MSWI混合土在动力荷载作用下的变形特性试验研究

顾欢达，李 翠，薛国强

(1.苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011； 2.常熟市住建局，江苏 常熟 215500)

MSWI混合土在动力荷载作用下的变形特性试验研究

顾欢达1，李 翠1，薛国强2

(1.苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011； 2.常熟市住建局，江苏 常熟 215500)

基于MSWI在道路基层中的有效利用目的，利用室内反复动力载荷试验方法对MSWI混合土的变形特性进行试验研究。试验结果表明：在合理的配合条件下，与水泥土或压实素土相比较，MSWI混合土在减小反复动力荷载作用下的累积塑性变形、弹性变形等方面具有良好的效果，从而有利于提高路面抵抗疲劳破坏的能力及改善道路耐久性能。

道路工程； 焚烧炉渣；混合土；反复动力荷载；累积塑性变形，弹性变形

0 引 言

随着城市化进程的快速发展，生活垃圾处理已成为城市发展过程中亟待解决的问题。由于环境要求或容量等原因，以往采用的填埋处理方式已受到严重的制约。为此，生活垃圾减量化及再生利用技术受到重视，其中焚烧技术是目前正在各地推广使用的技术。垃圾焚烧过程不仅可回收热能发电，所产生的副产物飞灰及炉渣都可以回收利用。生活垃圾焚烧炉渣(简称MSWI)再生利用的一个重要途径就是利用炉渣的集料性质替代砂石料作为道路基层材料使用。

为探讨MSWI作为道路基层材料的适用性，陈德珍等[1]以上海浦东国际机场北通道工程试验段为研究对象，利用生命周期系统分析方法对用MSWI作为基层材料的道路与一般碎石基层道路进行了对比分析；解建光等[2]，何品晶等[3]对MSWI替代部分集料制成灰渣道路基层材料，研究其干密度、含水率、干缩性及溶出性等物理化学性质；许四法等[4]主要采用室内试验及电镜扫描等方法，探讨MSWI物理状态指标随时间的变化特性；石爱娟等[5]主要从MSWI的级配组成等物理特征考察其作为道路基层材料的适用性。M.Q.IZQUIERDO等[6]研究了MSWI集料的溶出性、微观特征及作为道路基层材料的力学性质。根据国内外对MSWI再生利用的研究现状，主要是对MSWI作为道路基层材料应用时的材料特性及环境影响等开展了多方面的研究。根据工程实际使用情况，在很多情况下路面发生的破损、开裂、车辙及其他疲劳损坏现象主要与基层材料在交通荷载反复作用下发生的变形性状相关。近年来，考虑动力荷载作用下的路基变形特性，国内外针对不同路基土材料开展了多方面的研究。黄博等[7]利用动力荷载试验考察了不同地区软黏土在动力荷载作用下的变形特性及相关因素的影响；杨坪等[8]结合列车运行的荷载特征，考察了粉质黏土路基在动力荷载作用下的动应变、动强度特性。对于道路及铁道工程中常用的混合土在交通荷载作用下的力学性质，张淑坤等[9]研究了电厂炉渣水泥混合土在动力荷载作用下的动弹性性质；段俊彪[10]研究了在铁道基床采用水泥及石灰处理土在列车动力荷载作用下的动力特性；贺建清等[11]对低掺量水泥土在循环荷载作用下的变形特性进行了研究。综上对于交通荷载作用下路基土的动力特性研究，主要是针对在实际工程常见的原状土或一般的水泥及石灰混合土。

由于生活垃圾焚烧技术是国内近年来引进的垃圾减量技术，对于其副产物即MSWI综合有效利用技术的探讨是目前正在积极探索的课题。由于MSWI的集料特征及焚烧炉渣的材料性质有别于常见的粉煤灰或电厂炉渣，将其用于公路或市政道路工程中，除了需要了解其一般的材料特性及环境影响外，更应该考虑公路或市政道路在承受交通荷载长期作用下对基层变形的稳定性要求。由于国内将MSWI用于道路工程的历史较短，而且目前很多工程应用仍然属于试验性质，作为集料或混合料用于道路工程的相关研究为数不多。尤其是考虑交通荷载的荷载特征，研究考察MSWI混合土在交通荷载作用下的动力特性及变形的长期稳定性等相关研究仍然比较少见。

