水泥-玄武岩纤维改良泥炭质土滞回曲线变化规律研究

王卓， 屈俊童， 刘超， 张翔， 朱云强

（1.云南大学建筑与规划学院，昆明 650504；2.潍坊金科建设投资有限公司，山东 潍坊 261000）

0 引言

泥炭土（泥炭和泥炭质土的统称）是由有机质残体、腐殖质和矿物质组成的特殊土，在我国主要分布在四川、云南、甘肃、黑龙江、吉林等省份。昆明滇池流域地处云贵高原，受高原气候和湖泊沉积，在滇池周围地区形成了深厚的泥炭质土层。随着昆明市大力发展基础设施建设，许多深基坑工程及地铁地下工程等都会不可避免地遇到泥炭质土层这种软弱地基上，给相关工程建设带来许多难题。目前国内外学者对泥炭质土的物理力学性质、加固改良展开了相关的研究。目前，国内的研究大都基于静力学方面，土在动荷载作用下的试验表明，在周期荷载下，土的动应力-动应变关系一般具有三个基本特点：非线性，滞后性和应变累积性［1］。这与土在静荷载下的力学特性有明显区别，因此有必要对土体进行动力学方面的研究。Boulanger［2］研究了加载频率、应力历史、土体结构性等对加州泥炭质土动力特性的影响。Wehling［3］在Boulanger的基础上继续研究了固结应力、加载频率对泥炭质土的剪切模量、阻尼比的影响关系。Kishida［4］的研究表明有机质含量和有效固结应力对泥炭质土的动力特性影响很大，尤其是有机质含量的影响更大。黄娟［5］进行了不同围压、固结比、加载频率等条件下的昆明泥炭质土分级加载动三轴试验，对滞回曲线的变化规律进行了定量分析。陈成［6］对不同围压、动应力幅值以及静偏应力影响下的昆明泥炭质土进行动三轴试验，研究了泥炭质土的长期累积变形特性，并提出了相应的应变预测模型。丁祖德等［7］研究了不同围压、固结比、振动频率控制条件下的昆明泥炭质土的最大剪切模量、动剪切模量、剪切模量比及阻尼比的变化规律。文雯等［8］对昆明地区不同深度的多个取样点的泥炭质土动三轴实验数据进行统计分析，研究了土动力学参数随埋深的变化并与相关规范中的其它软土参数进行了对比分析。

目前对泥炭质土改良固化处理主要基于无机材料，如水泥、粉煤灰、生石灰等材料，无机材料可以较好地提高泥炭质土的强度，但另一方面如果水泥等无机材料的抗拉强度较低，当水泥改良泥炭质土承受动力循环荷载时，有可能出现脆性破坏，这对于地铁或行车荷载工况下的围岩或地基土来说是不利的。相关研究指出［9］，玄武岩纤维本身具有良好的力学性能，如抗拉强度高、刚度大；活性指数高，与水泥等无机材料结合度好；耐腐蚀、能防水；文中在水泥改良加固泥炭质土的基础上，选择玄武岩纤维作为主要外加固化剂，充分发挥玄武岩纤维材料的优势，既可保证固化泥炭质土的强度，也加强了改良泥炭质土在承受循环荷载时的塑性及抗变形能力。文中以昆明滇池高原湖相泥炭质土为研究对象，先基于静力学研究确定了水泥-玄武岩纤维复合固化剂的最佳配比。之后通过室内动三轴试验，研究不同水泥和水泥-玄武岩纤维复合固化剂掺量、围压、加载频率条件下固化泥炭质土的滞回曲线变化规律，为后续进一步研究泥炭质土的改良提供参考。

1 试验研究

1.1 试验材料与固化方案

试验土样取自昆明市地铁5号线某路段基坑工程工地，取土深度约13m，其基本物理力学指标如表1所示。Simonetta和Giampaolo［10］的研究指出重塑土只改变土的强度，对土的力学特性影响不大。此外原状土的取样难度大，并且取土地的泥炭质土是经过一定扰动的，因此试验将研究重塑土。固化材料中的水泥为市面上32.5级矿渣硅酸盐水泥，水泥的试验指标如表2所示；规格12mm的玄武岩纤维，橄榄绿色；生石灰为天津市致远化学试剂有限公司生产的分析纯（CaO），相对分子质量56.08，黄色颗粒状粉末；生石膏为西陇科学股份有限公司生产的分析纯（CaSO4·2H2O）相对分子质量172.15，白色结晶或白色粉末。

