二灰改良风积土动力特性试验

张向东，冯胜洋，潘宇

(辽宁工程技术大学土木与交通学院，辽宁阜新 123000)

二灰改良风积土动力特性试验

张向东，冯胜洋，潘宇

(辽宁工程技术大学土木与交通学院，辽宁阜新 123000)

在一系列室内动三轴试验的基础上，研究了二灰(石灰、粉煤灰)改良风积土在不同固结围压、固结比、掺灰比和振动频率条件下的动强度特性。通过试验和计算分析，在力学性质较差的风积土中掺入石灰、粉煤灰，其动强度明显提高，且主要表现为动粘聚力增加。其中，尤以掺灰比(石灰∶粉煤灰∶风干土)10∶20∶70，13∶27∶60的石灰粉煤灰土改良效果更为明显，其饱水动强度相对于素土而言提高近2～3倍以上。随着振动频率的升高，二灰改良风积土动剪应力呈现下降的趋势。

动强度特性;石灰;粉煤灰改良;风积土;试验研究

0 引言

风积土广泛分布于我国的东北、内蒙古、西北等广大地区。研究表明［1］，风积土具有明显的结构性，特别是东北地区的风积土，在季节性冻胀、融沉、荷载和渗流等外部因素作用下，内部结构很容易发生根本性的变化，造成道路大量翻浆冒泥、柔性路面鼓包或开裂、刚性路面断裂和错缝等，给交通行业带来巨大的经济损失。因此，对风积土的改良加以研究，找出提高风积土特性的措施，对现有的工程施工技术加以补充和修正显得尤为重要。用二灰(石灰、粉煤灰)改良土作路基填料，已得到广泛应用，利用其处理不良地基也取得了令人满意的成果，但其在交通动荷载作用下的变形特性和强度特性的研究还很不成熟，理论研究远远落后于工程应用。因此，研究二灰改良风积土的动力特性并将它应用于实际工程中，具有十分重要的现实和理论意义。

1 试验仪器和方法

1.1 试验土样

土样取自辽宁阜新市北方花园附近地表以下2m处，其物理、力学性质如表1所示，具体试验步骤见文献［2］。石灰消解后其有效CaO和MgO总含量为57.6%，超过50%，属III级。试验所用粉煤灰取自阜新热电厂的二级粉煤灰。

将风干的土样过2mm筛并测定其风干含水量，然后按照试验方案中所需的含水量调配成湿土。调制好的湿土放在保湿缸内静置24h，待其内部水分分布均匀后，将土分层灌入试样模(三瓣饱和器)内，每层锤击12～18次，分4层击实，为了使试件层与层之间具有良好的接触形成一体，在一层击实完后要进行刮毛。制作成的试件为直径3.91cm、高8cm的圆柱体。

表1 风积土的物理、力学性质Table 1 Physico-mechanical properties of undisturbed aeolian soil

1.2 试验仪器和方法

根据文献［3］和本文具体情况，分别对素土、10∶20∶70、13∶27∶60、16∶34∶50的石灰粉煤灰改良风积土的动强度特性进行试验研究。主要考虑的因素有固结比(Kc=1、Kc=2)，频率(f=1Hz、f=5Hz)，围压(100kPa、150kPa、200kPa)和掺灰比(素土、10∶20∶ 70、13∶27∶60、16∶34∶50)对其动强度的影响。试验仪器采用北京新技术应用研究所研制的DDS－70微机控制电磁式振动三轴仪。

2 试验结果及分析

2.1 动抗剪强度

一般土的动强度表示为达到某种破坏标准时的振次Nf与作用动应力σd的关系，即σd～lgNf曲线，称为土的动强度曲线［4］。土力学中常用三轴试样在45°面上的剪应力τd表示土的动强度，τd=σd/2。因而土的动强度曲线通常表示为动剪应力曲线τd～lgNf。σd是轴向动应力幅值，Nf为达到某破坏标准时的振动周次。图1为素土在不同条件下的τd～lgNf的关系曲线图。由于篇幅所限，其他二灰改良风积土的τd～lgNf的关系曲线图暂不列出。按照应变破坏标准［5－6］，以动应变εd=5%所对应的振次为破坏振次Nf，从而可以算得各条件下的动剪应力强度τd(表2)。

