循環(huán)荷載下石灰改良膨脹土臨界動應(yīng)力的探討

1、第30卷增刊2 巖 土 力 學 V ol.30 Supp.2 2009年12月 Rock and Soil Mechanics Dec. 2009收稿日期：2009-5-22基金項目：國家自然科學基金資助項目(No. 40772185；中國科學院知識創(chuàng)新工程重要方向項目（kzcx2-yw-150）；巖土力學與工程國家重點實驗室資助項目(No. SKLZ0803；河南省高校青年骨干教師資助計劃（No. 2008083）。第一作者簡介：周葆春，男，1978年生，博士后，主要從事土體變形與強度特性研究。E-mail: zhoubcxynu。文章編號：10007598 (2009 增刊2016306循

2、環(huán)荷載下石灰改良膨脹土臨界動應(yīng)力的探討周葆春1, 2，白 顥1，孔令偉1(1.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071；2. 信陽師范學院 土木工程學院，信陽 464000摘 要：為探討各影響因素對石灰改良膨脹土臨界動應(yīng)力的影響規(guī)律與程度，進行了振動三軸試驗，獲得了不同含水率與振動頻率下石灰改良膨脹土的臨界動應(yīng)力?；诒疚牡脑囼灲Y(jié)果，通過石灰改良膨脹土脆性破壞機理分析和臨界動應(yīng)力的影響因素探討表明，由于石灰的改性作用，導致改良后膨脹土的塑性降低，表現(xiàn)出脆性性質(zhì)；質(zhì)量控制指標（摻灰比和壓實系數(shù)）是影響石灰改良膨脹土臨界動應(yīng)力的決定性因素；由于改性后動力水穩(wěn)定

3、性較好，石灰改良膨脹土臨界動應(yīng)力受含水率變化的影響有限；而外部動靜荷載形式與程度(振動頻率和圍壓 的影響程度較弱。即在保證摻灰比和壓實系數(shù)的前提下，石灰改良膨脹土的臨界動應(yīng)力能夠維持在一個比較穩(wěn)定的范圍內(nèi)。關(guān) 鍵 詞：高速鐵路；路基；膨脹土；石灰改性；臨界動應(yīng)力；動三軸試驗；循環(huán)荷載；脆性破壞 中圖分類號：TU 443 文獻標識碼：ADiscussion on critical dynamic stress of lime-treated expansive soilunder cyclic loadingZHOU Bao-chun1, 2, BAI Hao 1, KONG Ling-wei

4、1(1.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071,China; 2.College of Civil Engineering, Xinyang Normal University, Xinyang 464000, ChinaAbstract: In order to study the critical dynamic stress of lim

5、e-treated expansive soil under cyclic loading, the dynamic triaxial tests under different water contents and different vibration frequencies are carried out. Based on the test results, the analysis of brittle failure mechanism of lime-treated expansive soil under cyclic loading and the discussion on

6、 the affecting factors of the critical dynamic stress are carried out; it is shown that the plasticity of expansive soil decreases after lime treatment, and its brittle property appears; the quality control index (dosage of lime and compactness is the decisive factor for the critical dynamic stress.

7、 And the influence of water content on critical dynamic stress of lime-treated expansive soil appears limited because of its preferable dynamic water stability. However, the influence of the type and the extent of external dynamic and static loads (vibration frequency and confining pressure is so li

8、ttle. Namely, on condition of stable dosage of lime and compactness, the critical dynamic stress of lime-treated expansive soil is usually stable over a small range.Key words: high-speed railways; subgrade; expansive soil; lime treatment; critical dynamic stress; dynamic triaxial test; cyclic loadin