表1 泥炭质土的物理力学指标

表2 试验所用水泥指标

固化方案一为单掺水泥，二是添加水泥-玄武岩纤维复合固化剂（文中称之为PSA01固化剂），其中PSA01固化剂的配比通过室内无侧限抗压强度试验研究PSA01固化剂中各材料对于固化土的无侧限抗压强度的影响，得出最佳配比（质量）为玄武岩纤维0.90%+生石灰4.27%+生石膏3.90%。

1.2 试样制备与试验方案

试验仪器为英国生产GDS动三轴仪，该仪器具有控制方便、测量精度高等特点，可以准确测量轴向压力、围压、试样应变和孔隙水压力等数据。

试样制备：根据土工试验方法标准［11］，先将取得的土样风干碾碎并经5mm细筛筛选后，按照43%的含水率对筛选的土样均匀喷洒无气水，随后使用保鲜膜密封搪瓷盘并静置24h待用。根据水泥土配合比设计规程［12］，按照一定的水灰比，称取一定量的水、水泥、和外加固化剂，混合在一起并通过搅拌使其变为均匀固化剂混合浆体，然后将静置24h的泥炭质土与固化剂混合浆体拌和均匀。之后将拌合好的改良土按照分层击样法于配套的三瓣膜和击样器内制作规格为直径39.1mm、高80mm的圆柱体，试样的成型时间应控制在25min之内。

试样饱和：采用真空抽气饱和法，先将制好的试样放在真空饱和装置内抽气至负一个大气压并持续1h以上。之后关闭抽气阀，打开进水阀，待无气水进入真空饱和装置并淹没试样2cm左右时关闭进水阀，将导水管暴露在空气中，再次打开进水阀，使空气进入真空饱和装置，并静置至少24h。

根据水泥土配合比设计规程［12］的建议，一般工程中不需要考虑水泥固化土的排水与固结问题，所以文中对水泥固化土和PSA01固化土采用不固结不排水（UU试验）的研究方法。试验综合考虑了水泥或PSA01固化剂掺量、围压、加载频率等3个影响因素，具体的试验方案见表3所示。另外对于每一组试验，都取两块土样在相同试验条件下进行平行试验，排除单一试验可能造成的误差影响。

表3 改良泥炭质土动三轴试验方案

（1） 水泥和PSA01固化剂掺量。根据相关研究［13］，当水泥作为软土的固化剂时掺量范围宜在12%～20%，结合泥炭质土性质及相关工程实例，试验对水泥和PSA01固化剂的掺量设计5%、10%、15%、20%、25%这5个不同掺量水平。

（2） 围压。根据相关的勘察资料及试验条件，实验选取100、200、300kPa等3种不同围压。

（3） 加载频率。根据已有的地铁隧道结构的实际监测数据，地铁管线下的地基土在地铁列车运行经过时，土体产生的相应频率有低频和高频两种，低频范围一般在0.4～0.6Hz，高频范围一般在2.4～2.6Hz，因此试验选取1、2、3Hz等3种不同加载频率。

（4） 动应力幅值。根据相关资料，列车和轨道结构对路基的附加应力为30±10kPa，试验选取10、20、30、40、50kPa等5个不同动应力幅值。

（5） 加载方式。试验中动应力幅值采用分级加载方式，相邻动力振动级别的动应力幅值相差10kPa，每个振动级别下均循环往复振动12周次，并在GDSLAB动力加载模块中设定每个振动周次采集20个数据点。

（6） 试验终止条件。采用应变破坏标准，即当试样的应变达到一定值时认为土体已破坏，试验终止。试验采定义水泥固化土和PSA01固化土动变形参数定量研究和累积轴向变形试验中轴向应变达到5%或加载周次达到5000周时试验结束。

2 改良泥炭质土滞回曲线演化规律

文中选择动应力幅值30kPa作用下的第6个动力循环周次对应的滞回曲线进行分析，以研究围压、加载频率、水泥和复合固化剂掺量水平对滞回曲线的影响规律。

受限于试验条件，文中对于改良泥炭质土的滞回曲线的变化规律主要为定性研究。对于滞回曲线来说，有长轴斜率、中心偏移量、动应变幅值和滞回曲线的面积等四个参数可以解释其变化规律，即土体的相关力学性能的变化。

（1） 长轴斜率。指滞回曲线的长轴的应力差于应变差的比值，它反映了土体的刚度和弹性性能。数值越大，土体的刚度越大，弹性性能增强，反之则越小。

（2） 中心偏移量。指的是两个滞回圈的中心的距离，该值描述了土体的细观损伤和残余塑性变形程度，中心偏移量越大说明土体的细观损伤和残余塑性变形程度越大，反之则越小。

