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水泥改良土力学特性试验研究
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第34卷第1期 20l0年2月 北京交通大学学报 Vo1.34 No.1 OURNAL OF BEIJING JIA0T0NG UNIVERSITY Feb.2O10 文章编号:1673.0291【2010)01.0064.04 水泥改良土力学特性试验研究 王天亮 ,刘建坤 田亚护 ,Roman L.T.2,(1.北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044;2.莫斯科国立大学地质分院,莫斯科117390) 摘要:在大量动静三轴试验的基础上,研究了水泥改良土试样的应力.应变关系,掺和比及围压等 影响因素,以及临界动应力、累计塑性应变、弹性应变及回弹模量的变化规律,同时,还研究了水泥 土的回弹模量和动弹性应变与振动次数的变化规律.试验结果表明:水泥土的应力.应变曲线呈软 化型,存在明显的应力峰值点;动应力存在一个临界值,土体的变形分为衰减型、破坏型及临界型; 水泥土的临界动应力是素土的两倍以上,随掺和比的增加而增长,但增长趋势变缓. 关键词:水泥土;应力 应变关系;临界动应力;回弹模量;弹性应变 中图分类号:TU435 文献标志码:A Experiment Research on Mechanical Properties of Cement Modified Soil WANG Tianliang ,LIU Jiankun , , ⅣYahu ,Roman .T. (1.School of Civil Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China; 2.Geological Department,Moscow State University Moscow 1 17390,Russia) Abstract:Based on lots of static and dynamic tri-axial tests,the variation laws of stress-strain relation— ship,the influence factors of blend ratio and confining pressure,critical dynamical stress,accumulation plastic strain,elastic strain and resilient module of cement soil are studied.Meanwhile,the variation of resilient modulus and elastic strain with load cycles is also researched.The results show that the stress. strain relationship of cement soil is work softening,and with an obvious peak spot.There is a dynamic stress threshold which divides the deformation of soil into decline.state.destructive.state and critica1. state.The critical dynamic stress of cement soil iS two times more than soil.and slowlv increases with the blend ratio. Key words:cement soil;stress strain relationship;critical dynamic stress;resilient module;elastic strain 高速铁路建设中要求基床表层必须使用具有 格级配要求的级配砂砾石和级配碎石,基床底层 在列车动荷载的作用下,路基基床的动态特性: 临界动应力、累计塑性应变、弹性应变和回弹模量对 先使用A、B组填料或改良土.细粒土的含量小 15%为A组,15%~30%之间为B组,大于30% c组.但铁路沿线往往A组优质填料缺乏,B组填 也不多.显然要扩大可用的填料范围,也就是将部 高速铁路的行车安全会产生重大影响,当路基填料 的临界动应力小于作用其上的列车动应力时,将会 引起翻浆冒泥、侧向挤出和线路不平顺等现象,因此 研究改良土的静动力特性十分必要.目前,有关水泥 改良土力学特性的研究成果不是很多,Yarbasi[1_对 水泥、石灰和粉煤灰3种改良土进行了冻融循环试 的c和D组填料经改良后使用,基层底层填料改良 问题成为高速铁路路基设计中的重要内容. 