石灰处置粉质粘土本构关系研究

张 群 战高峰 朱 福 董伟智

(吉林建筑大学交通科学与工程学院，长春 130118)

土的本构关系是土力学的一个重要的理论问题.近年来，土的本构关系模型发展迅速，加上计算技术的应用，使许多复杂的关系式能够较快速的计算并应用于科研当中，但有效的应用于实际工程中却很少.为使本构关系更好地应用于实际工程中，且简单易行，通过研究石灰处置粉质粘土的本构关系，使改良后的粉质粘土能够在实际工程中得到应用.众所周知，土不像金属等固体材料［1］，其性状相当复杂，它不能用理想的弹塑性材料假设.实际工程应用中，希望能够建立较准确地土的本构模型来满足工程安全和经济可行性;同时希望该模型简洁易懂，便于技术人员掌握和使用.

1 试验材料与仪器

(1)试验材料. 试验所用材料取自吉林至荒岗高速公路沿线标段的路基土，其物理性质见表1.

表1 粉质粘土物理性质

石灰采用CaO，MgO总含量为61%的三级灰.

(2)试验仪器. 试验所用仪器有DTM—2电动脱模机、JYE—2000型数显式压力试验机、SHBY—40B型标准恒温恒湿养护箱、DW—40低温箱、TSZ－1型应变控制式三轴仪.

2 试验方法

对素土及掺入比4%，6%的石灰土进行击实试验，测得最佳含水率和最大干密度，数据见表2.

表2 石灰土的最佳含水率和最大干密度

按照最佳含水率将粉质粘土与石灰按各自掺入比进行拌合，浸润12h.每个试件的质量按压实度94%计算得到，分五层装料，用JYE—2000型数显式压力试验机静压成型，试样直径39.1mm、高80mm，本试验含水率不变，将制备好的试件立即用保鲜膜包好，放入SHBY—40B型标准恒温恒湿养护箱中养生，养生时间为7d.

采用TSZ－1型应变控制式三轴仪，进行不固结不排水剪切(UU)试验，加载速率0.18mm/min，为模拟现场路基应力场情况，根据文献［2］研究，围压(σ3)取15kPa，30kPa，45kPa，进行三轴剪切试验.

3 试验结果及分析

3.1 应力—应变关系

图1(a)，(b)，(c)分别为不同围压、不同掺灰的应力应变关系曲线.由图(a)，(b)，(c)知，围压对石灰土的应力－应变关系有一定影响，围压增大峰值强度升高，围压45kPa时的峰值强度是围压15kPa时的1.3倍，且围压较低时，过峰值点后的曲线降低较大，曲线软化明显，显示围压对试样的破坏起到一定的阻碍作用，试样内部联结强度有一定增强.

图1 应力－应变曲线

3.2 石灰粉质粘土的应力－应变关系的数学拟合

图2 典型应力应变曲线

由图1可以看出，石灰土的应力－应变关系成应变软化型，且应变较小时，应力－应变曲线呈现硬化压密形式，超过峰值强度对应的应变值后，应力应变曲线急剧下降，强度减小.土力学的常用软化模型不能描述与其相似的现象，而是同混凝土的破坏极其相像.其典型模型图示见图2.分析可知，采用简单的非线性曲线方程［3］，即可符合上面的几何条件，同时对于试样采取不同类型曲线的准确形状是困难的.所以选取曲线峰值点为分界点，即分上升阶段和下降阶段，但试样的破坏发生在峰值点后，为了研究简单和在工程中应用方便，仅对曲线上升阶段进行拟合，选取拟合公式:

式中，a，b，c，d为试验参数.对典型曲线进行描述:a)当 ε =0时，σ =0;b)当 ε = εf时，σ = σf，dσ/dε =0，即到达曲线峰值点;c)当ε→0时，dσ/dε=E0，E0为初始切线模量.

由几何描述确定试验参数:

其中，σf为峰值点对应的应力;εf为峰值点对应的应变.将其带入式(1)得:

可以看出参数a，b，c，d都可由三轴压缩试验得到.

图3 验证曲线

图3为素土及石灰处置后的粉质粘土的三轴压缩试验测得的数据点，与上述公式曲线进行了拟合.由图中拟合曲线与实测数据点的离散程度可知，二者离散性小，说明上述模型公式能够较好地描述石灰处置粉质粘土的应力应变关系曲线.

4 结论

(1)在粉质粘土中掺加石灰，能够有效地提高粉质粘土的抗剪强度，且随掺入比的增大抗剪强度越大，一定范围内效果明显;

(2)通过室内静三轴试验对石灰处置粉质粘土的应力－应变关系进行了初步研究，其应力－应变关系曲线呈现出非线性特征和应变软化特征;

(3)对石灰处置粉质粘土的应力应变曲线进行数值拟合，对上升阶段采用简单的三次多项式，通过比较，曲线离散性较小，三次多项式能满足石灰处置粉质粘土破坏前的应力应变关系.

［1］屈智炯.土的塑性力学［M］.成都:成都科技大学出版社，1987:7－10.

［2］罗志刚.路基与粒料层动态模量参数研究［D］.上海:同济大学，2007.

［3］王天亮.冻融条件下水泥及石灰路基改良土的动静力特性研究［D］.北京:北京交通大学，2011.