考虑冻融影响的FMLSS动力特性试验

朱一新，顾欢达

（苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州215011）

河道淤泥气泡混合土（简称FMLSS）是由淤泥、水、水泥和气泡按照设定配比混合而成，而且在实际工程中FMLSS的密度和强度均可以通过改变水泥、水和气泡含量来调整[1]。研究发现，FMLSS具有保温隔热好、渗透性小、蠕变小和耐久性好等特点[2]，可用于软基处理、地基填充、窄区施工等特殊工程领域，具有良好的适用性。工程上FMLSS常用于海港或机场回填土、桥梁路基过渡区填土、道路路基填料或换土垫层材料[3-4]。在日本等资源紧缺国家较多使用并且解决了大量的实际工程问题。我国幅员辽阔，各地情况差异明显，在实际工程尤其是季节性冻土地区，作为填土材料的FMLSS不仅要承受包括交通、地震、波浪等动静载荷作用，还可能经受反复冻融环境影响，FMLSS具有高含水及多孔性结构特征，发生冻融时可能导致土中水或孔隙性质改变从而引起其力学性能发生变化。何国杰[5]研究了冻融循环对泡沫轻质土抗压强度的影响，分析了轻质土的冻融破坏特征和冻融破坏机理。董慧等[6]对冻融水泥土进行了无侧限抗压强度试验，并研究了水泥掺量、含水率和密度等因素对冻融水泥土静力学特性的影响。刘增祥等[7]分别从围压、震动频率、养护时间及FMLSS各组成含量（水、水泥、气泡）分析影响FMLSS动变形特性的因素，并总结出含水率及水泥掺量对FMLSS的动力特性有着至关重要的影响。王天亮等[8]采用动三轴试验对水泥及石灰改良土进行了冻融循环后的动力特性研究。钟晓凯[9]研究了冻融与循环荷载作用下污泥固化轻质土力学及其结构特性。

目前，国内外对轻质土在冻融条件下的动力特性影响研究不多，对高含水、大孔隙的轻质土在冻融环境下的性状保持研究更少；再加上河道淤泥组成成分复杂，以其为原料制成的河道淤泥气泡混合轻质土影响因素较多，力学性质较为复杂，故关于河道淤泥气泡混合土的相关研究只是处于起步阶段。因此，基于工程应用目的，合理评价冻融环境下FMLSS的动力特性是非常必要的。

1 试验方法

1.1 试验原料

试验用原料土为苏州市内某河道的清淤淤泥土，根据 《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999）测试其物理性质指标如表1所列。原料土的液性指数2.01，处于流塑状态；塑性指数16.9，属于粉质粘土。

表1 原料土的物理力学性质指标

1.2 配合设计及试样制作

试样配比条件及冻融条件如表2所列，每种配比的试样制作两组平行试样。表中所示的水泥掺量（ωc）、气泡掺量（ωe）均是指水泥、气泡与干土质量之比。试验用水泥为华新厂32.5#复合硅酸盐水泥，发泡剂采用南京大野节能生产的TY复配型发泡剂。试样制备前先将淤泥过5 mm筛去除大颗粒杂质，然后根据配比条件称量一定量的淤泥，加入水泥后用搅拌器搅拌均匀，最后称取制备好的泡沫将其加入料浆并搅拌均匀。将试料装入直径50 mm、高100 mm的模具中。将制备的试样置于温度为20±2℃，湿度≥95%的标准养护箱中养护24 h后取出试样脱模，并用保鲜膜密封，继续养护至设定养护龄期。

表2 FMLSS配比及冻融设计

1.3 试验方法

对完成养护的试样根据《蒸压加气混凝土性能试验方法》[10]按设定条件进行冻融试验，冻融设备为TDS-300冻融试验机。试样在（-10±2）℃冷冻6 h后，冻融机自动注入清水并恒温至（20±5）℃，保持6 h，以此完成一次冻融循环。试样冻融完成后实施动荷载试验，试验仪器为31-WF7015气动式动三轴仪，采用分级逐次加载模式施加动力荷载，加载参数如表3所列。其中，试验过程不固结不排水，采用应力控制加载模式。

