摘 要:为研究循环荷载下纳米CaCO3重塑软黏土的动力特性与微观形态,进行GDS动三轴、NMR试验,分析其动应力-动应变、动弹性模量、阻尼比及微观孔隙变化规律。结果表明:随着纳米CaCO3掺量增加、围压增大,软黏土的动应变逐渐减小,动弹性模量逐渐增大;固结应力比增大使纳米CaCO3重塑软黏土动应变先减小后增大,动弹性模量先增加后减小;围压和固结应力比的提高均可有效降低软黏土的阻尼比;软黏土滞回耗能与动应变呈现明显的非线性关系;纳米CaCO3重塑软黏土T2分布曲线主峰峰值及峰面积相比于素软黏土显著降低,孔隙比减小使土体结构更加稳定。所进行的纳米CaCO3重塑软黏土动力特性研究,可为实际工程提供参考。
关键词:地面工程;重塑软黏土;纳米CaCO3;循环荷载;固结应力比;动弹性模量;阻尼比
中图分类号:TU443
文献标识码:A
DOI:10.7535/hbkd.2024yx05009
Dynamic characteristics and microscopic pores structure of remolded
soft clay under influence of nano-CaCO3
ZHUANG Xinshan, ZHANG Zihan
(School of Civil Engineering and Architecture, Hubei University of Technology, Wuhan, Hubei 430068, China)
Abstract:
To study the dynamic characteristics and microstructure of nano-CaCO3 remolded soft clay under cyclic loading, GDS dynamic triaxial and NMR tests were conducted to analyze its dynamic stress-strain, dynamic elastic modulus, damping ratio, and micro pore changes. The results show that as the content of nano-CaCO3 increases and the confining pressure increases, the dynamic strain of the remolded soft clay gradually decreases and the dynamic elastic modulus gradually increases; The increase in consolidation stress ratio leads to a decrease and then an increase in dynamic strain of nano-CaCO3 remolded soft clay, and an increase and then a decrease in dynamic elastic modulus; The increase in confining pressure and consolidation stress ratio can effectively reduce the damping ratio of the soft clay; There is a significant nonlinear relationsh75fe5dfc2c87f03ee73851f73614f4e5af42c3690f53d282868b24d35da306daip between the hysteresis energy dissipation of soft clay and the dynamic strain curve; The main peak and peak area of the T2 distribution curve of nano-CaCO3 soft clay are significantly reduced compared to plain soft clay, and the decrease in pore ratio makes the soil structure more stable. The obtained dynamic characteristics of remolded soft clay based on nano-CaCO3 provides some reference for practical engineering.
