炭質土進行室內動三軸試驗研究，研究不同水泥和PSA01固化摻量、圍壓、加載頻率對改良泥炭質土滯回曲線的影響，得出如下結論：

（1） 改良泥炭質土的滯回曲線形狀呈兩端狹長的長梭形。定性來看，改良泥炭質土的滯回曲線均隨水泥和玄武巖纖維復合固化劑摻量、圍壓、加載頻率的增大而向動應力軸偏轉，土體的剛度和彈性性能有不同程度地增大，而對于外界能量的耗散能力也有著不同程度地減弱。在15%摻量時，兩種固化泥炭質土的剛度和彈性性能顯著增加，土體變形程度也明顯減小，而在25%摻量時，固化泥炭質土的剛度和彈性性能增加則十分有限，

（2） 與水泥固化土相比，在相同試驗條件下，PSA01固化土的土體剛度和彈性性能明顯更大，動應變幅值只有水泥固化土的一半左右。說明PSA01固化劑能顯著改善泥炭質土的力學性能，但改善效果會隨著PSA01固化劑的摻量提升減弱，25%摻量相比20%摻量時改善效果有限。

（3） 通過試驗得出PSA01固化劑最佳摻入量為15%～20%，此時可以較小的成本獲得對泥炭質土力學性能的明顯改良效果。其中出PSA01固化劑的配比（質量）為玄武巖纖維0.90%+石灰4.27%+生石膏3.90%。