为了促进MSWI在道路工程中的应用，需要考虑公路交通荷载的作用特征，进一步研究考察MSWI作为道路基层材料的适用性。在此，通过动力试验方法研究考察MSWI混合料在交通动力荷载作用下的变形特性，不仅可以掌握MSWI混合土在交通荷载作用下的变形特性，而且可以为MSWI在道路工程中的应用提供理论依据。这对于拓展MSWI的工程应用及提高道路工程质量都具有明显的积极意义。

1 试验方法

1.1 试验原料及试样制备

试验原料所用的MSWI先用2 mm筛过筛，将筛下集料再进行粉碎处理，未粉碎处理的2mm以下集料作为粗粒料使用。原料土采用黏性土，通过重型击实试验得到最大干密度2.113 g/cm3，最优含水率13.8%。物理指标及颗粒级配情况见表1。根据GB 50021—2009《岩土工程勘察规范》土的分类方法，该土属于级配良好的粉质黏土。采用325普通硅酸盐水泥作为固化材料。

表1 混合土的物理指标及颗粒级配

注：编号M4*配合中的MSWI为2 mm以下粗粒料。

原料土、MSWI及固化剂按表2所示配合条件进行充分混合后，根据试验最大干密度的95%设定试样密度，称量后分5层将混合料装入φ50×100 mm圆柱形钢模具内成型，脱模后将试样置于20 ℃恒温恒湿条件下养护。考虑土体材料性质的离散性影响及测试数据的可靠性，每个配合条件并行制作3个土样，并在同样的条件下实施养护及试验。

表2 试验配合条件

1.2 试验方法

动力载荷试验采用动三轴试验仪。设计最大轴向荷载10 kN，最大围压1 MPa，最大加载频率10 Hz。试验过程中的加载方式考虑道路基层交通荷载的作用特征，设定动力荷载加载波形为半正弦间歇波，加载频率1 Hz，一个加载周期内加载时间0.1 s，间歇时间0.9 s。考虑MSWI混合土在道路工程中主要作为道路基层材料加以利用，受路面交通荷载作用影响较大。在加载过程中，动力荷载应力水平考虑混合土的强度特性及作为道路基层材料在交通荷载作用下的应力状态，选择设定最大轴向动力荷载约为140 kPa。同时，为了考虑在动力荷载作用下混合土材料变形的应力状态相关性，反复动荷载试验中设定了50，100，200 kPa三个不同的围压水平进行试验。图1为反复加载试验过程中所得到的应力应变响应，并根据试验结果测定计算加载过程中的应力应变值。为了考察达到稳定状态时的变形特性，每个试样按一定的应力水平反复加载20 000次。

图1 反复动力荷载作用下的应力-应变响应Fig.1 Stress-strain response under cyclic dynamic loading

2 试验结果与分析

2.1 变形特性分析

作为道路基层材料在交通荷载反复作用下所发生的变形中，包括可以恢复的弹性变形与不可恢复的塑性变形。其中与路面开裂、沉陷及车辙等疲劳破坏现象密切相关的主要是反复动荷载作用下发生的累积塑性变形量。因此，考察MSWI混合土作为道路基层材料的适用性及耐久性，除了材料强度发挥应满足道路基层材料要求外，更主要的是考察其在交通荷载作用下的变形特性，尤其是累积塑性变形的发展及变化规律。

图2为累积塑性变形与反复动荷载加载次数之间的相关关系。

图2 累积塑性变形与反复加载次数之间的关系Fig.2 Relationship between accumulative plastic deformation versus and the times of cyclic loading