9、g; brittle failure1 引 言我國到2020年客運專線建設(shè)目標為1.6萬公里以上，其中眾多高速鐵路需穿越面廣量大的膨脹土地段，在這些工程施工和投入運營的過程中，存在一個普遍的問題，列車荷載作為一種長期動力循環(huán)荷載，運輸速度的提高將加劇線路的振動，路基中的動應(yīng)力、振動頻率及其影響深度都將增大，膨脹土路基常在水和列車荷載的共同作用下發(fā)生下沉外擠、翻漿冒泥等病害，列車速度的提高又加劇了病害的發(fā)展，從而造成巨大的經(jīng)濟損失和安全隱患。由于膨脹土具有明顯的脹縮性、超固結(jié)性和多裂隙性，不能直接用于路基填筑，目前對其采取的工程處治措施主要是改性，其中采用石灰對膨脹土進行改性的工程應(yīng)用最為普遍。

10、列車動應(yīng)力由軌道、道床傳遞至基床和路堤本體，然后沿深度逐漸衰減；巖 土 力 學 2009年基床是路基的關(guān)鍵部位，也是列車動荷載作用最顯著的部位，基床設(shè)計有強度、剛度、防滲要求；其中，為保證路基的強度穩(wěn)定條件以及保證基床與路堤本體在動荷載作用下不發(fā)生大的塑性變形，基床與路堤本體的動強度必須大于列車動應(yīng)力。作為高速鐵路基床底層和路堤本體的填料，影響石灰改良膨脹土動強度的因素有摻灰比、壓實系數(shù)、干濕循環(huán)次數(shù)與幅度、飽和度、動荷載頻率與循環(huán)次數(shù)、固結(jié)主應(yīng)力比、圍壓等；根據(jù)影響因素的類型可以分為3類：摻灰比與壓實系數(shù)表征膨脹土的改良效果，也是石灰改良膨脹土的質(zhì)量控制指標；干濕循環(huán)與飽和度體現(xiàn)水的影響；動

11、荷載頻率與循環(huán)次數(shù)、固結(jié)主應(yīng)力比、圍壓表征土體所受外部動靜荷載形式與程度。關(guān)于石灰改良膨脹土摻灰比與壓實系數(shù)的研究較充分，雷勝友等1探討了壓實系數(shù)為0.95和0.9的重塑膨脹土的臨界動應(yīng)力與圍壓、靜強度、含水率的關(guān)系；楊廣慶等2研究了作為高速鐵路路基填料的石灰改良粉黏土的最佳配合比；郭志勇3探討了石灰改良膨脹土的最佳摻灰比、壓實系數(shù)與最優(yōu)含水率；賀建清4研究了摻灰比對循環(huán)荷載作用下飽和石灰改良軟黏土的動強度的影響；楊獻勇5探討了壓實系數(shù)、含水率對非飽和粉土臨界動應(yīng)力的影響；葉陽升等6探討了改良土路基的壓實指標。關(guān)于干濕循環(huán)與飽和度的影響方面，楊和平等7、Guney 等8研究了干濕循環(huán)對膨脹土靜

12、力變形與強度的影響；盧永貴等9探討了含水率對素土與石灰改良膨脹土臨界動應(yīng)力的影響；孫明智10、于東彬11對干濕循環(huán)作用下石灰改良粉黏土的臨界動應(yīng)力進行了研究；趙明龍等12探討了干濕循環(huán)次數(shù)對水泥改良粉黏土臨界動應(yīng)力的影響。但以上成果大多基于膨脹土的靜力學試驗或一般粉黏土的動力學試驗，干濕循環(huán)的次數(shù)與幅度對于石灰改良膨脹土臨界動應(yīng)力的影響規(guī)律與影響程度尚待深入探討。關(guān)于動荷載頻率的影響方面，蔡英等13對天然含水率下成都黏土的動三軸試驗結(jié)果表明：土體的臨界動應(yīng)力隨加載頻率提高而逐漸降低并存在一條漸近線。雷勝友等14的研究結(jié)果表明在頻率為110 Hz范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)頻率對石灰改良膨脹土臨界動應(yīng)力的影響

