粉煤灰改良粉砂土动静力学特性研究

周桓锐, 崔高航*, 程卓, 李琦 , 张永珍 , 闵子桐

(1.东北林业大学土木工程学院, 哈尔滨 430070; 2.河北工业大学土木与交通学院, 天津 300401)

粉砂土是一种十分常见的路基填土,其颗粒组成主要是粉粒和砂粒,粉砂土颗粒中存在着大量的细小孔隙,具有颗粒级配较差、塑性指数较小、抗剪强度较低等特点[1]。粉砂土在实际道路工程中表现出难以压实、持水能力弱以及遇到振动荷载时容易出现液化的现象,所以时常达不到路基工程所需的强度和稳定性要求[2]。粉砂土的处理和改良技术是中国道路工程建设中经常面临的技术难题,也是中国道路工程中重点关注的问题之一。

近年来,中外学者针对粉砂土的力学性能开展了一系列的研究。张云龙等[1]对不同含水率的粉砂土进行了动三轴试验,发现随着含水率的增加,冻融循环的次数对粉砂土黏聚力的影响逐渐增大。Marzuni等[2]对不同细粒含量的粉砂土的力学性能进行研究,发现细粒含量的变化会导致最大孔隙压力的变化,增加粉砂土中的细粒含量会增大粉砂土的液化敏感性。崔高航等[3]分析了粉煤灰掺量对含黏粒粉砂土力学性能影响,发现粉煤灰掺入量为15%时的改良粉砂土抵抗循环荷载的能力最强。Xu等[4]对砂土进行室内直剪试验,发现随着干湿交替次数和含水量的增加,土颗粒排列提供的结构变异性增加,而土颗粒内聚力提供的结构稳定性降低,导致土体的抗剪强度呈下降趋势。

粉煤灰是一种煤炭燃烧的主要产物,大量的粉煤灰如果无法得到妥善的处置,会对生态环境造成极大的威胁,造成巨大资源浪费。程卓等[5]对粉煤灰改良盐渍土的抗剪强度变化规律进行探究,发现随着粉煤灰掺入量的增加,土体的抗剪强度有所提升,当粉煤灰掺入量为15%时,土体抗剪强度最大。袁玉卿等[6]利用水泥、石灰和粉煤灰对粉砂土进行改良,对最佳配比的改良粉砂土进行全球数字系统(global digital systems,GDS)动三轴试验,得到了改良粉砂土累计轴向应变的经验模型。Li等[7]利用水泥、石灰和粉煤灰对黑棉土进行改良,发现一定范围内,随着水泥、石灰和粉煤灰掺量不断增加,改良土的无侧限压缩强度随之增强,并提出了无侧限压缩强度的预测公式。Turan等[8]分析了粉煤灰在改良土体方面的效果,发现加入粉煤灰后可以有效提高改良土的抗渗性能,并初步确定了实际工程中粉煤灰的最佳掺量。

目前,大量学者已对粉煤灰改良粉砂土的力学特性开展了研究,但是对粉煤灰改良粉砂土动力学特性和静力学特性综合分析以及不同改良剂掺量下土体的动力学参数分析的研究却不够完善,缺乏改良粉砂土动变形特性和动强度特性的综合分析。在道路运营过程中,路基填土往往受动静荷载综合作用,因此对粉煤灰改良粉砂土的动静力学综合研究具有实际意义。鉴于此,以绥化至大庆高速路基填土为研究对象,开展无侧限压缩试验和动三轴试验,分析粉煤灰掺量对粉砂土静力学特征影响情况,以及围压、动荷载加载次数和粉煤灰掺量对粉砂土动强度的影响规律,以期为东北地区粉砂土改良以及工程建设提供合理可靠的理论依据和参考建议。

1 实验

1.1 实验所用粉砂土和粉煤灰

试验土样取自绥化-大庆高速公路沿线,采取地下1～3 m范围内土样,对取得的土样依据《公路土工试验规程》(JTG3430—2020)分析,测得该类土各项物理性质指标,如表1所示。粉煤灰采购自哈尔滨市依兰地区粉煤灰厂,出厂时检测为一级粉煤灰,外形灰白粉末,其基本物理性质及化学成分组成如表2所示。

