循环荷载下石灰改良膨胀土临界动应力的探讨

1、第30卷增刊2 岩 土 力 学 V ol.30 Supp.2 2009年12月 Rock and Soil Mechanics Dec. 2009收稿日期：2009-5-22基金项目：国家自然科学基金资助项目(No. 40772185；中国科学院知识创新工程重要方向项目（kzcx2-yw-150）；岩土力学与工程国家重点实验室资助项目(No. SKLZ0803；河南省高校青年骨干教师资助计划（No. 2008083）。第一作者简介：周葆春，男，1978年生，博士后，主要从事土体变形与强度特性研究。E-mail: zhoubcxynu。文章编号：10007598 (2009 增刊2016306循

2、环荷载下石灰改良膨胀土临界动应力的探讨周葆春1, 2，白 颢1，孔令伟1(1.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071；2. 信阳师范学院 土木工程学院，信阳 464000摘 要：为探讨各影响因素对石灰改良膨胀土临界动应力的影响规律与程度，进行了振动三轴试验，获得了不同含水率与振动频率下石灰改良膨胀土的临界动应力。基于本文的试验结果，通过石灰改良膨胀土脆性破坏机理分析和临界动应力的影响因素探讨表明，由于石灰的改性作用，导致改良后膨胀土的塑性降低，表现出脆性性质；质量控制指标（掺灰比和压实系数）是影响石灰改良膨胀土临界动应力的决定性因素；由于改性后动力水稳定

3、性较好，石灰改良膨胀土临界动应力受含水率变化的影响有限；而外部动静荷载形式与程度(振动频率和围压 的影响程度较弱。即在保证掺灰比和压实系数的前提下，石灰改良膨胀土的临界动应力能够维持在一个比较稳定的范围内。关 键 词：高速铁路；路基；膨胀土；石灰改性；临界动应力；动三轴试验；循环荷载；脆性破坏 中图分类号：TU 443 文献标识码：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 言我国到2020年客运专线建设目标为1.6万公里以上，其中众多高速铁路需穿越面广量大的膨胀土地段，在这些工程施工和投入运营的过程中，存在一个普遍的问题，列车荷载作为一种长期动力循环荷载，运输速度的提高将加剧线路的振动，路基中的动应力、振动频率及其影响深度都将增大，膨胀土路基常在水和列车荷载的共同作用下发生下沉外挤、翻浆冒泥等病害，列车速度的提高又加剧了病害的发展，从而造成巨大的经济损失和安全隐患。由于膨胀土具有明显的胀缩性、超固结性和多裂隙性，不能直接用于路基填筑，目前对其采取的工程处治措施主要是改性，其中采用石灰对膨胀土进行改性的工程应用最为普遍。

10、列车动应力由轨道、道床传递至基床和路堤本体，然后沿深度逐渐衰减；岩 土 力 学 2009年基床是路基的关键部位，也是列车动荷载作用最显著的部位，基床设计有强度、刚度、防渗要求；其中，为保证路基的强度稳定条件以及保证基床与路堤本体在动荷载作用下不发生大的塑性变形，基床与路堤本体的动强度必须大于列车动应力。作为高速铁路基床底层和路堤本体的填料，影响石灰改良膨胀土动强度的因素有掺灰比、压实系数、干湿循环次数与幅度、饱和度、动荷载频率与循环次数、固结主应力比、围压等；根据影响因素的类型可以分为3类：掺灰比与压实系数表征膨胀土的改良效果，也是石灰改良膨胀土的质量控制指标；干湿循环与饱和度体现水的影响；动

11、荷载频率与循环次数、固结主应力比、围压表征土体所受外部动静荷载形式与程度。关于干湿循环与饱和度的影响方面，杨和平等7、Guney 等8研究了干湿循环对膨胀土静力变形与强度的影响；卢永贵等9探讨了含水率对素土与石灰改良膨胀土临界动应力的影响；孙明智10、于东彬11对干湿循环作用下石灰改良粉黏土的临界动应力进行了研究；赵明龙等12探讨了干湿循环次数对水泥改良粉黏土临界动应力的影响。但以上成果大多基于膨胀土的静力学试验或一般粉黏土的动力学试验，干湿循环的次数与幅度对于石灰改良膨胀土临界动应力的影响规律与影响程度尚待深入探讨。关于动荷载频率的影响方面，蔡英等13对天然含水率下成都黏土的动三轴试验结果表