13、?？梢妱雍奢d頻率對石灰改良膨脹土動強度的影響規(guī)律尚未有十分清楚的認識。新建時速300350公里客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定15中考慮到實際工程中臨界動應(yīng)力不易獲取，通過靜強度乘以某一折減系數(shù)（動靜比）確定改良土的臨界動應(yīng)力；干濕循環(huán)作用通過強度衰減系數(shù)體現(xiàn)。該方法對于石灰改良膨脹土，存在以下問題：（1）該方法基于一般粉黏土和黏土的試驗成果，其對于具有脹縮性、超固結(jié)性和多裂隙性的膨脹土的適用性尚待探討。（2）該方法中，動靜比取0.450.5；然而，路基改良土的動靜比與土性、摻灰比、壓實系數(shù)、飽和度、動荷載頻率與循環(huán)次數(shù)有關(guān)，其變化范圍一般較大，不應(yīng)采用一個固定值。（3）干濕循環(huán)強度衰減系數(shù)選取失水率

14、（干濕循環(huán)幅度）、塑性指數(shù)和壓實系數(shù)作為影響因素，未考慮土性、摻灰比、干濕循環(huán)次數(shù)、飽和度的影響。 由以上文獻可見，某些影響因素對石灰改良膨脹土臨界動應(yīng)力的影響規(guī)律和程度并未形成一致的觀點，例如頻率、含水率和干濕循環(huán)作用。本文基于振動三軸試驗，獲得不同狀態(tài)下石灰改良膨脹土的臨界動應(yīng)力，試圖對其脆性破壞機理和各種因素的影響規(guī)律與程度進行探討。2 石灰改良膨脹土的振動三軸試驗2.1 試驗土樣試驗用土取自湖北荊門，呈黃褐色、硬塑狀態(tài)，含黑色鐵錳結(jié)核，局部有白色填充物，其物理性質(zhì)指標、礦物成分與顆粒組成見表1與表216，該土屬弱膨脹土范疇。石灰改良膨脹土摻灰比為3 %，主要基于室內(nèi)均勻拌和石灰土與現(xiàn)場

15、最佳摻灰比石灰改良膨脹土無側(cè)限抗壓強度值相當而選擇，其重型擊實試驗的最優(yōu)含水率為19.0 %，最大干密度為1.71 g/cm3，控制壓實度為95 %，其制樣指標見表317。 2.2 振動三軸試驗 2.2.1 試驗方案為探討含水率變化對臨界動應(yīng)力的影響，振動三軸試驗中控制含水率分別為：26.0 %（飽和）、23.5 %、21.0 %（制樣含水率）、18.0 %、13.0 %，共5組。含水率的選取主要是為符合路基填土的實際持水狀態(tài)，多數(shù)情況下路基填土的含水率在施工含水率上下徘徊，在少數(shù)大量降雨或干旱狀態(tài)下路基土會出現(xiàn)飽和或極干燥狀態(tài)。試樣依據(jù)制樣控制指標（表3）采用千斤頂靜壓法制備。試樣制備完成后

16、，在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至少28 d后，再依據(jù)實驗要求進行含水率控制，目的是為將齡期對土體強度的影響降至最低。在室內(nèi)基本恒定的溫度和濕度條件下，以制樣含水率或飽和含水率為起點，采用讓試樣預先脫濕的方法，164增刊 周葆春等：循環(huán)荷載下石灰改良膨脹土臨界動應(yīng)力的探討 表1 試驗用土的物性參數(shù)Table 1 Physical properties of tested soil天然含水率/(% 土粒比重 自由膨脹率/(% 收縮系數(shù) 縮限 /(% 脹縮總率 /(% 天然重度/(kN/m3 干密度/(g/cm3 液限 /(% 塑性指數(shù) 體縮率 /(% 21.122.32.72420.269.90.7619