表3 动荷载加载参数

2 试验结果与分析

在动三轴试验中，会出现应变累积及残余应变，由不同变形（波动变形、残余变形和综合变形）确定的动弹性模量也会不同。然而大量试验表明在定性上采用不同的变形可以得到相似的变化规律[11]。在此，试验结果中的动应变和动弹性模量均按波动变形确定。

2.1 冻融对FMLSS动力特性的影响

2.1.1 动力特性参数定义

在周期动荷载的作用下，土的动应力-动应变（σd-εd）关系表现为非线性和滞后性，每周应力循环得到一个滞回圈，如图1所示。所有滞回圈顶点的连线，即为动应力-动应变骨干曲线。其动应力-动应变关系[12]可以用双曲线模型进行拟合

图1 典型滞回圈示意图

式中，σd、εd为轴向动应力幅值和轴向动应变幅值，a、b是与试样冻融循环和配比相关的拟合参数，拟合结果显示上述双曲线关系能比较准确地反映FMLSS的动应力-动应变关系。

FMLSS的动弹性模量Ed按式（2）定义，动模量-动应变关系可按双曲线模型进行拟合[12]（见式（3）），结果显示双曲线能比较准确地反映冻融条件下FMLSS在动力荷载作用下动模量-动应力之间相关关系。

式中，Ed是FMLSS的动弹性模量，c、d是与试样冻融循环和配比相关的拟合参数。拟合结果显示双曲线模型能较好地反映FMLSS动模量-动应变相关关系。

2.1.2 冻融对FMLSS动力特性的影响

通过FMLSS的冻融试验发现，以原料土含水率110%试样为例，5次冻融循环前试样表面未发生明显变化，但当冻融循环达到7次时，试样表面出现比较明显的软化剥离现象，如图2所示。

图2 冻融前后试样表面图

图3与图4分别显示了不同冻融循环次数条件下FMLSS试样的σd-εd与Ed-εd关系。根据图示试验结果可以发现，冻融循环次数较少的情况下（冻融循环次数5次以内），冻融环境引起的FMLSS动强度及动刚度衰减比较明显，这与董慧[6]关于冻融水泥土的相关研究结果比较类似。随着冻融循环次数的增加，在动应力σd一定时，动应变εd随冻融循环次数的增加而增大；而当动应变εd一定时，动模量Ed随冻融循环次数的增加而减小。以上试验结果说明，冻融作用导致FMLSS发生劣化，随着冻融次数的增加，这种劣化作用会进一步加深，但变化趋势逐渐收敛。其机理在于构成FMLSS的四相介质（河道淤泥、水、水泥水合物、空气）在冻、融状态下具有不同的热物理性质。温度降低时，淤泥中的土颗粒体积收缩，而水结冰导致体积膨胀。为了限制这种收缩和膨胀，在淤泥和水泥水化物颗粒之间产生了较大的局部拉伸和压缩应力（冻胀力）[13]，这种冻胀力会造成FMLSS内部出现局部损伤破坏。随着冻融循环次数的增加，这些局部损伤破坏区域逐渐扩展并连接形成裂隙；随着这种裂隙不断产生并延伸，导致土体内部结构显著削弱，土体变软，应力波的传播路径减小，传播过程中的能量损耗增加；在冻融条件下FMLSS的动强度及动模量均出现降低的现象，但经冻融后的动弹性模量依然能保持初始动弹性模量的60%以上，说明冻融前后FMLSS都是较好的弹性材料，适用于对变形有较高要求的季节性冻土地区工程中。

图3 不同冻融循环次数下FMLSS的σd-εd关系

图4 不同冻融循环次数下FMLSS的Ed-εd关系

2.2 冻融条件下其他因素的影响分析

根据FMLSS的材料构成特性，原料土含水率、水泥掺入量、气泡掺入量等因素均会对FMLSS的力学性质将产生影响。因此，进一步分析在冻融条件下其他相关因素的影响，则可通过FMLSS的配合优化设计，提高FMLSS的抗冻融耐久能力，改善其在动力荷载作用下的力学性质。