（3） 动应变幅值。滞回曲线动应变幅值等于滞回圈的最大动应变和最小动应变差值的一半，它反映了土的变形程度。动应变幅值，土体变形程度越大。

（4） 滞回曲线的面积。该参数反映了土体抗震性能和能量消耗能力。面积越大，表明土体在一个循环荷载作用下能量消耗越大、抗震性能越强;反之，能量消耗小，抗震性能差。

2.1 水泥和PSA01固化剂掺量对改良泥炭质土滞回曲线的影响

文中选择动应力幅值30kPa作用下的第6个动力循环周次对应的滞回曲线进行分析，以研究围压、加载频率、水泥和复合固化剂掺量水平对改良泥炭质土滞回曲线的影响规律。当围压和加载频率一定时，泥炭质土在不同水泥和PSA01固化剂掺量下的动应力-动应变滞回曲线如图1、图2所示。

图1 不同水泥掺量下水泥固化土滞回曲线

图2 不同PSA01固化剂掺量下PSA01固化土滞回曲线

由图1可知，在同一动荷载下不同掺量的水泥固化土滞回曲线有着明显的变化，随着水泥掺量的增加，水泥固化土的滞回曲线明显向纵向坐标轴旋转，水泥固化土滞回圈所包围的面积也随着水泥掺量的增加而明显减小。从而可得知随着水泥掺量水平的增加，水泥固化土刚度特征和弹性性能有着较大幅度的提高，对外界能量的耗散能力也下降明显，细观损伤和残余应变程度均有所减小。当水泥掺量达到15%时对泥炭质土抵抗变形的能力提升较大，这是由于随着水泥掺量的增加，固化土矿物颗粒之间的胶结力越强，固化土自身抵抗变形的能力越强，而水泥掺量低于15%时，水泥固化土抵抗动变形的能力相对较弱。

从图2来看，不同PSA01固化剂掺量下的改良泥炭质土滞回曲线变化趋势与水泥固化土类似。但与水泥固化土相比，PSA01固化土在低掺量下的动应变幅值明显更小，基本只有水泥固化土的一半，说明在相同固化剂掺量水平下，PSA01固化剂能更好地提高土体的抵抗动变形能力。但在PSA01固化剂掺量提升之后，尤其是在15%掺量以后，固化土的刚度和弹性性能虽有提升，提升却比较有限。根据相关研究［14］，玄武岩纤维本身带电，各纤维丝之间会相互吸引，在低掺量时，少量相互吸附的纤维团或纤维-土团可以改善泥炭质土的力学性能。但在掺量提升后，土体内部形成纤维团或纤维-土团增多增大，造成了纤维在土体内部的不均匀性，反而影响了纤维的加筋效果。因此才会造成在高掺量PSA01时，固化泥炭质土的动力学性能改善效果较小。

2.2 围压对改良泥炭质土滞回曲线的影响

由上述水泥和PSA01固化剂掺量水平对改良泥炭质土滞回曲线的影响可以发现，在掺量为15%时，土体的抗扰动能力相比10%时显著提高，而当掺量增加到20%、25%时，土体的抗变形能力提升幅度较小，且相对15%掺量来说经济效益比较低。因此后续研究围压、加载频率对滞回曲线的影响时，水泥和PSA01固化剂掺量均控制为15%。当加载频率为1Hz，水泥和PSA01固化剂掺量为15%时，水泥固化土和PSA01固化土在100、200kPa和300kPa围压条件下的动应力-动应变滞回曲线如图3、图4所示。

图3 不同围压下的水泥固化土滞回曲线

图4 不同围压下的PSA01

由图3可以看出，随着围压的增大，水泥固化土在相同动力荷载作用下的滞回圈表现出长轴斜率增大，滞回圈整体向纵坐标轴旋转，在同一级动荷载作用下，水泥固化泥炭质土的最大动应变幅值随着试验围压的增大而减小。同时，随着试验围压的增大，滞回圈在形状上表现出越来越狭窄的趋势，其包围而成的面积也越小，但这种变化趋势在围压低于200kPa时不明显。同时也可以看到，随着围压增大到200kPa，水泥固化土表现出的刚度特征和弹性性能有较为明显增大，土体在同一级动荷载作用下的变形量减小，土体的残余应变和细观损伤程度减小。