17、.91.6842.121.26.3表2 礦物成分與顆粒組成Table 2 Mineral compositions and particle component礦物組成/(%顆粒組成/(%伊利石 蒙-伊混層高嶺石石英>0.075mm0.0750.005mm25µm<2µm35±5± 40± 20± 13.257.314.5 15.0表3 石灰改良膨脹土的制樣控制指標Table 3 Controlling index of sample preparation for lime-treated expansive soil土

18、樣類型摻灰比 /(%壓實度 /(%干密度 /(g/cm3制樣含水率/(%最優(yōu)含水率/(%最大干密度 /(g/cm3石灰改良膨脹土 3.0 95 1.63 21.0 19.0 1.71(w =21.0 %, N =5000, f =3 Hz, 3=25 kPaFig.2 d -N curves of unsaturated lime-treated expansivesoil (w =21.0 %, N =5000, f =3 Hz, 3=25 kPa振次/N (a165巖 土 力 學 2009年 圖3 非飽和石灰改良膨脹土的d -N 關(guān)系曲線(w =18.0 %, N =5000, f =3

19、Hz, 3=25 kPaFig.3 d -N curves of unsaturated lime-treated expansivesoil (w =18.0 %, N =5000, f =3 Hz, 3=25 kPa圖4 破壞后的試樣 Fig.4 damaged soil sample由圖1可見，振次為5 000時，飽和石灰改良膨脹土在動應(yīng)力幅值為100 kPa時，動應(yīng)變僅為0.05 %；動應(yīng)力幅值為150 kPa時，動應(yīng)變低于0.2 %，且都趨于穩(wěn)定；動應(yīng)力幅值為190 kPa時，動應(yīng)變值在0.3 %以內(nèi)，但有增大的趨勢。而當動應(yīng)力幅值為200 kPa、振次僅為60時，動應(yīng)變即達到3 %

20、，且增大的趨勢顯著。由圖2和圖3可見，振次為5 000時，非飽和石灰改良膨脹土在動應(yīng)力幅值為190 kPa時，動應(yīng)變均在0.3 %以內(nèi)，且趨于穩(wěn)定。而當動應(yīng)力幅值為200 kPa時，振次僅為60時，動應(yīng)變即達到3 %以上，且增大的趨勢顯著。這說明：循環(huán)荷載作用下石灰改良膨脹土的破壞形式為脆性破壞。循環(huán)荷載作用下，石灰改良膨脹土試樣破壞前并未出現(xiàn)較大變形(圖13中的0.03 %以內(nèi) ；而當動應(yīng)力一旦達到某一應(yīng)力值時，試樣即產(chǎn)生明顯的變形(圖13中的3 %應(yīng)變 且增大的趨勢顯著，由圖4可見試樣破壞后存在明顯的破裂面，這種破壞形式與破壞前有較大塑性變形的破壞形式有顯著區(qū)別，其為脆性破壞，因此其動強度

21、采用某一應(yīng)變(例如3 %或5 %對應(yīng)的動應(yīng)力值是不合適的，應(yīng)采用臨界動應(yīng)力；石灰改良膨脹土的動力水穩(wěn)定性較好。圖1中，動應(yīng)力幅值為150 kPa時，飽和試樣動應(yīng)變低于0.2 %，且趨于穩(wěn)定；動應(yīng)力幅值為190 kPa時，動應(yīng)變在0.3 %以內(nèi)，有增大的趨勢。這說明飽和試樣的臨界動應(yīng)力值接近于190 kPa。而由圖2和圖3可見，非飽和石灰改良膨脹土的臨界動應(yīng)力取190 kPa是偏于安全的。這說明臨界動應(yīng)力受濕化作用影響會隨含水率的增加而降低；但其影響程度較弱，石灰改良膨脹土的動力水穩(wěn)定性較好。為探討振動頻率對石灰改良膨脹土臨界動應(yīng)力的影響，圖5給出了含水率為21.0 %的石灰改良膨脹土在振動頻率