图1 素土τd～lg Nf的关系曲线Fig.1 The τd～lgNfrelation curve of the plain soil

2.2 动摩尔库仑强度参数

研究表明［7］，摩尔－库仑理论仍然适用于土动力学。根据摩尔－库仑抗剪强度理论，有

在固结比相同的动抗剪强度曲线上分别截取三个不同围压作用下与某一破坏振次相对应的动剪应力τd，由式τd=σd/2，可以确定σd。令σ1d=σ1c+ σd，σ3d=σ3c，σ1c由式σ1c=Kcσ3c确定，σ1d为固结围压，Kc为固结比。所得到的σ1d、σ3d分别为各试样在该固结压力下产生动力破坏的大小主应力。由σ1d、σ3d可以得出一个动摩尔圆，由三个动摩尔圆即可得出它们的动抗剪强度包线，然后由其求在该破坏振次下的动抗剪强度参数cd、φd。由上述方法得到素风积土和掺以不同灰量的石灰、粉煤灰风积土的动抗剪强度参数cd、φd，其计算结果见表3。

2.3 试验结果分析

(1)固结围压σ3c对动抗剪强度的影响

研究表明［8］，当Kc＜K0(K0为达到双向极限平衡条件的固结比)，土体达到破坏标准时，大主应力在水平方向，即土样在拉半周发生拉伸破坏，即

表2 各条件下土动剪应力强度τdTable 2 Dynamic shearing strength τdof soil

表3 素土和石灰、粉煤灰土动抗剪强度指标Table 3 Dynamic shearing strength index between plain soil and lime-flyash-improved soil

式中:Kd=tan2(45°+φd/2)，cd、φd为动抗剪强度参数，σ3c为固结围压，Kc为固结比。土体在拉半周发生拉伸破坏时，由式(4)可知，当KdKc＞1，∂τd/∂σ3c＞0，τd随围压的增加而增加。当KdKc＜1，dτd/dσ3c＜0，τd随围压的增加而减少。

当Kc＞K0，土体达到破坏标准时，大主应力在竖直方向，即土样在压半周发生压缩破坏，即

土体在压半周发生拉伸破坏时，由式(6)可知，当Kd＞Kc时dτd/dσ3c＞0，τd随围压的增加而增加。当Kd＜Kc时，dτd/dσ3c＜0，τd随围压的增加而减少。Kd的大小与动强度参数φd有关，而动内摩擦角φd与土性条件，即土的类别、密实程度和颗粒大小有关。

(2)固结比Kc对动强度的影响

土体在拉半周发生拉伸破坏，式(3)对Kc求偏导，可得

土体在压半周发生压缩破坏，式(5)对Kc求偏导，可得

土体在拉半周发生挤压拉伸破坏时，由式(7)可知，τd随固结比Kc的增加而增加。土体在压半周发生压缩破坏时，由式(8)可知，τd随固结比Kc的增加而减少。

(3)掺灰比对动强度的影响

由上述分析可知，τd主要与围压σ3c，固结比kc，动强度参数cd有关。在围压σ3c，固结比Kc相同的条件下，τd的大小取决于动强度参数cd，即土样性质。图2可看出，随着掺灰比的变化，石灰粉煤灰风积土的动强度参数φd发生了显著改变。掺灰比为10∶20∶70(二灰含量占总量之比为30%)和13∶27∶60(二灰含量占总量之比为40%)的改良风积土动强度有明显增加，配比为16∶34∶50(二灰含量占总量之比为50%)的改良土虽然动强度有所增加，但不如前两种的效果好。

图2 改良风积土掺灰量与cd的关系曲线Fig.2 The relation curve of lime and flyash amount of improved soil with cdwith Cd

