粉煤灰改良膨胀土动弹性模量与阻尼比试验研究

2022-05-07庄心善周睦凯

湖北工业大学学报 2022年2期

孟靖，庄心善，周睦凯，周荣

(湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北武汉 430068)

膨胀土被称为世界工程中的“病症”，是一种主要成分为蒙脱石、伊利石与高岭石的粉质粘土。由于膨胀土广泛分布且易于采集，使其在建筑，铁路，高速交通道路等领域大量应用。此类土体由于具有吸水膨胀，失水收缩的特性，会在季节性地区引起较为明显的建筑物沉降与破坏。为了减少此类土体特性带来的损失，可以掺入掺料来改变土体的性质，改善土体内部构造，降低变形能力。国内外许多土力学者对膨胀土特性进行了大量的研究[1-10]，Hardin[1]对膨胀土阻尼与剪切模量公式进行了定义，鄢黎明[8]等向膨胀土中掺入粉煤灰进行改良，进行不同天数的养护，研究表明粉煤灰能有效抑制膨胀土的膨胀性，养护龄期与抗压强度呈乘幂关系。庄心善[9]采用粉煤灰—玄武岩纤维改良膨胀土，得出玄武岩纤维在定量粉煤灰掺量下对膨胀土的影响规律，黄勇杰[11]等采用风化砂对膨胀土进行改良，结论表明风化砂可以提升膨胀土的动弹性模量及阻尼比，毛成[12]等采用石灰等改性膨胀土，对比在重复荷载与永久变形下素膨胀土与改性后土体动弹性模量与阻尼比变化，结论表明改性后土体各方面性能均有提升。

综上所述，目前对于改良膨胀土大多针对于改良后膨胀特性以及物理力学性能进行研究，但对粉煤灰改良土体动力特性研究甚少，因此，本文采用不同掺量粉煤灰对膨胀土进行改良，通过GDS真三轴仪对养护7天不同掺量的膨胀土进行分级加载荷载来研究其动力特性，通过分析滞回曲线数据来计算土体动弹性模量、阻尼比等物理性质与土体动应变关系的作用规律。

1 试验简介

1.1 试验土体

膨胀土选用自安徽合肥某高速公路工程，呈浅褐色，根据国家标准及试验规范，自由膨胀率试验测得土样的自由膨胀率为46%，塑性指数为38，参考《膨胀土地区建筑基础规范》(GBJ112-87)，定义此类膨胀土为弱膨胀土。具体参数如表1所示。

表1 膨胀土物理性质

1.2 试验材料

粉煤灰取自河南某新材料有限公司，检测具体成分含量为二氧化硅45.1%，三氧化二铝24.2%，含水量0.85%，氯离子0.015%，氧化钙5.6%，烧失量为2.8%，铁含量0.85%，定义此类粉煤灰为F类粉煤灰。

1.3 试验仪器

试验仪器为GDS真动三轴仪(图1)，不同于传统三轴仪，该仪器中增加计算机控制与分析系统，实现控制精度高且数字化操作的优点，使得测量系统能够精准向压力室施加轴向力、围压、反压，准确测量土体的孔压、轴向应力、形变量等并实时记录数据，通过GDS真动三轴仪可以开展饱和土或非饱和土的各种应力试验。

1-围压和反压传感器；2,7-作动器；3-荷重传感器；4-安全制动按钮;5-电源箱；6-可选LVDT或者高精度proximitor升级图 1 GDS真动三轴仪

1.4 试样制备

根据《土工试验方法标准》(GB/T50123-2019)采用高100 mm，直径为50 mm的规范圆柱体模具进行土样制备，以最佳含水率进行土样重塑；设置粉煤灰掺量[7-8]分别为0，5%，10%，15%，按表2方案制作，每组4个试样，3组共12个，击实试样时分5层，按每层2 cm进行击实且每层土击实次数不低于25次，分层处凿毛刮平，制备完成后将试样静置1 d，待粉煤灰颗粒与膨胀土充分反应，再将试样放入饱和器内抽气真空饱和8 h来排净重塑试样土体间隙的气体，并在标准温度恒温箱下养护7 d。

表2 试验方案

1.5 试验方案

根据现场勘查以及土体取样深度，确定试验围压为50、100、150 kPa。将在标准环境下养护7 d的试样取出，装进GDS真三轴仪使用反压装置对土体进行饱和，待饱和度Sr达到0.95时，再按设计方案施加围压与轴压进行排水固结7 h，待排水固结完成，采用频率f=1 Hz的正弦波的应力幅值加载方式，如图2所示，其中OA为施加轴向力阶段，OB为施加围压固结阶段，BC为动力加载过程。正弦波加载公式如下：

σd=σs+σmsin(2πft)

(1)

式中：σd为动应力值，σs为起始动应力值，σm为动应力幅值，f为荷载频率，t为加载时间，将动应力幅值从初始阶段分20级逐次加载，每级提高10 kPa动应力幅值，并循环振动10次，每振级取10圈滞回曲线，当轴向形变达到5%时，视为土体破坏，但不中止试验，直至20阶段全部加载完成，具体试验方案如表2所示。

图 2 正弦波荷载加载方式

2 试验结果及分析

2.1 膨胀土动弹性模量变化规律

每个振级震动10次，获取10圈滞回曲线，每个振级中第i圈滞回曲线动弹性模量计算公式：

(2)