22、為5 Hz下的d -N 關(guān)系曲線。圖5 非飽和石灰改良膨脹土的d -N 關(guān)系曲線(w =21.0 %, N =2000, f =5 Hz, 3=25 kPaFig.5 d -N curves of unsaturated lime-treated expansivesoil (w =21.0 %, N =2000, f =5 Hz, 3=25 kPa由圖5可見，動應(yīng)力幅值為190 kPa時，石2040 60 80振次/N (b動應(yīng)變/d00.0100.0200.030020 40 60 80振次/N (b 動應(yīng)變/d振次/N (a動應(yīng)變/d振次/N (a動應(yīng)變/d166增刊 周葆春等：循環(huán)荷載

23、下石灰改良膨脹土臨界動應(yīng)力的探討灰改良膨脹土的d -N 關(guān)系曲線后半段波動增大；當動應(yīng)力幅值增至200 kPa，振次為60時，動應(yīng)變即達到2 %?？傮w上看，石灰改良膨脹土的臨界動應(yīng)力值依然維持在190 kPa左右。這說明，隨頻率的增大，石灰改良膨脹土的臨界動應(yīng)力有減小的趨勢。但其臨界動應(yīng)力對頻率的改變并不敏感。3 討 論3.1 循環(huán)荷載下石灰改良膨脹土脆性破壞機理探討石灰對膨脹土的改性作用分為：生石灰消化放熱反應(yīng)，碳酸化（硬化）作用，離子交換與凝聚作用，火山灰反應(yīng)（膠凝反應(yīng)）；其中主要作用是膠凝反應(yīng)和碳酸化作用，即土中分離出來的SiO 2、Al 2O 3與石灰中游離出來的Ca 2+形成水化硅、

24、鋁酸鈣膠體，附在土顆粒表面及顆粒之間，硬化后起將土顆粒連接在一起的膠結(jié)作用18。這種膠結(jié)作用增強了土顆粒間的聯(lián)結(jié)，使石灰改良土成為穩(wěn)定土，反映在力學指標上表現(xiàn)為凝聚力的提高。另一方面，黏性土的塑性性質(zhì)取決于結(jié)合水的厚薄與數(shù)量19，雖然改性前后土體含水率沒有變化，但改性過程中的生石灰消化放熱反應(yīng)和火山灰反應(yīng)均消耗大量的水，導致土顆粒間結(jié)合水的減少，從而使土體塑性降低，而表現(xiàn)出脆性性質(zhì)。動三軸試驗中直接對土樣施加軸向動應(yīng)力，認為在45°平面上間接作用動剪應(yīng)力；當施加軸向動應(yīng)力d ±時，在45°平面上產(chǎn)生2d ±的動剪應(yīng)力，每一周循環(huán)中，大主應(yīng)力方向旋轉(zhuǎn)90&

25、#176;。從固體力學的角度分析，試樣在這種交變應(yīng)力作用下，將在最大動剪應(yīng)力2d ±面上或者存在初始制樣缺陷的部位產(chǎn)生疲勞裂紋，當應(yīng)力交替變化時，裂紋兩側(cè)的材料時而壓緊，時而張開，形成疲勞裂紋擴展區(qū)，當疲勞裂紋擴展到一定長度時，在臨界動應(yīng)力作用下，試樣發(fā)生脆性破壞。 3.2 石灰改良膨脹土臨界動應(yīng)力的影響因素探討綜合分析雷勝友等1、賀建清4、楊獻永5、盧永貴等9的試驗結(jié)果以及本文采用摻灰比3 %、壓實度95 %的情況下臨界動應(yīng)力值較為穩(wěn)定的試驗結(jié)果表明：作為石灰改良膨脹土的質(zhì)量控制指標，摻灰比和壓實系數(shù)是影響石灰改良膨脹土臨界動應(yīng)力的主要因素。從本文的試驗結(jié)果和盧永貴等9的試驗結(jié)果看