Keywords:ground engineering; remolded soft clay; nano-CaCO3; cyclic load; consolidation stress ratio; dynamic elastic modulus; damping ratio
软黏土是具有低强度、渗透性差、压缩性低、孔隙小等特点的黏性土,在中国分布广泛。近年来,中国道路建设发展迅速,而建设过程中由于软黏土有承载力差、抗剪强度低、各层之间力学性质相差较大等缺点[1-2],在动荷载作用下,道路可能发生大幅度沉降,造成严重损失。改良软黏土的方案有很多,CaO是改良软黏土最常用的添加剂之一,具有成本低、效果好等优点[3],但也存在施工难度大、CaO消耗量大和危害环境等缺陷[4-7]。因纳米CaCO3具有价格低、污染小等特点[8-9]并能显著影响土体的微观化学性能和物理结构[10],改善路基土的力学性能[11-14],越来越多地被应用到岩土工程领域。
纳米CaCO3是一种颗粒尺寸在0.01~0.1 μm的超细固体粉末材料,可与水发生水化反应,增强土体间的作用力。目前,已有众多学者应用纳米CaCO3对土体进行改良研究[15-19]。WANG等[20]对渗入纳米CaO的土体进行了力学性能和加固机理分析,在不同的固化间隔下对改良土体进行了无侧限抗压试验,试验结果表明,改良土体的强度最初有所增加,但在添加更多的石灰纳米颗粒后,强度开始呈下降趋势。TANZADEH等[21]通过对纳米CaCO3改良土体进行微观成分分析,证实可以通过添加少量的纳米CaCO3来取代CaO,并拥有更好的力学性能。王冲等[22]通过对掺入纳米CaCO3的水泥基材料进行静力学性能试验,发现当掺入1.5%纳米CaCO3时,对改良材料的强度提高最明显;邓友生等[23]对纳米CaCO3提高再生混凝土的抗压性能进行了静力学研究,发现掺入适量纳米CaCO3可以有效提高再生混凝土的抗压强度。陈学军等[24]通过纳米CaCO3对重塑黏土作用的机理进行分析,得出随着掺量增加,黏土矿物吸附的Ca2+增加,与带负电的黏土矿物产生吸附作用并形成钙质胶结,使得颗粒间黏聚力增强以及内摩擦角增大。综上所述,纳米CaCO3改良土的研究基本停留在静力学阶段,而实际道路建设中,土体主要承受动荷载作用,因此,进一步研究纳米CaCO3对软黏土的动力性能的影响具有重要的工程意义。
本文运用真/动三轴仪进行了一系列动三轴试验,研究重塑软黏土动应力-应变骨干曲线、动弹性模量、阻尼比变化规律,以评估纳米CaCO3重塑软黏土的动力性能,并通过核磁共振(NMR),进一步解释掺入纳米CaCO3对土体微观孔隙结构的影响。试验结果可为纳米CaCO3重塑软黏土为不同掺量、围压和固结应力比下的弹性模量和阻尼比模型提供理论参考。
1 土样制备与试验方案
1.1 试验仪器和土样制备
试验仪器为英国GDS(GDSTTA)电机式动静态真/动三轴仪,如图1所示,分为三维应力加载模块及动力加载模块,可分别进行土体的真三轴及动力三轴试验。本次试验选用动力加载模块,最大围压、轴向荷载、振动频率分别为2 MPa、20 kN、5 Hz,采用0.000 01 mm高精度传感器实时精确测定轴向应变,对试样施加轴向荷载。核磁共振(NMR)采用共振频率为12 MHz,采样线圈尺寸为25.4 mm。