由图2可见，在设定围压σ3=50 kPa，反复作用轴向动荷载Δσ1=140 kPa左右的条件下，累积塑性变形的发展可以分为3个阶段。在加载次数N<1 000的初始阶段，塑性变形快速增长，变形主要受试样端面接触及土骨架剪切变形影响。在1 0005 000的稳定阶段，累积塑性变形基本保持稳定，说明在该阶段反复动荷载作用下产生的变形以弹性变形为主，而塑性变形很小。根据配合试验所采用不同试样的试验结果对比可以看出，素土的塑性变形要明显大于水泥土或混合土，而水泥土的累积塑性变形要略大于混合土，说明以部分MSWI细粒成分替代部分黏性土构成的混合土，对于减小材料变形及提高道路基层耐久性水平是有效的。

进一步观察累积塑性变形与加载次数N的相关关系，其变化规律可用双曲线函数关系进行拟合。设累积塑性变形εp(N)与加载次数N之间符合以下关系：

(1)

式中：εp(N)为对应于加载次数N的累积塑性变形；εp(N0) 为对应于指定加载次数N0时的累积塑性变形；a，b分别为根据试验结果确定的试验定数。

实际用最小二乘法进行拟合时，取N0=1 500，拟合结果见图2中虚线所示的趋势线。可以发现按式(1)拟合的趋势线能比较准确地反映累积塑性变形随加载次数N的变化规律。

根据式(1)所示的变化规律，假设加载次数N趋于无穷的情况下，累积塑性变形趋于最终累积塑性变形εp(ult)，则根据上述关系可以得到

(2)

利用式(2)的结果，可以得到对应于图2三种不同试样的最终累积塑性变形分别为：混合土εp(ult)=0.101%，水泥土εp(ult)=0.144%，素土εp(ult)=0.218%。同样可以看出混合土的最终累积塑性变形量要明显小于素土或水泥土，显示混合土具有较好的抵抗塑性变形能力。

根据图3显示的弹性变形及总变形随加载次数N的变化趋势，可以看出在反复动荷载的作用下，混合土与水泥土的弹性变形比较接近，而素土的弹性变形明显大于前者。而且，混合土或水泥土的弹性变形随加载次数N的增大略呈减小趋势并逐渐趋于稳定，而素土的弹性变形不仅明显大于混合土或水泥土，而且弹性变形随反复加载次数N略呈增大趋势。总变形的变化趋势则类似于累积塑性变形，同样显示混合土具有更好的抵抗变形能力。

图3 总应变及弹性应变与反复加载次数之间的关系Fig.3 Relationship between total strain and elastic strain versus and the times of cyclic loading

2.2 塑性能量耗散评价

根据能量平衡的概念，在动力荷载作用下发生弹性变形时，在加载与被加载体系内能量是平衡的。而在发生塑性变形的情况下，则外力作用下克服塑性变形所消耗的能量不可恢复，该部分能量可以称为塑性能量耗散。对于不同材料，其塑性能量耗散越大，则表示材料抵抗塑性变形能力越低，发生疲劳破坏可能性越大。假设在动荷载加载条件下，一次加载过程中发生塑性应变与加载应力之间存在关系：

σ=f(εa)

(3)

式中：σ为加载应力；εa为与加载应力对应的塑性应变。

根据塑性能量耗散的概念，在一次加载过程中发生塑性应变εa的情况下，则一次加载的塑性能量耗散为

(4)

式中：ΔWp为一次加载由于塑性变形εa所发生的塑性能量耗散。

为简化起见，假设塑性应变与加载应力之间存在线性关系且通过原点，则上述积分就是由加载应力与塑性应变所围三角形面积：

(5)

在反复加载条件下，多次加载所产生的累积塑性能量耗散为

(6)

若反复加载是在同样的应力水平下进行的，则可以得到

(7)

定义累积塑性变形为

(8)