（1）含水率的影响。图5、图6分别表示为在一定的冻融条件下不同原料土含水率FMLSS试样的σd-εd与Ed-εd的试验结果。考察图示结果可以看出，当原料土含水率为120%时，循环冻融5次后试样已无法保持原有形状而不可能继续进行试验。在一定的冻融循环次数及动应力σd作用下，FMLSS的动应变εd随含水率的增加而增加；当动应εd一定时，动模量Ed随着原料土含水率的增加而减小。其次，还可以发现当原料土含水率小于110%时，在一定的冻融循环条件下原料土含水的改变对FMLSS的σd-εd关系影响较小，但当原料土含水率超过110%时，原料土含水率的变化对FMLSS的σd-εd关系影响比较显著。其原因是原料土中含有的水分越多，冻融后发生的冻胀与融陷作用更加明显，在反复多次的冻胀与融陷作用下，作为气泡混合土的骨架受损伤导致FMLSS的强度与刚度下降。而且这种损伤随着土中含水的增加愈加明显。

（2）水泥掺入量的影响。图7和图8为一定冻融循环次数条件下不同水泥掺入量对FMLSS的σd-εd与Ed-εd关系的影响。考察图示结果可得，水泥含量越高，在相同冻融循环次数及σd作用下，εd越小；当εd相同时，Ed随着水泥掺量的增加显著增大。这主要因为加入了水泥作为固化剂后，河道淤泥颗粒被水泥水化物包裹形成胶结连接，增强了土颗粒间的黏结力[14]，并且形成了水泥石骨架。FMLSS受冻融时，水泥石骨架受冻胀力而引起内部结构损伤，导致其强度降低。实际试验过程发现，当水泥掺量为15%时，试样经历3次冻融就发生冻融破坏；而水泥掺量为35%的试样经历5次冻融后仍有较好的动力表现。所以可以得出结论：水泥含量越高，FMLSS抵抗冻融损伤的能力越强。这是因为水泥作为固化剂含量越高，其对FMLSS中原料土的胶结强度明显增加，水泥和土颗粒形成的水泥石骨架趋于稳定，在受到冻融破坏时抵抗试样内部动胀力的能力增大。通过试验可验证这一点，水泥的水化作用产生的胶结物质的影响才是水泥掺量影响的本质[15-16]。

图5 不同冻融循环次数后不同含水率下FMLSS的σd-εd关系

图6 不同冻融循环次数后不同含水率下FMLSS的Ed-εd关系

图7 不同冻融循环次数后不同水泥掺量下FMLSS的σd-εd关系

图8 不同冻融循环次数后不同水泥掺量下FMLSS的Ed-εd关系

（3）气泡掺入量的影响。FMLSS中的气泡掺入量对FMLSS密度影响较大。经FMLSS的密度统计分析可知，当FMLSS中的气泡掺入量从1%增加到3%时，FMLSS平均密度从1.51 g/cm3降低到1.33 g/cm3，密度降低了约12%。由图9、图10所示的试验结果可以看出，在一定的冻融循环次数及动应力σd作用下，随着气泡掺入量的增加动应变εd增大；当动应变εd相同时，Ed随着气泡掺入量的增加而减小。另外，在一定的冻融循环次数条件下，当气泡掺入量由1%减少到2%时，虽然FMLSS密度显著降低，但FMLSS的σd-εd与Ed-εd关系并没有显著变化，经5次冻融循环后关系曲线几乎重合，但3%气泡掺量的FMLSS试样受冻融后损伤较明显，FMLSS动强度及动模量均出现明显下降。由此可知，适当增加气泡有利于减小FMLSS密度，但FMLSS抵抗冻融破坏存在临界气泡掺量[5]。当FMLSS中气泡掺量大于临界值时，FMLSS孔隙增加明显，FMLSS在受反复的冻胀与融陷后，更容易造成孔隙相互贯通，导致内部结构被破坏，降低了FMLSS的强度与刚度。