(4)频率对动强度的影响

由图3可知，频率对动剪应力的影响因掺灰量的不同而表现略有不同。素土与二灰改良土在f=5Hz时的动剪应力基本小于在f=1Hz时的动剪应力。表现为随着频率的升高，动剪应力呈现下降的趋势。改良后的风积土初期在频率f=1Hz和f=5Hz时，动剪应力基本相等，但随着破坏周次的增加，频率的升高，动剪应力呈现下降趋势。

图3 振动频率不同时的τd～lgNf关系曲线Fig.3 The relation curve of τd～lgNfin different frequency of vibration soil with cd

3 结论

(1)固结条件与土动强度的关系，取决于土的类别、密实度和颗粒大小。辽西地区风积土是一种粘粒含量很少的松散粉质粘土，在固结比一定的情况下，要获得相同的动强度，需要比其他土性较好的土体更大的固结围压。由表3可以看出，石灰、粉煤灰的掺入，显著的提高了风积土的力学性质;

(2)二灰改良风积土动抗剪强度τd主要与围压σ3c，固结比Kc，动强度参数cd有关。在围压σ3c，固结比Kc相同的条件下，τd的大小取决于动强度参数cd，即土体性质。在力学性质很差的风积土中，掺入石灰、粉煤灰能够显著改善风积土动强度，且主要表现在动凝聚力的增加。但是，随着二灰掺入量的增加，改良风积土动强度有下降趋势;

(3)频率对动剪应力的影响因掺灰量的不同而表现略有不同。随着频率的升高，二灰改良风积土动剪应力呈现下降的趋势。

［1］张向东，刘功勋，于崇，等.辽西地区风积土结构特性试验研究［J］.岩土力学，2008，29(3):691－695.

［2］袁聚云.土工试验规范［M］.上海:同济大学出版社，2003.

［3］邱国锋.高速公路二灰土底基层配合比的确定与施工［J］.广州大学学报(自然科学版)，2004.

［4］谢定义.土动力学［M］.西安:西安交通大学出版社，1988.

［5］Sangrey DA，Henkel DJ，Esirig MI.Effective stress response of a saturated clay soil to repeated loading［J］.Canadian Geotechnical Journal，1994，31(5):714－727.

［6］李刚，陈正汉，王权民.最大往返剪切作用面上应变破坏标准的应力条件［J］.岩土力学，2002，23(1):90－92.

［7］谢定义，张建民.极限平衡理论在饱和砂土失衡过程中的引用［J］.土木工程学报，1981，14(4):17－28.

［8］贺建清.石灰改良土路基填料的动力特性及应用研究［C］.中南大学，2005.

Abstract:Based on a series of dynamic triaxial tests，dynamic strength characteristics of lime－flyash－improved soil are researched under the different conditions of confining pressure，consolidation ratio，amount of lime and flyash，frequency of vibration.By means of testing and computational analysis，it shows that dynamic strength of aeolian soil with lime and flyash is obviously improved，mainly for dynamic cohesion.Experiment results show that the improvement effect of lime－flyash soil with the ratio of 10∶20∶70 and 13∶27∶60(lime∶flyash∶air dried soil)is more visible，the saturation dynamic strength of which is improved 2～3 times than that of plain soil.Dynamic shearing strength of lime－flyash－improved soil is decreased along with the improvement of frequency of vibration.

Key words:dynamic strength characteristics;lime－flyash－improved soil;aeolian soil;study

Experimental study on dynamic performance for lime-flyash-improved aeolian soil

ZHANG Xiang－dong，FENG Sheng－yang，PAN Yu
(Institute of Civil Engineering and Transportation，Liaoning Technical University，Fuxin123000，China)

1003－8035(2010)02－0089－05

TU472

A

2009－12－31;

2010－01－22

张向东(1962—)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事土木工程方面的教学与科研工作。E－mail:zhxd2008@yahoo.com.cn