收稿日期:2009.06—23 基金项目:国家自然科学基金(国际合作项目)(50911120080);北京交通大学校科技基金资助(2008RC041) 作者简介:王天亮(1981一),男,河北保定人,博士生. ̄maih07115283@bjtu.edu.an. 刘建坤(1965一),男,山东临沂人,教授,博士,博士生导师. 第1期 王天亮等:水泥改良土力学特性试验研究 验,通过抗压强度、加利福尼亚承载比、超声波和共 振柱等参数的对比,表明3种改良土具有良好的抗 冻融耐久性,明显改善了素土的动力性能.Laureano Ren6 HovosE ]通过采用水泥、粉煤灰、石灰和聚丙烯 纤维混合剂改良富硫酸黏土,研究了化学改良土的 线性剪切模量和材料阻尼.Aiban[3]研究了萨勃哈环 境下土工织物和水泥改良基床填料的承载能力及回 弹模量,结果表明萨勃哈填土得到了良好的改善.杨 广庆[ ]进行了水泥改良土的动三轴试验,研究了水 泥土的临界动应力、累计塑性变形、弹性变形和回弹 模量的变化规律及影响因素.孙明智l J通过动三轴 试验得出了水泥改良土的临界动应力和动静比.段 俊彪l6 J研究了水泥及石灰改良土的临界动应力和 动应力.应变关系,证明了水泥土和石灰土动力特性 的不同和变化规律. 本文作者通过动静三轴试验,对水泥改良土进 行了深入的试验研究,探讨了改良土的静力特性和 动力特性变化规律. 1试样制备及试验设计 1.1试样制备及物理性质 1)土样的物理性质.土样取自哈大客运专线鞍 山某土料堆填场,为东北黏性土质,全部颗粒粒径小 于0.25 mm,其中粒径在0.25 0.075 mm之间的 颗粒含量为17.5%,在0.075~0.005 mm之间的颗 粒含量为41.5%,小于0.005 mm的颗粒含量达到 40%以上.土样的主要的物理指标为:液限,48.6%; 塑限,21.5%;塑性指数,27.1%;最优含水量, 18.1%;最大干密度,1.80 g/cm3. 2)试验选用水泥掺合料对东北黏土进行改良, 水泥为32.5级的矿渣硅酸盐水泥,初凝时间近4 h; 试验中掺合料与干土的百分比按3%、6%、9%和 12%配比配制土样;水泥土的最大干密度高出素土 的最大干密度0.01~0.03 g/cm ,但随掺和比增减 变化不明显,见表1. 表1水泥改良土试样的制备 Tab.1 Preparation of cement soil samples 3)试样制备:按制样含水量(见表1)要求加蒸 馏水拌匀浸润一昼夜,待制样前向土中加入所需的 水泥拌匀进行制件,制件时间不应超过水泥的初凝 时间.水泥土按95%的压实度控制干密度,利用三 瓣饱和器分5层击实而成,试样高度H=80 mm, 直径D=39.1 mm,放在保湿缸中常温养护7 d.为 了更好的进行对比,同时制备了素土试样. 1.2试验设计 试验在MTS810土动三轴仪上进行,采用应力 控制式单循环加载,振动频率厂=4 Hz,动荷载以正 弦波的形式输入,围压为20 kPa、50 kPa、80 kPa、 100 kPa.数据采集由与MTS810土动三轴仪匹配的 自动数据采集系统完成,所采集的数据包括循环时 间、荷载、围压、位移. 为了对比动三轴的试验结果,也进行了水泥改 良土的静强度试验,试验均在GDS公司制造的非饱 和土三轴压缩仪上进行,该仪器为应变控制式,控制 应变为10%,加载速率为0.5 mm/min,自动采集. 2试验结果分析 2.1改良土的应力.应变关系 静三轴试验结果如图1和图2所示. 2.O 1.6 1.2 _l0.8 O.4 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 应变s 图2不同围压下6%水泥土的应力.应变关系 Fig.2 Stress—strain curves of 6%cement soil with different confining pressure 从 .£曲线可以看出,曲线存在明显的应力峰 值点,呈现应变软化状态.应力峰值点随着配比的增 加而增长,低配比水泥土的 —e曲线特性相似,12% 水泥土的cr-£曲线随着轴向应变的增大,在出现一 北京交通剁 嘁 大学学报 第34卷 O O O O O O O O ∞∞∞∞吣∞∞∞0 8 7 6 5 4 3 2 1 个较高的峰值点后,会出现第2个峰值点,如图1所 水泥土的临界动应力较素土提高两倍以上,随着 示.对于6%水泥土,不同围压下 £曲线为应变软 化型,每个应力峰值点及对应的轴向应变随围压的 增大而增大,如图2所示.从而说明水泥改良土表现 出明显的脆性. 2.2临界动应力 在不同的动应力作用下,素土、3%水泥土和 6%水泥土的累积塑性应变e。与循环荷载次数半对 数1g J7v的关系如图3所示. l0 1OO 1000 10000 振动次数lgN (a)素土 O O 。 。 o 0 10 100 1000 10000 振动次数lgⅣ (b)3%水泥土 005 004 003 002 Ⅲ谣 O0l O l lO l00 l000 l0000 振动次数lgN (c)6%水泥土 图3素土及改良土的ep-lg N关系曲线 Fig.3 。