试验土样取自安徽合肥某公路施工现场的软黏土,如图2 a)所示,其物理性质指标如表1所示。纳米CaCO3由杭州恒格纳米科技有限公司生产,呈白色粉末状,粒径小于等于20 nm,如图2 b)所示,表2为其具体技术指标。将软黏土放入105 ℃干燥箱中脱水24 h,冷却破碎后过2 mm筛,保存在透明密封袋中待用。按最佳含水量20%将水、软黏土和纳米CaCO3颗粒混合搅拌均匀并压实制成直径50 mm,高度100 mm的重塑土样。用剩余土料制成直径为15 mm,高度为20 mm的圆柱试样进行饱和与固结后用于NMR试验。
1.2 试验方案
进行 GDS动三轴试验前,先将试样放入真空桶中抽真空饱和,再放入GDS真/动三轴仪中对土样固结,随后进行循环加载试验,采用正弦波加载,振动频率选为1 Hz[25],动应力幅值分10级逐级递增施加,固定每级振动次数为10次。试验考虑了纳米CaCO3掺量、围压、固结应力比3个影响因素,纳米CaCO3掺量选取0%、0.10%、0.25%、0.50%、0.75%、1.00%[26],围压选取100、150、200 kPa[27],实际工程中土体常处于非等向固结状态,因此固结应力比选取1.00、1.25、1.50[28]。试样轴向应变达到8%时,视为破坏终止试验。试验方案如表3所示。
2 动力特性分析
2.1 动应力-动应变曲线
2.1.1 纳米CaCO3掺量的影响
图3为围压σ3=100 kPa、固结应力比kc=1时,不同纳米CaCO3掺量下重塑软黏土动应力-动应变关系曲线。由图可知,该曲线随纳米CaCO3掺量增加逐渐向上移动,这是由于黏土中SiO2、Al2O3、Fe2O3含量较高,主要成分为游离氧化铁[9],纳米CaCO3的pH值为10.0,大于黏土中氧化铁胶体的pH值,掺入纳米CaCO3后使土体中Fe2O3含量减少,形成钙质胶结物,以薄膜形式存在,作为结构联结处的骨架支撑点。随着掺量增加,Ca2+离子增加并与土体内部负离子形成钙质胶结物增大了土颗粒间的相互作用力,使得重塑软黏土抗变形能力增强。由于纳米CaCO3掺量在小于等于0.50%时,每条曲线的上移幅度明显高于掺量大于0.50%后每条曲线的上移幅度,故后续试验纳米CaCO3掺量均选取了0.50%。
2.1.2 固结应力比的影响
图4为纳米CaCO3掺量μ=0.50%时,不同固结应力比下软黏土动应力-应变关系曲线。由图可知,当固结应力比kc在1.00~1.25之间时,动应变随固结应力比的增大而减小,而固结应力比在1.25~1.50之间存在某一定值,一旦超过该值后,动应变随固结应力比的增大而增大。可以理解为当固结应力比较小时,土颗粒在静偏应力作用下被压得紧密,土颗粒间不容易产生相对滑移,土体内部骨架结构较稳定,随着固结应力比增大到1.25~1.50之间某一值时,土体能承受的最大应力小于土体所承受的静偏应力,此时会在出现较小动应变时内部出现相对滑移,土体失稳,故在高固结应力比下土体抵抗变形能力下降。
2.1.3 围压的影响
图5为纳米CaCO3掺量μ=0.50%时,不同围压下软黏土动应力-动应变关系曲线。由图可知,动应变较小时,曲线较为陡峭,随着动应变增大,曲线逐渐趋于平缓。这是由于重塑软黏土中胶结物质具有良好的减震效果:在应变较小的加载初期,胶结体减震效果显著,使动荷载传递效率变高,能耗减小,曲线较为陡峭;而随着动应变的增大,土体产生短暂的“瞬时”功,胶结物质被破坏,荷载传递效果较差,曲线逐渐趋于平缓。软黏土动应变随着围压的增大不断减小,可以理解为高围压下土体被压得更加密实,土体内部孔隙比减小,土颗粒间相互作用力增大,土体抗荷载破坏能力增强。
2.2 动弹性模量的变化规律
动弹性模量为动应力差值与动应变差值的比值,即:
Ed=σdmax-σdminεdmax-εdmin 。(1)
式中:σdmax、σdmin和εdmax、εdmin分别为一个滞回圈中最大与最小动应力和动应变。动弹性模量取每级动力加载中第4—8次动弹性模量的平均值。
2.2.1 纳米CaCO3掺量的影响
不同掺量纳米CaCO3重塑软黏土的动弹性模量-动应变关系曲线如图6所示。由图可知,掺入纳米CaCO3后软黏土的动弹性模量-动应变曲线相较于素软黏土有明显的上移。随着纳米CaCO3掺量的增加,重塑软黏土的动弹性模量从17.8%逐渐增大到25.6%。