12、明：土体的临界动应力随加载频率提高而逐渐降低并存在一条渐近线。雷胜友等14的研究结果表明在频率为110 Hz范围内，未发现频率对石灰改良膨胀土临界动应力的影响。可见动荷载频率对石灰改良膨胀土动强度的影响规律尚未有十分清楚的认识。新建时速300350公里客运专线铁路设计暂行规定15中考虑到实际工程中临界动应力不易获取，通过静强度乘以某一折减系数（动静比）确定改良土的临界动应力；干湿循环作用通过强度衰减系数体现。该方法对于石灰改良膨胀土，存在以下问题：（1）该方法基于一般粉黏土和黏土的试验成果，其对于具有胀缩性、超固结性和多裂隙性的膨胀土的适用性尚待探讨。（2）该方法中，动静比取0.450.5；然

13、而，路基改良土的动静比与土性、掺灰比、压实系数、饱和度、动荷载频率与循环次数有关，其变化范围一般较大，不应采用一个固定值。（3）干湿循环强度衰减系数选取失水率（干湿循环幅度）、塑性指数和压实系数作为影响因素，未考虑土性、掺灰比、干湿循环次数、饱和度的影响。 由以上文献可见，某些影响因素对石灰改良膨胀土临界动应力的影响规律和程度并未形成一致的观点，例如频率、含水率和干湿循环作用。本文基于振动三轴试验，获得不同状态下石灰改良膨胀土的临界动应力，试图对其脆性破坏机理和各种因素的影响规律与程度进行探讨。2 石灰改良膨胀土的振动三轴试验2.1 试验土样试验用土取自湖北荆门，呈黄褐色、硬塑状态，含黑色铁锰

14、结核，局部有白色填充物，其物理性质指标、矿物成分与颗粒组成见表1与表216，该土属弱膨胀土范畴。为探讨含水率变化对临界动应力的影响，振动三轴试验中控制含水率分别为：26.0 %（饱和）、23.5 %、21.0 %（制样含水率）、18.0 %、13.0 %，共5组。含水率的选取主要是为符合路基填土的实际持水状态，多数情况下路基填土的含水率在施工含水率上下徘徊，在少数大量降雨或干旱状态下路基土会出现饱和或极干燥状态。试样依据制样控制指标（表3）采用千斤顶静压法制备。试样制备完成后，在标准养护条件下养护至少28 d后，再依据实验要求进行含水率控制，目的是为将龄期对土体强度的影响降至最低。在室内基本恒

15、定的温度和湿度条件下，以制样含水率或饱和含水率为起点，采用让试样预先脱湿的方法，164增刊 周葆春等：循环荷载下石灰改良膨胀土临界动应力的探讨 表1 试验用土的物性参数Table 1 Physical properties of tested soil天然含水率/(% 土粒比重 自由膨胀率/(% 收缩系数 缩限 /(% 胀缩总率 /(% 天然重度/(kN/m3 干密度/(g/cm3 液限 /(% 塑性指数 体缩率 /(% 21.122.32.72420.269.90.7619.91.6842.121.26.3表2 矿物成分与颗粒组成Table 2 Mineral compositions an

16、d particle component矿物组成/(%颗粒组成/(%伊利石 蒙-伊混层高岭石石英>0.075mm0.0750.005mm25µm<2µm35±5± 40± 20± 13.257.314.5 15.0表3 石灰改良膨胀土的制样控制指标Table 3 Controlling index of sample preparation for lime-treated expansive soil土样类型掺灰比 /(%压实度 /(%干密度 /(g/cm3制样含水率/(%最优含水率/(%最大干密度 /(g/cm3石灰改

17、良膨胀土 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岩 土 力 学 2009年 图3 非饱和石灰改良膨胀土的d -N 关系曲线(w =18.0 %, N =5000, f =3 Hz, 3=25 kPaFig.3 d -N curves of unsaturated lime-treated ex