图9 不同冻融循环次数后不同气泡含量下FMLSS的σd-εd关系

图10 不同冻融循环次数后不同气泡含量下FMLSS的Ed-εd关系

3 冻融损伤的数学模型

从FMLSS受冻融循环后的动力特性看，冻融循环对FMLSS有一定的影响，利用一定的数学手段来建立冻融对FMLSS损伤的模型，对季冻区工程应用有着非常重要的意义。根据损伤力学基本理论，参考魏海斌[17]对粉煤灰土的抗冻性与寿命预测模型研究，用相对动弹性模量来表征FMLSS经冻融循环后的动模量损伤度S，定义为式（4）。其中，FMLSS冻融后剩余动模量越小，意味着冻融损伤程度越大。

式中，S为冻融损伤度；En为n次冻融循环后的剩余动模量；E0为未冻融前的动模量。其中En、E0为（3）式中εd趋于0时的值。

以气泡含量为2%、水泥含量25%、含水量110%的典型配比为例，分别施加0、1、3、5、7、9次冻融循环，并进行分级加载试验，所得结果利用（3）式拟合。相关拟合参数如表4所列。

表4 拟合参数表

建立数次冻融后FMLSS的动弹性模量和冻融循环次数的数学模型，为式（5）所示双曲线模型[17]。

式中，a、b为试验常数；n为冻融循环次数。

将En/n定义为动弹性模量衰变速率，则n/En为动弹型模量衰变度，即

从式（6）可以看出，动弹性模量衰变度与冻融循环次数正相关，从而将双曲线模型转化为线性模型。利用式（6）将上述试验结果进行拟合，如图11所示，斜率为0.074 62，截距为-0.044 74。图12为试验所得剩余动模量与模型拟合所得剩余动模量对比图，从图中可以看出数学模型拟合值与试验值比较吻合，可以预测FMLSS每次冻融后土体剩余动弹性模量。

图11 动模量衰变度分析曲线

图12 剩余动模量与冻融循环次数的关系

将式（5）带入（4）中，可得冻融损伤度S为

表5为试验结果与数值拟合结果求得的损伤度。由表中结果可知，将 （7）式定义为每次冻融循环后FMLSS的动弹性模量损失度的数学模型，用FMLSS未冻融前的动模量与其经历冻融循环次数来反映每次冻融后FMLSS的动弹性模量损失度，可以较准确的评估每次冻融循环后FMLSS的动力性能指标及冻融循环对FMLSS使用寿命的影响，以判断其在季冻区实际工程中的使用寿命。根据预测结果及变化趋势可以发现，冻融循环对FMLSS的前期冻融影响较大，尤其是经历三次冻融循环后，预测损伤度达到56.4%，而7次冻融后动力特性基本保持稳定，以较低的速率缓慢下降。

表5 试验结果与用数值拟合结果求得的损伤度

4 结论

（1）经冻融作用后的FMLSS的σd-εd与Ed-εd关系均符合双曲线模型；（2）冻融环境对FMLSS的动强度及动模量均产生影响，尤其是在冻融次数较少的冻融循环初期，冻融引起的动力特性参数衰减比较明显；（3）相比于气泡含量，原料土含水率较大或水泥掺量较小时，FMLSS受冻融损伤明显，即含水率和水泥掺量是影响FMLSS抗冻融性能的主要因素；（4）FMLSS的Ed-εd关系曲线为上凸的衰减型，即使在经受冻融后，Ed仍能保持较高的水平，FMLSS仍显示较好的弹性性质，可适用于对变形有较高要求的季节性冻土地区工程中；

（5）并建立的冻融损伤的数学模型，能较准确的反映评估每次冻融循环后FMLSS的动力性能指标及冻融循环对FMLSS使用寿命的影响。