2.2.2 固结应力比的影响
图7为相同围压、不同固结应力比时纳米CaCO3重塑软黏土动弹性模量-动应变幅值变化曲线。由图可知,在1.00<kc<1.25时,曲线随着固结应力比的增加逐渐上移,但在固结应力比为1.25~1.50时,存在某一定值,当kc超过定值时,纳米CaCO3重塑软黏土动弹性模量反而减小。这是由于当固结应力比较小时,土体所受静偏应力使得土体更加密实,土颗粒间较难发生相对滑移;而随着固结应力比的增大,土体所受静偏应力超过承载极限,土体内部结构发生破坏,土颗粒间出现相对滑移,孔隙比增大,动弹性模量减小,土体抵抗变形能力降低。这与动应力-动应变曲线变化规律一致。
2.2.3 围压的影响
图8为不同围压、相同固结应力比时纳米CaCO3重塑软黏土动弹性模量-动应变曲线。由图可知,曲线随着围压的增大而上移。这是由于土体间孔隙减少,土颗粒之间的相互作用增强,更难发生相对滑移,在相同条件下,动弹性模量随围压增大而增大,土体抵抗变形的能力增强。
由图6、图7和图8可知,在试验的不同条件下重塑软黏土的动弹性模量-动应变曲线均先陡峭下降后趋于平缓,变形较小时,以弹性形变为主,动弹性模量最大,随着动应变的增大,土体产生塑性形变,使动弹性模量逐渐减小并趋于某一定值。
2.3 动模量比衰减模型
图9为重塑软黏土动模量比与动应变衰减关系曲线。由图可知,在相同条件下,Ed/Ed0随着围压增大而增大,而随着固结应力比的增大先增大后减小。
众多学者对不同土体已经建立了相应的动模量比衰减模型,其中Davidenkov模型[29]考虑了围压的影响,即:
EdEd0=11+(aεd)b ,(2)
式中:a、b为拟合参数。
经过曲线拟合,可得:a=0.473 4,b=0.819 7,R2=0.966 7。将其代入式(2)可得纳米CaCO3重塑软黏土动模量衰减模型:
EdEd0=11+(0.473 4εd)0.819 7。(3)
式(3)可以较好地描述纳米CaCO3重塑软黏土的衰减规律。
2.4 阻尼比变化规律
土的阻尼比反映了土体在动荷载作用下耗散能量的性质,是衡量土体动力性能的重要参数,可用1个周期内所损耗的能量ΔW(约为1个滞回圈与坐标轴围成的面积,如图10所示)与该周期所储存的总能量W(图10中三角形OAB的面积)的比值表示[30]。即:
λ=14πΔWW=14πS椭圆S△OAB 。(4)
研究发现滞回曲线面积越大,则1个周期内损耗能量ΔW越多,其震动耗能能力越强[31]。图11为不同围压下损耗能量与动应变的关系曲线。可以看出,不同围压下,ΔW随动应变增加不断增大,即随动应变逐渐增加,导致土体消耗能量逐渐变大。同一动应变下,损耗能量-动应变曲线随着围压的增加而下移,表明随着围压增大,重塑软黏土的滞回耗能能力增强。
由于图11显示损耗能ΔW与动应变εd类似于幂函数关系,经对ΔW进行幂函数拟合后得到ΔW与εd拟合关系式为
ΔW=α(εd)β+c ,(5)
式中:ΔW为1个循环周期所损耗的能量;α,β为拟合参数。由表4可知,R2均大于0.99。
2.4.1 纳米CaCO3掺量的影响
图12为不同纳米CaCO3掺量下λ-εd关系曲线。由图可知,不同掺量下的土体阻尼比均随动应变的增加先减小后增大,而未掺入纳米CaCO3的素软黏土阻尼比随动应变的增加逐渐增大,这是由于软黏土掺入纳米CaCO3后孔隙间出现胶结物,使得土颗粒间作用力增大,土体结构更加密实。动应变较低时,原本骨架中存在的孔隙减少、颗粒间的间距缩短,使得土颗粒在循环荷载下不易发生错动,增加了动荷载传递能量的效率,能量损耗减小,导致阻尼比出现先减小的阶段;随着动应变逐渐增大,土体产生塑性变形后,试样结构被破坏,能量损耗增加,使得阻尼比不断增大。
在相同动应变下的重塑软黏土阻尼比随纳米CaCO3掺量的增加而减小,说明随着纳米CaCO3掺量的增加,土颗粒间的作用力不断增大,损耗能量降低,阻尼比不断减小,说明纳米CaCO3可以有效降低软黏土的阻尼比。
2.4.2 固结应力比的影响