18、pansivesoil (w =18.0 %, N =5000, f =3 Hz, 3=25 kPa图4 破坏后的试样 Fig.4 damaged soil sample由图1可见，振次为5 000时，饱和石灰改良膨胀土在动应力幅值为100 kPa时，动应变仅为0.05 %；动应力幅值为150 kPa时，动应变低于0.2 %，且都趋于稳定；动应力幅值为190 kPa时，动应变值在0.3 %以内，但有增大的趋势。而当动应力幅值为200 kPa、振次仅为60时，动应变即达到3 %，且增大的趋势显著。由图2和图3可见，振次为5 000时，非饱和石灰改良膨胀土在动应力幅值为190 kPa时，动应变均在

19、0.3 %以内，且趋于稳定。而当动应力幅值为200 kPa时，振次仅为60时，动应变即达到3 %以上，且增大的趋势显著。这说明：循环荷载作用下石灰改良膨胀土的破坏形式为脆性破坏。循环荷载作用下，石灰改良膨胀土试样破坏前并未出现较大变形(图13中的0.03 %以内 ；而当动应力一旦达到某一应力值时，试样即产生明显的变形(图13中的3 %应变 且增大的趋势显著，由图4可见试样破坏后存在明显的破裂面，这种破坏形式与破坏前有较大塑性变形的破坏形式有显著区别，其为脆性破坏，因此其动强度采用某一应变(例如3 %或5 %对应的动应力值是不合适的，应采用临界动应力；石灰改良膨胀土的动力水稳定性较好。图1中，动

20、应力幅值为150 kPa时，饱和试样动应变低于0.2 %，且趋于稳定；动应力幅值为190 kPa时，动应变在0.3 %以内，有增大的趋势。这说明饱和试样的临界动应力值接近于190 kPa。而由图2和图3可见，非饱和石灰改良膨胀土的临界动应力取190 kPa是偏于安全的。这说明临界动应力受湿化作用影响会随含水率的增加而降低；但其影响程度较弱，石灰改良膨胀土的动力水稳定性较好。为探讨振动频率对石灰改良膨胀土临界动应力的影响，图5给出了含水率为21.0 %的石灰改良膨胀土在振动频率为5 Hz下的d -N 关系曲线。图5 非饱和石灰改良膨胀土的d -N 关系曲线(w =21.0 %, N =2000,

21、 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由图5可见，动应力幅值为190 kPa时，石2040 60 80振次/N (b动应变/d00.01020 40 60 80振次/N (b 动应变/d振次/N (a动应变/d振次/N (a动应变/d166增刊 周葆春等：循环荷载下石灰改良膨胀土临界动应力的探讨灰改良膨胀土的d -N 关系曲线后半段波动增大；当动应力幅值增至200 kPa，振次为60时，动应变即达到2

22、%。总体上看，石灰改良膨胀土的临界动应力值依然维持在190 kPa左右。这说明，随频率的增大，石灰改良膨胀土的临界动应力有减小的趋势。但其临界动应力对频率的改变并不敏感。3 讨 论3.1 循环荷载下石灰改良膨胀土脆性破坏机理探讨石灰对膨胀土的改性作用分为：生石灰消化放热反应，碳酸化（硬化）作用，离子交换与凝聚作用，火山灰反应（胶凝反应）；其中主要作用是胶凝反应和碳酸化作用，即土中分离出来的SiO 2、Al 2O 3与石灰中游离出来的Ca 2+形成水化硅、铝酸钙胶体，附在土颗粒表面及颗粒之间，硬化后起将土颗粒连接在一起的胶结作用18。这种胶结作用增强了土颗粒间的联结，使石灰改良土成为稳定土，反映

23、在力学指标上表现为凝聚力的提高。另一方面，黏性土的塑性性质取决于结合水的厚薄与数量19，虽然改性前后土体含水率没有变化，但改性过程中的生石灰消化放热反应和火山灰反应均消耗大量的水，导致土颗粒间结合水的减少，从而使土体塑性降低，而表现出脆性性质。动三轴试验中直接对土样施加轴向动应力，认为在45°平面上间接作用动剪应力；当施加轴向动应力d ±时，在45°平面上产生2d ±的动剪应力，每一周循环中，大主应力方向旋转90°。从固体力学的角度分析，试样在这种交变应力作用下，将在最大动剪应力2d ±面上或者存在初始制样缺陷的部位产生疲劳裂纹，当应