可以得到反复多次加载后的总塑性能量耗散，即为累积塑性应变与加载应力值的乘积：

(9)

利用上述概念可以根据塑性能量耗散的方法对不同土料在反复动荷载作用下的变形特性进行评价。表3为不同土类在围压σ3=50 kPa，反复作用轴向动荷载Δσ1=140 kPa左右的条件下的塑性能量耗散结果。

表3 塑性能量耗散

由表3可见，从塑性能量耗散角度考察，以MSWI细粒成分制成的M2配合混合土具有比较小的塑性能量耗散值，水泥土与之比较接近但仍大于M2配合混合土。素土塑性能量耗散明显较大，说明与掺入水泥的化学处理土相比较，在反复动力荷载作用下的素土会发生比较大的累积塑性变形。而以粗粒料成分制成的M4配合混合土也呈现比较大的塑性能量耗散值。以上结果说明，从抵抗反复动力荷载作用下塑性变形效能上看，以细粒料成分替代部分原料黏性土制成的混合土在抵抗塑性变形能力上具有比较好的效果，以其作为道路基层材料使用时应具备更好的耐久性能。

2.3 应力状态影响

对于位于不同深度的道路基层材料，其所处的应力状态并不相同。为了考察不同应力状态对反复动力荷载作用下混合土变形特性的影响，在试验过程中改变围压条件进行试验。试验过程中轴向动荷载仍按Δσ1=140 kPa左右设定，最大平均应力按反复加载10 000次以后的稳定阶段平均值取值，并按式(10)计算：

(10)

图4为不同土样累积塑性应变与加载过程中最大平均应力之间的关系。由图4可见，在相同的最大平均应力条件下，M2配合混合土发生的累积塑性变形较小；M4配合混合土累积塑性变形量虽然与M2配合混合土比较接近，但总体上要大于M2配合混合土；而素土的累积塑性变形要明显大于前两者。随着最大平均应力的增大，M2及M4配合混合土累积塑性应变均呈减小趋势，这是由于围压增大后土体侧向变形受到限制，使得轴向塑性变形相应减小。但是与M2及M4配合混合土相比，素土的强度及刚度较小，在试验所采用的围压范围，围压提高对减小轴向累积塑性变形的效果并不明显。

图4 累积塑性变形与最大平均应力的关系Fig.4 Relationship between accumulative plastic deformation versus and max average stress

根据同样原理，可以进一步考察应力状态对土体弹性变形的影响(图5)。由图5可见，在相同的最大平均应力条件下，M2及M4配合混合土弹性应变比较接近，而素土弹性应变明显大于前两者。在增大围压的情况下，试验所用的不同土类均显示随着最大平均应力的增大弹性应变减小的趋势。

图5 弹性变形与最大平均应力的关系Fig.5 Relationship between elastic deformation versus and max average stress

由于塑性能量耗散直接与累积塑性应变与加载应力相关，在保持加载应力基本一致的条件下，塑性能量耗散与最大平均应力的相关性与累积塑性应变是基本一致的(图6)。根据上述试验结果分析可以进一步说明以部分MSWI细粒成分替代原料黏性土对于减小土体的弹塑性变形具有比较明显的效果，而且随着平均应力增大效果更加明显，从而有利于提高道路基层材料抵抗变形能力及在交通荷载作用下的耐久性能。

图6 塑性能量耗散与最大平均应力的关系Fig.6 Relationship between total plastic energy dissipation versus and max average stress