表1 土样基本物理性质指标Table 1 Basic physical property indexes of soil samples

表2 粉煤灰化学成分组成Table 2 Chemical composition and physical index of fly ash

1.2 试样制备

将取回的土样风干后利用橡胶锤砸碎,将通过2 mm 标准筛的粉砂土与粉煤灰分别放入110 ℃的烘箱中,烘干8 h以上,以保证土样和粉煤灰完全干燥。参考文献[3],选取粉煤灰掺量0～20%为研究范围,根据质量配比原则,在粉砂土中分别掺入5%、10%、15%、20%的粉煤灰,将其混合均匀后加入纯净水,控制各个试样的含水率均为素土的最佳含水率12.4%。拌和后土样在标准条件下养护24 h后,参考《公路土工试验规程》(JTG3430—2020)使用液压机将土样按照95%压实度静压成直径39.1 mm、高80 mm的三轴试件和直径50 mm、高50 mm的无侧限压缩试件。

1.3 试验设计

1.3.1 无侧限压缩试验

试验仪器选用WDW-50型微机控制式电子试验机,试验设定加载头压缩变形速率为1 mm/min,加载数据和位移由数据记录仪器自动记录。计算相应的应力和应变,绘制应力-应变曲线。

1.3.2 动三轴试验

本试验仪器采用英国GDS公司生产的标准型温控动态三轴测试系统(enterprise level dynamic triaxial testing system,ELDYN),由图1所示。所有试验数据由 GDS 自动采集系统采集。

图1 动态三轴试验系统Fig.1 Dynamic triaxial test system

试验参数为振动频率f=1 Hz,考虑到所取路基土土样深度较浅,所以在动三轴试验中,试验的围压不应设定过大,本试验的围压条件根据土中地表以下深度z处的自重应力ε=γz(土的天然重度γ=20 kN/m),分别选用1、2、3 m处对应的 20、40、60 kPa进行不排水固结,当轴向变形小于0.005 mm/5 min时,认为试样固结试验完成,选用正弦波形、按照循环加载的方式进行加载,采用土体的最大动应变超过5%[9]时,作为动三轴试验终止破坏标准。

对完成固结的粉砂土试样施加动荷载幅值为σ1的正弦波荷载,达到破坏标准时得到破坏周数为N1。对相同条件下对另外两组粉砂土试件分别施加动荷载幅值为σ2、σ3、σ4、σ5的正弦波荷载进行试验,得到破坏周数N2、N3、N4、N5(N为破坏周数)。进而可以得出该试件的动应力和破坏振次的变化曲线[10],即σd-Nf(σd为动应力幅值,Nf为破坏振次)曲线,作为该试件的动强度曲线;具体试验方案如表3所示。

表3 具体实验方案Table 3 Specific experimental protocols

2 实验结果分析

2.1 粉煤灰的掺入对改良粉砂土无侧限压缩强度的影响

对不同粉煤灰掺量试样进行无侧限压缩实验,获得其应力-应变曲线,如图2所示。可以看出,在压缩初期,土壤颗粒处于压实状态,曲线斜率较小;然后,试件进入弹性变形阶段,曲线斜率增加,此阶段的斜率可以用弹性模量来表示;随着应力的不断增大,试件因受压而体积膨胀,继续施加压力会使试件被压碎,曲线上会有一个最高值,被定义为土的无侧限压缩强度;最后破坏阶段,试件的内部和外部裂缝都在快速的扩张,直到整个土体都被破坏。试验表明粉煤灰的加入对土体的无侧限压缩强度有明显的改善作用,这与刘文建[11]的研究结果相同。随粉煤灰用量的增大,其抗压强度呈现出先增大后减小的趋势;加入15%粉煤灰后,这种类型的粉砂土的抗压强度最高[12]。

图2 应力应变曲线Fig.2 Stress-strain curve

2.2 围压对改良粉砂土动强度的影响

在本次动三轴试验中,所采用的围压分别为20、40、60 kPa。图3为5种不同掺入量的粉煤灰在不同围压下的动强度曲线。

图3 不同掺入量的粉煤灰在不同围压下的动强度曲线Fig.3 Dynamic strength curves of fly ash with different dosing levels at different envelope pressures