从图4可知，随着围压的增大，PSA01固化土滞回圈的变化规律也与水泥固化土的相似。但与水泥固化土不同的是，在同一级动荷载作用下，PSA01固化土的最大动应变幅值随着试验围压的增大而逐渐减小的更多。在围压超过200kPa时，PSA01固化土的滞回圈包围的面积更狭窄。在相同围压条件下，PSA01固化土表现出的刚度特征和弹性性能比水泥固化土更大；在同一级动荷载作用下的变形量明显减小，尤其是围压为200kPa时土体的残余应变和细观损伤程度减小明显。其原因是由于PSA01固化剂中的加入的玄武岩纤维使得土体之间的筋土摩擦作用在围压增大时充分发挥，因而对试样的约束能力得到加强，很大程度上限制了动荷载作用下固化土内部微小裂缝的产生，因此进一步提高了土体的刚度，减小了土体耗散外界的能量。

2.3 加载频率对滞回曲线的影响

由围压对固化泥炭质土的滞回曲线的影响可以看出，在围压200kPa以上时，固化土的刚度较大，有较强的抵抗变形能力，而在100kPa时，固化土的刚度和弹性性能明显较小。在实际工程中，更关注不利情况，因此文中在研究加载频率对滞回曲线的影响时，将围压控制为100kPa。当试验围压为100kPa，水泥和PSA01固化剂掺量为15%时，水泥固化土和PSA01固化土在1、2、3Hz加载频率作用下的动应力-动应变滞回曲线如图5、图6所示。

图5 不同加载频率条件下水泥固化土滞回曲线

图6 不同加载频率条件下PSA01固化土滞回曲线

由图5可得，随着加载频率的增大，水泥固化土滞回曲线逐渐向纵坐标轴旋转，动应变幅值逐渐减小，滞回圈的长轴斜率增大，但这种变化趋势的发展程度在加载频率达到2Hz后变得很小。从水泥固化土在加载频率影响下的滞回曲线变化规律可以发现，随着加载频率的增大，水泥固化土的弹性性能和刚度特征有着较为明显的增大，而固化土的细观损伤和残余应变程度相对减小，耗散外界能量的能力减弱，加载频率达到2Hz后，继续增大加载频率对滞回曲线的影响已经很小。

从图6可知，与水泥固化土的滞回曲线在较高的加载频率的影响下相似，PSA01固化土滞回曲线随着加载频率的变化很小，PSA01固化土滞回曲线的长轴斜率随加载频率的增大有着轻微增大，而滞回圈包围的面积也有一定程度减小。说明随着加载频率增大，PSA01固化土的弹性性能和刚度特征有着轻微的增大，而PSA01固化土的耗能能力也有所降低，但这种变化程度均较小。由于实验的加载频率选择相对来说较低，且土体应变较小，对土的性质影响主要考虑动应变幅值和动荷载的循环效应。这是因为在泥炭质土中加入水泥后改变了土体的性质，提高了土体的刚度，而PSA01固化剂加入的玄武岩纤维材料具有较好的韧性和抗变形能力，在承受循环荷载时，玄武岩纤维网络发挥了纤维网的结构作用，因此使得PSA01固化土的变形程度受加载频率的影响更小，故试验的振动效应和循环效应对PSA01固化土的影响较小。

3 结语

对掺入水泥和PSA01固化剂改良的泥炭质土进行室内动三轴试验研究，研究不同水泥和PSA01固化掺量、围压、加载频率对改良泥炭质土滞回曲线的影响，得出如下结论：

（1） 改良泥炭质土的滞回曲线形状呈两端狭长的长梭形。定性来看，改良泥炭质土的滞回曲线均随水泥和玄武岩纤维复合固化剂掺量、围压、加载频率的增大而向动应力轴偏转，土体的刚度和弹性性能有不同程度地增大，而对于外界能量的耗散能力也有着不同程度地减弱。在15%掺量时，两种固化泥炭质土的刚度和弹性性能显著增加，土体变形程度也明显减小，而在25%掺量时，固化泥炭质土的刚度和弹性性能增加则十分有限，

（2） 与水泥固化土相比，在相同试验条件下，PSA01固化土的土体刚度和弹性性能明显更大，动应变幅值只有水泥固化土的一半左右。说明PSA01固化剂能显著改善泥炭质土的力学性能，但改善效果会随着PSA01固化剂的掺量提升减弱，25%掺量相比20%掺量时改善效果有限。

（3） 通过试验得出PSA01固化剂最佳掺入量为15%～20%，此时可以较小的成本获得对泥炭质土力学性能的明显改良效果。其中出PSA01固化剂的配比（质量）为玄武岩纤维0.90%+石灰4.27%+生石膏3.90%。