2.4 配合条件影响

为了考察MSWI掺入量对混合土在反复动力荷载作用下变形特性的影响，配合试验中考虑了M1～M3三种不同的配合条件(见表1)。根据MSWI掺入量的不同，图7为累积塑性应变与掺入量的相关性。从图7可以看出，在围压比较小的条件下，M2配合混合土与M1及M3配合混合土相比较，累积塑性变形相对较小，但是在比较高的围压条件下，不同配合混合土之间发生的累积塑性变形差异并不显著。同样，从图8所示的弹性变形与MSWI掺入量之间的相关性观察，与累积塑性变形类似。显示在较低围压条件下，M2配合混合土呈较小的弹性变形，但是在较高围压条件下，不同配合混合土的弹性应变差异不大。根据上述试验结果，可以认为在较低的围压条件下，由于周围压力对土体的拘束力较小，反复动荷载作用下发生的轴向弹塑性变形主要与土体本身的刚度相关，此时，在M2配合条件下，掺入原料黏性土中的MSWI细粒成分能比较有效地改善土的级配质量，使得土体内固体颗粒更易于密实并有利于水泥固化效果的发挥，使得M2配合试样具有较高的抵抗弹塑性变形能力。但随着围压的增大，周围压力对土体的拘束作用也随之提高，当围压作用控制土体变形的影响超过MSWI掺入量的影响时，MSWI掺入量对混合土弹塑性变形的影响就不再显著。由此，可以认为在实际工程中可通过配合设计设定合理配合条件，使得混合土在反复动力荷载作用下具有较高的抵抗弹塑性变形能力。

图7 累积塑性变形与MSWI掺入量的关系Fig.7 Relationship between accumulative plastic deformation and versus MSWI content

图8 弹性变形与MSWI掺入量的关系Fig.8 Relationship between elastic deformation versus and MSWI content

3 结 论

根据试验研究及分析，得到以下结论：

1)将MSWI替代部分原料黏性土制成的水泥基混合土作为道路基层材料使用，不仅可促进固体废弃物的有效利用，而且在考虑承受反复作用的交通荷载作用下，抵抗弹塑性变形能力要优于水泥土或压实素土，从而有利于减小路面变形，提高道路抗疲劳破坏的能力。

2) 由于MSWI本身具有一定的活性成分，以比表面积更大的细粒成分掺入原料土中制成混合土，比以粗粒成分掺入更有利于混合土强度发挥，从而可更有效地减小混合土在反复动荷载作用下的累积塑性变形。

3) 在试验所采用的围压条件下，当围压增大使得反复载荷过程中平均应力提高的情况下，土体的弹塑性变形减小。与压实素土相比较，MSWI混合土在平均应力提高条件下弹塑性变形减小的趋势更加明显。

4) 根据MSWI掺入量对混合土弹塑性变形的影响分析，对于减小MSWI混合土在反复动荷载作用下弹塑性变形，MSWI掺入量存在合理掺入比。在实际工程中根据配合比试验确定合理掺入比进行设计，可有效提高MSWI混合土抵抗弹塑性变形的能力。

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Deformation Properties of MSWI Mixed Soil under Cyclic Dynamic Loading

GU Huanda1, LI Cui1, XUE Guoqiang2

(1. School of Civil Engineering, Suzhou University of Science & Technology, Suzhou 215011, Jiangsu, P.R.China; 2. Bureau of Housing & Urban-Rural Development of Changshu, Changshu 215500, Jiangsu, P.R.China)

Based on the effective utilization of MSWI in road base course, a series of cyclic dynamic loading tests in laboratory were carried out in order to evaluate the deformation properties of MSWI mixed soil. It is indicated by test results that: MSWI mixed soil does well in reducing the accumulative plastic deformation and elastic deformation of under cyclic dynamic loading with reasonable mixing ratio of MSWI, comparing with cement treated soil or compacted soil. Thereby, MSWI mixed soil can be expected to improve the performance of resistant ability in fatigue damage or the durability of road.

highway engineering; incineration residue; mixed soil; cyclic dynamic loading; accumulative plastic deformation; elastic deformation

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.03.08

2014-12-18；

2015-03-16

国家自然科学基金项目(51378327)

顾欢达(1958—)，男，江苏无锡人，教授，博士，主要从事软土地基处理技术及原理方面的研究。E-mail：ghdgx@163.com。

U412.36

A

1674-0696(2016)03-038-05