每个振级平均滞回曲线模量计算公式：

(3)

式(2)中:Edi为第i圈滞回曲线动弹性模量值，σdimax为第i圈滞回曲线最大动应力，σdimin为第i圈滞回曲线最小动应力，εdimax为第i圈滞回曲线最大动应变，εdimin为第i圈滞回曲线最大动应变。

分别获取十圈滞回曲线中各项动应力与动应变数据，计算对应动弹性模量，将十圈动弹性模量相加并取平均值以减小误差。计算公式如式(3)所示。计算土体动弹性模量并绘制出Ed-εd曲线。

图 3 某一个周期动荷载产生的滞回曲线

(a)σ3=50 kPa

(b)σ3=100 kPa

(c)σ3=150 kPa图 4 动弹性模量-动应变曲线

由图4可知，在不同围压以及不同掺量的条件下，动弹性模量随着动应变皆呈现先急剧增大至一个峰值后再快速下降并逐渐趋于平缓的过程，当0.5%<εd<1%时，土体主要处于弹性形变阶段，塑性形变较小，土体回弹性能良好，导致Ed急速增大并快速达到峰值，随着动应变增大，部分土体进入塑性形变阶段，引起土体抵抗变形能力减弱，Ed快速减小，当3%<εd<5%时，Ed减小的速率降低并逐渐趋于平缓，该曲线走势说明土体发生应变硬化，改良土刚度提升。

由图4可得，在围压为50、100、150 kPa的情况下，10%掺灰率对比素土的Edmax分别提升了110.4%、60.9%、79.6%，可见动弹性模量及峰值受围压影响明显。

由图4c可知，在150 kPa围压下，土体压缩已较为密实，改良膨胀土动弹性模量明显高于素土，10%掺灰率的Edmax为119.5 MPa，相较于素土66.5 MPa提升了79.6%，但15%掺灰率的Edmax为115 MPa，对比10%掺灰率Edmax反而降低了3.9%，说明动弹性模量随着掺灰率的提高先增大后减小。在各项加载条件相同情况下，掺粉煤灰可以明显提高土体强度，但5%的掺灰率改良土由于包含离子成分明显不足，导致土体间的离子反应与颗粒胶结作用不够明显，所以低掺量的土体Ed值提升不显著。15%掺灰率的土体动弹性模量在各个围压下均小于10%掺灰率土体，因为粉煤灰在微观下是许多空心球状颗粒[12]，过多的粉煤灰颗粒致使土体缺乏足够的水分子进行电离，抑制了土体内部的离子反应，多余粉煤灰颗粒在土体内部形成粉煤团状物，但粉煤灰本身强度较小，当受到外力荷载时，这些脆弱结构会先被破坏，进而降低试样动弹性模量，导致15%掺灰率土样的Ed小于10%的土样。

总结数据可知10%掺灰率膨胀土对动弹性模量提升效果优于15%掺灰率，根据本次试验结果可认为10%掺灰率为最佳掺量。

2.2 膨胀土阻尼比变化规律

膨胀土的阻尼比λ是指在周期性动荷载下衡量土体在振动下吸收能量的参数。

阻尼比λ为阻尼系数C与临界阻尼比系数Cr之比：

(4)

其中,能量损失数ψ的公式为一次循环振级所消耗能量△W与该振级总能量W之比：

ψ=△W/W

(5)

如图3所示，该振级所储存总能量W为滞回曲线最大动应力σdimax、最大动应变εdimax与原点所围成三角形OAB面积：

(6)

滞回曲线面积为一次循环荷载消耗能量ΔW。

阻尼比λ公式为：

λ=(1/4π)·(△W/W)

(7)

取每个振级下第5～8圈滞回曲线计算，绘制同掺量下阻尼比-动应变曲线，如图5所示。

(a)掺灰率=0%

(b)掺灰率=5%

(c)掺灰率=10%

(d)掺灰率=15%图 5 阻尼比-动应变曲线

由图5得知，在不同掺量与不同围压情况下，λ-εd曲线与Ed-εd曲线呈现出完全相反的走势，在应变初期，由于土体尚处于弹性形变阶段，土体阻尼比值非常高，随着动应变增大先急剧减小然后逐渐增大后直至稳定。

通过对比不同掺量下阻尼比-动应变曲线走势，可以发现不同加载围压与不同掺量的土体均在0.5%<εd<1%时取得λmin，此时滞回曲线面积变化较大，每振级循环消耗能量不断加大，所以阻尼比变化幅度较大，在动应变范围为3%<εd<5%时对应的滞回曲线面积数值相近，此时每循环振级所消耗能量几乎不变化，阻尼比值已趋于稳定。

相同掺量的土样阻尼比λ随着围压的增大而增大，围压每增大50 kPa，阻尼比值提升5%～10%，因为随着围压增大，粉煤灰颗粒可以更加紧密的填满膨胀土体内的颗粒间隙，从而降低孔隙率，使土体结构密实，整体阻尼比值升高。

由图5总结可知，εd>4%后，土体阻尼比值均已接近稳定值，围压为50 kPa时，所有试样的阻尼比值均处于20%～30%。在围压为100 kPa时，所有试样的阻尼比值均处于25%～35%，在围压为150 kPa时，所有试样的阻尼比值均处于35%～40%，可见粉煤灰掺量对阻尼比的影响不明显。