p—lg N curves of soil and modified soil 由图3可知,存在着某一动应力值,当动应力小 于该值时,土样基本处于弹性应变阶段,塑性应变很 小,并趋于稳定;动应力超过该值时,随振动次数的 增加,土体的塑性应变逐渐累积,经过一定的循环次 数后,土体的累积塑性应变急剧增大直至破坏,这一 动应力称为临界动应力[ .本次试验将与破坏曲线 最接近的强化曲线对应的动应力作为临界动应力. 水泥掺和率的增加而增加,增长幅度逐渐变缓,见图 4.选用6%水泥土进行了不同围压下的动三轴试验, 试验结果表明,水泥土的临界动应力随着围压的增加 而增加,增加幅度大于围压的增加幅度,见图5. 1 b: 掺和率/% 围压/kPa 图4临界动应力与掺和率的关系 图5临界动应力随围压的变化 Fig.4 Curves ofcritical dynamic Fig.5 Curves ofcritical dynamic stress VS.blend ratio stress VS.confining pressure 2.3回弹模量与弹性应变 图6和图7为在不同的动应力作用下,6%水泥 土的回弹模量Ed及弹性应变e 与振动次数半对数 lg J7、r的关系曲线. 450 400 35o 300 250 :置2噩L 00 15O 1 10 100 1000 10000 振动次数1gⅣ 图6 6%水泥土的Ea-lg N关系曲线 Fig.6 Ed—lg N carves of 6%COlTlent modified soil 5.O 800kPa 宝4.0 850kPa 900kPa 3.0 750kPa 2.o 1.O 1 10 100 1000 10000 振动次数lgN 图7 6%水泥土的s。・ Ⅳ关系曲线 Fig.7 e—lg N carves of 6%cement modified soil 回弹模量为动应力幅值与弹性应变的比值,即 Ed=O"d/e .当土样所受应力为临界动应力时,对应 的回弹模量为临界回弹模量. 由图6和图7可以看出:①当动应力小于临界 动应力时,水泥土的回弹模量在一定的振动次数之 后基本保持常数,不随振动次数的增加而变化.当动 应力大于临界动应力时,随着振动次数的增加,回弹 模量随之波动并逐渐减小.②当动应力小于临界动 应力时,弹性应变随荷载作用次数的增加基本保持 第1期 王天亮等:水泥改良土力学特性试验研究 67 不变.但当动应力接近或大于临界动应力时,弹性应 [2]Laureano Ren6 Hoyos,Anand J Puppala,Phonlawut 变有一定的波动,其大小随荷载作用次数的增加而 Chainuwat.Dynamic Propertise of Chemically StabiUzed 增加.③在某一振动次数下,弹性应变随动应力的增 Sulfate Rich Clay[J].Journal of Geotechnical and Geo_ 加而增大. Environmentla Engineering,2004,130(2):153—162. [3]Aiban SA,A1-AhmadiH M,AsiI M,et a1.Effcet of‰Tex— 3结论 tile and Cement on the Performance of Sabkha Sub-Grade[J]. Building and Environment,2006,41:807—820. 1)水泥土的应力.应变曲线呈应变软化型,具有 [4]杨广庆.水泥改良土的动力特性试验研究[J].岩石力 明显的应力峰值点,表现为脆性破坏. 学与工程学报,2003,22(7):1156—1160. 2)素土及改良土在动荷载作用下累积塑性变形 YANG Guangqing.Study of Dynamic Performance of Cement 随循环荷载作用次数增加而增长,由临界动应力将 Improved S0 J].Chinese Journal of Rock Mechanics and En— 曲线分为衰减型、破坏型及临界型3种状态.水泥土 gineering,2003,22(7):1156—1160.(in Chinese) 的临界动应力随配比的增加而增长,增长幅度逐渐 [5]孙明智.改良土的临界动应力及动静比[J].路基工程, 变缓.同时随围压的增加而增大. 2004,113(2):30—32. 3)6%水泥土的回弹模量Ed及弹性应变£ 与 SU N Mingzhi.The Critical Dynamic Stress and Dynamic 振动次数lgⅣ关系变化曲线以临界动应力为分界 to Static Ratio of Modiifed Soft[J].Subgrade Engineering, 点而有不同的特征. 2004,113(2):30—32.(in Chinese) [6]段俊彪.水泥及石灰改良土填料动力特性试验分析[J]. 4)东北黏土经水泥改良后,具有较好的工程特 铁道勘察,2006(4):39—41. 性,建议水泥掺合比在4%~6%之间. 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