26、，石灰改良膨脹土臨界動應(yīng)力的水穩(wěn)定性較好。孫明智10的試驗結(jié)果表明：干濕循環(huán)作用下石灰改良粉黏土的臨界動應(yīng)力從300 kPa（失水率0 %）降低到260 kPa（失水率45 %），降低幅度不大；趙明龍等12的試驗結(jié)果表明：水泥改良粉質(zhì)黏土與水泥改良粉土的臨界動應(yīng)力經(jīng)12次干濕循環(huán)后趨于穩(wěn)定。據(jù)此，本文認為石灰改良膨脹土臨界動應(yīng)力會因干濕循環(huán)作用而有一定程度的降低，但降低幅度不大。本文的試驗結(jié)果表明頻率的增大，石灰改良膨脹土的臨界動應(yīng)力有減小的趨勢，但其影響程度較弱；雷勝友14的研究結(jié)果表明在頻率為110 Hz范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)頻率對石灰改良膨脹土臨界動應(yīng)力的影響。段俊彪20的研究表明，當圍壓由50

27、 kPa增加到150 kPa，石灰改良膨脹土的臨界動應(yīng)力由110 kPa增加到140 kPa，而路基工程中基床范圍內(nèi)路基的側(cè)向應(yīng)力大體為2060 kPa，由此可見，圍壓對其臨界動應(yīng)力的貢獻不大。究其原因，本文認為是石灰改性導致的土體塑性降低，從而表現(xiàn)出脆性性質(zhì)，導致石灰改良膨脹土的臨界動應(yīng)力對外部動靜荷載形式與程度（振動頻率和圍壓）不敏感。4 結(jié) 論基于本文的試驗結(jié)果、石灰改良膨脹土脆性破壞機理探討和臨界動應(yīng)力的影響因素探討表明，由于石灰的改性作用，導致改良后膨脹土的塑性降低，表現(xiàn)出脆性性質(zhì)，質(zhì)量控制指標（摻灰比和壓實系數(shù)）是影響石灰改良膨脹土臨界動應(yīng)力的決定性因素，因為動力水穩(wěn)定性較好，石灰

28、改良膨脹土臨界動應(yīng)力受含水率變化的影響有限，而外部動靜荷載形式與程度（振動頻率和圍壓）的影響程度較弱。即在保證摻灰比和壓實系數(shù)的前提下，石灰改良膨脹土的臨界動應(yīng)力能夠維持在一個比較穩(wěn)定的范圍內(nèi)，如同本文中的190 kPa左右；而時速300350 km客運專線列車荷載動應(yīng)力不超過100 kPa15，這說明經(jīng)石灰改良后膨脹土能夠滿足高速鐵路路基填料的強度要求。此外，考慮到室內(nèi)試驗中石灰與膨脹土的拌合程度要高于現(xiàn)場情況，上述結(jié)論對于實際基床填料的適用程度尚待探討。參 考 文 獻1 雷勝友, 李克釧. 膨脹土的動力特性研究J. 成都科技大學學報, 1995, 27(3: 2024.2 楊廣慶, 管振祥. 高速鐵路路基改良填料的試驗研167168 究J. 巖土工程學報, 2001, 23(6: 682685. 3 4 5 6 7 巖 土 力 學 2009 年 疲勞強度影響的試驗研究J. 中國鐵道科學, 2005, 26(2: 2528. 13 蔡英, 曹新文. 重復加載下路基土的臨界動應(yīng)力和 永久變形初探J. 西南交通大學學報, 1996, 31(1: 1 5. 14 雷勝友, 惠會清. 膨脹土及其改良土靜動力特性對比 分析J. 巖石力學與工程學報, 2004, 23(17: 3003 3008. 15 中華人民共和國鐵道部. 鐵