图13为不同固结应力比下纳米CaCO3重塑软黏土λ-εd曲线。由图可知,阻尼比与动应变无明显线性关系,随着动应变的增大,不同固结应力比土样的阻尼比先减小后逐渐增大。这是由于重塑软黏土后,试样结构更加密实,土颗粒间相互作用力增大。在循环荷载下,固结应力并非越来越大。在固结应力比增大初期,土体内部结构越来越密实,损耗能量降低从而阻尼比减小;而当固结应力比超过某一值时,土体失稳,使荷载作用在土体上的影响变大,损耗能量增加,故阻尼比增大。
2.4.3 围压的影响
图14为不同围压下纳米CaCO3重塑软黏土λ-εd的关系曲线。从图可以看出,不同围压下重塑软黏土的阻尼比随围压增大逐渐减小,这是由于循环荷载过程中随着围压的增大,土体内部结构被压缩得紧密,土体内部孔隙比减小,土颗粒间相互作用力增大,内部结构稳定性提高,使土体颗粒在循环荷载下较难发生相对滑移,能量传递效率增强,能量损耗变少,阻尼比减小。
3 核磁共振(NMR)试验
为进一步研究纳米CaCO3重塑软黏土内部的孔隙结构,利用核磁共振(NMR)试验对试样孔隙结构进行分析。试验中孔隙水弛豫时间T2对应了不同孔径的孔隙,信号强度反映了该孔径孔隙所对应的数量。
图15为不同掺量重塑软黏土在σ3=100 kPa,kc=1.00下的T2曲线,主要呈双峰结构,有不明显第3个峰出现,从左到右依次对应着微孔、中孔和大孔[32]。由图可以看出,土样主要以孔隙直径为0.1~1 nm的微孔[33]为主,中孔隙比例极少,而在纳米CaCO3重塑软黏土中大孔隙几乎不存在。NMR曲线所围区域对应的峰面积反映了孔隙体积,对比不同纳米CaCO3掺量下重塑土T2曲线可知,信号强度峰值随纳米CaCO3掺量增大而下移,主峰与横坐标围成面积减小,说明掺入纳米CaCO3颗粒对重塑软黏土的微孔孔隙填充,孔隙率减小,对土体结构稳定性有明显的提升。
图16为纳米CaCO3掺入前、后软黏土T2分布曲线。对比发现,在相同固结应力比与围压下软黏土掺入纳米CaCO3后峰值较素软黏土有明显降低,曲线与横坐标围成的面积显著减小。重塑软黏土的孔隙率小于素软黏土的孔隙率。掺入纳米CaCO3能提升重塑软黏土稳定性且在不同环境下纳米CaCO3均能填充软黏土的微孔孔径。信号强度峰值随着固结应力比增大先减小后增强,曲线与横坐标围成的面积先减小后增大,孔隙率先减小后增大;随着围压的增大,孔隙率不断减小。这与动三轴试验分析结果一致,从微观角度解释了应力-应变曲线及阻尼比随固结应力比与围压变化的原因。
4 结 语
1)在纳米CaCO3掺量小于1.00%时,随着纳米CaCO3掺量增加,重塑软黏土的动应变不断减小。掺入纳米CaCO3能够抑制土体动应变,可以有效改善软黏土的动力性能。
2)相同围压下,纳米CaCO3重塑软黏土动应变随固结应力比增大先减小后增加;相同固结应力比下,围压处于较高水平下产生的动应变相对于低围压下的动应变较小。
3)相同围压下,掺入0.50%纳米CaCO3重塑软黏土的εdmax较素软黏土提高了25.6%。重塑软黏土的动弹性模量随纳米CaCO3掺量、围压的增加均逐渐增大,而随固结应力比增大先增大后减小。动弹性模量-动应变曲线随动应变增大逐渐下降后趋于稳定。
4)随着动应变增大,纳米CaCO3重塑软黏土阻尼比先减小后逐渐增大,增大围压可降低阻尼比,增大固结应力比使阻尼比先减小后增加。
5)随着纳米CaCO3掺量、固结应力比、围压的增加,重塑软黏土孔隙比均逐渐减小,表明纳米CaCO3可有效填充软黏土内部孔隙,增强其动力性能。
6)纳米CaCO3可以提高软黏土的抗变形能力,提升其动力性能,在实际工程中可掺入0.50%的纳米CaCO3以提高软黏土的承载能力。
在试验设计阶段,考虑到经济原因,纳米CaCO3的掺量较小,从而得出了掺量增加对软黏土的各项动力特性均有提升作用的结论。但随着掺量继续增加,软黏土动力性能是否持续提升、是否存在最佳掺量还有待进一步研究,且试验土样为重塑土,与实际工程土体存在区别,在今后实验中拟考虑增大掺量或将纳米CaCO3掺入软土路基,对其动力性能进行研究,并根据实际情况给出工程意见。
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