由图3可知,在反复荷载下,土的动强度随加载次数的增加而降低。当粉煤灰掺入量为10%,围压为20 kPa时,土体动强度曲线的变化范围为80～95 kPa,在围压为60 kPa时,动强度曲线在95～105 kPa的范围内,围压为40 kPa时的动强度在两者之间变化。在同样的动荷载作用下,随着围压的增大,使改良粉砂土达到破坏条件所需要的加载次数也越多。这说明随着围压的增大,土体的动强度也相应增大[13]。在不同掺入量的粉煤灰中,其动强度的变化规律基本一致,均表现为随着动荷载加载次数的增加,动强度逐渐减小,在幅值相同的动荷载的作用下,随着围压的增大,土体达到破坏标准所需要承受的荷载震动次数越多。

由σd-Nf关系曲线的试验结果(图3)可知,在动三轴试验中,试验数据在半对数坐标系内均分布在某条直线的附近。土体动强度的规律一般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,因此应用线性公式[式(1)]的函数进行拟合。

σd=A+BlgNf

(1)

式(1)中:A、B为拟合参数;σd为动应力幅值;Nf为破坏振次。

各拟合直线的参数以及相关系数如表4所示。由表4可知,各拟合直线的拟合参数都在0.95以上,表明了拟合直线与原始数据的拟合度较高,拟合曲线方程能很好地反映出动强度随加载次数的变化规律。在相同的围压条件下,随粉煤灰掺入量的增大,拟合曲线的截距呈现先升后降的趋势,与动强度曲线所反映的规律相吻合[14]。

表4 动强度拟合参数Table 4 Dynamic strength fitting parameters

2.3 粉煤灰掺入量对改良粉砂土动强度的影响

图4为不同粉煤灰掺量的改良粉砂土的动强度曲线。可以看出,在同样的围压作用下,当粉煤灰掺入量为15%时,改良粉砂土表现出的动强度最大。粉煤灰的掺入量由0逐渐提高至15%时,改良粉砂土的动强度随粉煤灰用量的增加而增加,这是由于在改良粉砂土中加入粉煤灰可以填充土体的孔隙,提高土颗粒之间的黏结力,从而使其动强度增大[15]。粉煤灰用量大于15%时,土体结构中的孔隙已经基本被填充完毕,而随着粉煤灰用量的继续增大会对土体起到润滑作用,降低土颗粒间的黏结力,其动强度也相应减小。

图4 不同粉煤灰掺量下改良粉砂土的动强度曲线Fig.4 Dynamic strength curves of improved chalk soils at different fly ash blending rates

2.4 改良粉砂土的动强度分析

2.4.1 循环荷载作用对改良粉砂土动强度指标的影响

动强度指标是对实际工程进行安全性能评估和实际工程设计中的重要参考,包括动黏聚力cd和动内摩擦角φd,分别了体现土颗粒之间的黏聚力和摩擦力的大小。对于等压固结不排水条件下的动三轴试验,应按照总应力方法来求取动强度指标。由Mohr-Coulomb理论[16]可得

τd=cd+tanφd

(2)

式(2)中:τd为动剪应力;cd为动黏聚力;φd为动内摩擦角。

在土的动强度曲线上可以得到3个围压下的动应力σd,令

σ1d=σ1c+σd,σ3d=σ3c,σ1c=Kcσ3c

(3)

式(3)中:σ1d、σ3d分别为改良粉砂土试样在固结围压下试样产生动力破坏的最大主应力和最小主应力;σ1c为轴向固结应力;σ3c为侧向固结应力;Kc为固结比,本次动三轴试验中均使用等向固结方法,Kc取1。

由此可知5种不同粉煤灰掺入量下在动荷载加载次数Nf=50、100、150、200次时的动强度指标,如表5所示。

表5 不同试样的动强度指标Table 5 Dynamic strength indicators for different specimens

根据表5可以绘制出动黏聚力和动内摩擦角与动荷载次数的变化关系图,如图5和图6所示。

图5 加载次数Nf与动黏聚力cd关系曲线Fig.5 Number of loadings Nf versus dynamic cohesion cd

图6 加载次数Nf与动内摩擦角φd关系Fig.6 Number of loadings Nf versus dynamic internal friction angle φd