24、力交替变化时，裂纹两侧的材料时而压紧，时而张开，形成疲劳裂纹扩展区，当疲劳裂纹扩展到一定长度时，在临界动应力作用下，试样发生脆性破坏。 3.2 石灰改良膨胀土临界动应力的影响因素探讨综合分析雷胜友等1、贺建清4、杨献永5、卢永贵等9的试验结果以及本文采用掺灰比3 %、压实度95 %的情况下临界动应力值较为稳定的试验结果表明：作为石灰改良膨胀土的质量控制指标，掺灰比和压实系数是影响石灰改良膨胀土临界动应力的主要因素。从本文的试验结果和卢永贵等9的试验结果看，石灰改良膨胀土临界动应力的水稳定性较好。孙明智10的试验结果表明：干湿循环作用下石灰改良粉黏土的临界动应力从300 kPa（失水率0 %）降

25、低到260 kPa（失水率45 %），降低幅度不大；赵明龙等12的试验结果表明：水泥改良粉质黏土与水泥改良粉土的临界动应力经12次干湿循环后趋于稳定。据此，本文认为石灰改良膨胀土临界动应力会因干湿循环作用而有一定程度的降低，但降低幅度不大。本文的试验结果表明频率的增大，石灰改良膨胀土的临界动应力有减小的趋势，但其影响程度较弱；雷胜友14的研究结果表明在频率为110 Hz范围内，未发现频率对石灰改良膨胀土临界动应力的影响。段俊彪20的研究表明，当围压由50 kPa增加到150 kPa，石灰改良膨胀土的临界动应力由110 kPa增加到140 kPa，而路基工程中基床范围内路基的侧向应力大体为206

26、0 kPa，由此可见，围压对其临界动应力的贡献不大。究其原因，本文认为是石灰改性导致的土体塑性降低，从而表现出脆性性质，导致石灰改良膨胀土的临界动应力对外部动静荷载形式与程度（振动频率和围压）不敏感。4 结 论基于本文的试验结果、石灰改良膨胀土脆性破坏机理探讨和临界动应力的影响因素探讨表明，由于石灰的改性作用，导致改良后膨胀土的塑性降低，表现出脆性性质，质量控制指标（掺灰比和压实系数）是影响石灰改良膨胀土临界动应力的决定性因素，因为动力水稳定性较好，石灰改良膨胀土临界动应力受含水率变化的影响有限，而外部动静荷载形式与程度（振动频率和围压）的影响程度较弱。即在保证掺灰比和压实系数的前提下，石灰改

27、良膨胀土的临界动应力能够维持在一个比较稳定的范围内，如同本文中的190 kPa左右；而时速300350 km客运专线列车荷载动应力不超过100 kPa15，这说明经石灰改良后膨胀土能够满足高速铁路路基填料的强度要求。此外，考虑到室内试验中石灰与膨胀土的拌合程度要高于现场情况，上述结论对于实际基床填料的适用程度尚待探讨。参 考 文 献1 雷胜友, 李克钏. 膨胀土的动力特性研究J. 成都科技大学学报, 1995, 27(3: 2024.2 杨广庆, 管振祥. 高速铁路路基改良填料的试验研167168 究J. 岩土工程学报, 2001, 23(6: 682685. 3 4 5 6 7 岩 土 力 学 2009 年 疲劳强度影响的试验研究J. 中国铁道科学, 2005, 26(2: 2528. 13 蔡英, 曹新文. 重复加载下路基土的临界动应力和 永久变形初探J. 西南交通大学学报, 1996, 31(1: 1 5. 14 雷胜友, 惠会清. 膨胀土及其改良土静动力特性对比 分析J. 岩石力学与工程学报, 2004, 23(17: 3003 3008. 15 中华人民共和国铁道部. 铁建设200747 号, 新建 时速 300350 公里客运专线铁路设计暂