从图5和图6中可以看出,在向土体掺入粉煤灰后,土体的动黏聚力cd和动内摩擦角φd均随着加载次数的增加而减小。选取动荷载加载次数为100次时的动黏聚力cd和动内摩擦角φd分析,当粉煤灰掺入量小于15%时,动黏聚力cd和动内摩擦角φd都随着粉煤灰掺入量的增加而变大,因为随着粉煤灰的掺入,填充了土颗粒间的孔隙,与水产生胶结作用,提升了土骨架的强度[17]。但是当粉煤灰掺入量超过15%后,继续增加粉煤灰掺入量会使改良粉砂土的动黏聚力和动内摩擦角减小。因为土体结构中的孔隙已经基本被填充完毕,过多的粉煤灰会对土体起到润滑作用,降低土颗粒间的黏结力,使改良粉砂土的承载能力降低。

2.4.2 粉煤灰掺量与动强度指标的关系

选取动荷载加载次数为100次时的动黏聚力cd和动内摩擦角φd,用三次函数拟合曲线,如图7和图8所示。

图7 动内摩擦角与粉煤灰掺量关系Fig.7 Dynamic internal friction angle versus fly ash admixture

图8 动黏聚力与粉煤灰掺量关系Fig.8 Dynamic cohesion versus fly ash admixture

可以看出,三次拟合曲线对图7和图8中的数据拟合效果较好。当粉煤灰掺入量低于15%时,动黏聚力和动内摩擦角值均随粉煤灰用量的增大而增大,这是因为粉煤灰能够填补颗粒之间的缝隙,并且所加入的粉煤灰与水产生了水化反应,使土中的小颗粒凝固形成较大的土团,增强了土体的骨架,使改良粉砂土的内部结构变得更加稳定。因此,改良粉砂土的动黏聚力和动内摩擦角随着粉煤灰掺入量的增加而增加。在15%的粉煤灰掺量下,土体的动黏聚力和动内摩擦角同时获得了最大值。当粉煤灰掺量为20%时,改性粉砂土的动黏聚力与最大值相比,降低了约0.9 kPa,动内摩擦角则降低了0.6°,出现这种情况的原因是:在改良粉砂土中添加太多的粉煤灰,则会增大土壤颗粒间的滑移性,因此,会出现改良粉砂土的动黏聚力和动内摩擦角都会随着粉煤灰掺入量的增大而降低的现象。

三次拟合曲线对图7和图8中的数据拟合效果较好,可以得到以下公式。

(1)非线性拟合所得到的动黏聚力cd与粉煤灰掺入量的关系表达式为

cd=19.363+0.129k+0.048k2-0.002k3

(4)

(2)非线性拟合所得到的动内摩擦角φd与粉煤灰掺入量的关系表达式为

φd=11.126+0.113k+0.029k2-0.001k3

(5)

将式(4)、式(5)代入动剪强度式(2)中,可以得出动荷载加载次数为 100次时,仅考虑粉煤灰掺入量下动剪切强度经验公式[式(6)]。

τ=19.363+0.129k+0.048k2-0.002k3+
(A+10B)tan(11.126+0.113k+
0.029k2-0.001k3)

(6)

式中:k为粉煤灰掺入量;A、B为拟合参数,可从表4中查找。

3 结论

对不同粉煤灰掺入量下的改良粉砂土进行GDS动三轴试验,通过动三轴试验的试验结果,讨论围压、粉煤灰掺入量对改良粉砂土动强度的影响规律。重点分析粉煤灰掺入量和动荷载加载次数对改良粉砂土动强度和动强度指标的影响规律,并通过曲线拟合对实验数值进行规律性分析。得到如下结论。

(1)粉煤灰的加入对土体的无侧限压缩强度有明显的改善作用。随粉煤灰用量的增大,其抗压强度呈现出先增大后减小的趋势;加入15%的粉煤灰时,改良粉砂土的抗压强度最高。

(2)粉煤灰掺入量和围压对改良粉砂土的动强度有显著的影响,而在动荷载作用下,粉煤灰掺入量和动荷载加载次数对改良土的动强度、动黏聚力和动内摩擦角均有一定程度的影响。在低承载力的粉砂土中添加适当掺量的粉煤灰,能够显著提高其动强度,并使其动黏聚力、动内摩擦角增大。

(3)在不同的动荷载加载条件下改良粉砂土的动黏聚力和动内摩擦角均随动荷载加载次数的增大而降低。采用三次函数拟合粉煤灰掺入量与动黏聚力和动内摩擦角之间的关系,将其引入到动抗剪强度的计算公式中,得到该条件下仅考虑粉煤灰掺入量下的动剪切强度经验公式。