Dynamic characteristics of salted soft soil
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摘要: 盐渍化软土路基容易产生翻浆、盐胀、冻胀、腐蚀等不良工程特性,因此研究其力学特性意义重大。开展了室内土工试验,据现场勘察提出了4种盐渍化软基处置方案。并针对改良的盐渍化软土和重塑土动力特性进行研究,主要对比分析盐渍软土以及两类改良盐渍软土的动剪切模量比和阻尼比随应变变化的关系,试验结果表明：掺入水泥石灰粉煤灰对路基的承载力改善优于砂砾。两种改良土的动弹性模量都明显增加,且水泥石灰粉煤灰的对盐渍化软土动力特性的提升效果明显优于砂砾。Abstract: The saline soft soil roadbed is easily subjected to poor engineering characteristics such as mud boiling, salt heave, frost heave and corrosion, so it is of great significance to study its mechanical characteristics. The indoor geotechnical tests are carried out, and four treatment schemes for saline soft foundations are put forward based on the on-site surveys. The dynamic characteristics of the improved saline soft soil and remolded soil are investigated, and the relationship between the dynamic shear modulus ratio and the damping ratio of the saline soft soil and the two types of improved saline soft soil with strain is compared and analyzed. The results show that the improvement of the bearing capacity of the roadbed by adding cement, lime and fly ash is better than that by adding sand gravel. The dynamic elastic modulus of the two kinds of improved soils significantly increase, and the improvement effect of cement lime fly ash on the dynamic characteristics of saline soft soil is obviously better than that of sand gravel.
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0. 引言
软土地基具有含水率大、强度低、压缩性高、渗透性弱等特征,在受到扰动或振动时易丧失强度[1]。万胜等[2]以鄱阳湖区典型软土为例,利用GDS三轴剪切试验研究了湖相软土的三轴剪切应力-应变曲线、基质吸力与偏应力的关系、围压与偏应力的关系,邱国阳等[3]基于软土的常规三轴固结排水蠕变试验,得到了温州地区原状软土在不同应力状态下的蠕变试验曲线。而有研究表明行车动荷载对软基土变形的影响要大于静荷载的影响[4]。马剑飞等[5]利用意大利Controls公司的WF动三轴仪进行固结和多振次循环荷载试验,研究了交通荷载作用下软土变形特征及微结构演变,崔兵等[6]通过设计的交通荷载作用下低路堤软黏土地基动力模型试验,得到了低路堤软黏土路堤在交通荷载不同强度、不同频率作用下的土压力和孔隙水压力变化规律。Hyde等[7]用Keuper Marl淤泥质黏土,在蠕变荷载和反复荷载下分别进行循环加荷试验。试验结果表明,可以采用应变率和时间关系来反映塑性应变的累积,应变速率没有明显的变化。Muhanna[8]曾进行过土三轴循环加载试验,分析循环加载所产生的塑性变形行为。上述文献中对动荷载下公路软基力学行为研究多以原状土为主,很少对改良后的软土力学行为开展研究。
学者对盐渍化软基提出了很多处理方法[9-11]。我国西北地区盐渍土分布广泛,但尚无见诸报道的软流塑—软塑状态黄土状粉土与盐渍土结合的工程案例。通过室内土工试验和动荷载三轴试验,在地基土处理方案得基础上,对不同配方的盐渍化软土的动力特性对比研究,提出了改良盐渍化软土的最优配。
甘肃境内某高速公路局部位置地势低洼,路线两头略高,中段较低,受灌溉影响,地下水位较高,常年渗水。地层表层黄土粉土呈流塑—软塑状态,工程力学性质差,承载力低,特殊岩土为松软土和盐渍土。
1. 室内土工试验
1.1 盐渍软土基本物理特性试验
主要进行的试验有：基本物理参数测定、液塑限测定、筛分试验。
（1）盐渍软土基本物理参数试验
据统计,黄土的干密度一般常介于1.40～1.70 g/cm3[10],如图1所示地表以下7 m内的平均干密度为1.61 g/cm3。据统计,黄土的干密度一般常介于43%～53%[10],如图2所示地表以下7 m内的平均孔隙率为40.65%,孔隙率偏低。
（2）盐渍软土的液塑性参数试验
绘制含水率、液限和塑限随深度变化曲线如图3所示。
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图 3 含水率、液限和塑限随深度变化Figure 3. Change of water content, liquid limit and plastic limit with depth由试验结果得塑性指数平均值为10.1,由图3可得地表以下7 m内的平均天然含水率为17.9%,介于平均塑限含水率14.05%和平均液限含水率22.13%之间,且液性指数IL处于0.09～0.93。
（3）土工筛分试验
由筛分结果可得地表深度小于5 m时,土颗粒直径小于0.5 mm,且绝大部分为0.075 mm以下粒径；0.5～2 m深度范围为黄土状粉土,且呈流塑—软塑状态,此类土排水性较差,且本身力学性能较差,再加之含水率较大,承载力极低。其下为砂土,主要为粉细砂、中粗砂及砾砂,厚2～5 m。
1.2 基于盐渍化软基的处理方案研究
针对盐渍软土工程特性研究的现有成果,通过调研,在排水与减水的基础上,选用如下4种地基处治方案做为提出优化方案的基础。
（1）片石挤淤预压方案具体措施：地基清表30 cm后再下挖50 cm,换填150 cm厚片石,上部再填筑130 cm厚的砂砾土。
（2）水泥灰土改良方案：地基清表30 cm后再下挖50 cm,对其下150 cm盐渍软基添加水泥、粉煤灰和石灰等材料进行改良。
（3）强夯置换墩方案具体措施：地基清表30 cm后再下挖50 cm,按正三角形布设夯点。
（4）高压喷射注浆方案具体措施：地基清表30 cm后再下挖50 cm,利用高压喷射水泥浆处理盐渍土软基。
2. 改良盐渍软土试验
2.1 试验方案
在重塑土试样基础上,采用两种基本配方,并分别调整相关成分含量,各形成3种不同改良配比的配方,如表1所示,分别进行轻型击实试验和三轴试验以探寻改良效果与规律。
表 1 盐渍软土试件配方Table 1. Schemes of saline soft soil samples试样类型 配方 对应处治方案 重塑土 原有地层,不掺加材料 不改良直接压实 Ⅰ型/砂砾含量百分比 Ⅰ-1 40% — Ⅰ-2 60% 片石挤淤预压方案 Ⅰ-3 80% 强夯置换墩方案 Ⅱ型/水泥∶粉煤灰∶石灰∶盐渍土的重量比 Ⅱ-1 0.04∶0.3∶0.06∶0.6 — Ⅱ-2 0.06∶0.25∶0.06∶0.63 高压喷射注浆方案 Ⅱ-3 0.08∶0.20∶0.06∶0.66 水泥灰土改良方案 2.2 轻型击实试验结果分析
按照不同配方两类试样土,分别掺入不同比例的水,测量其在不同含水率下的干密度,最终得出Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3型试样土和Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3型试样土的最优含水率和最大干密度的关系,见图4,5。
Ⅰ型改良盐渍土砂砾含量增大,最优含水率降低,Ⅱ型改良盐渍土随着水泥、石灰含量的增加,最优含水率依次增大。Ⅱ型改良盐渍土的最优含水率大于Ⅰ型改良盐渍土。
Ⅰ型改良盐渍土随着砂砾含量的增加,由40%增加到60%时,最大干密度增加。对于Ⅱ型改良盐渍土在水泥、石灰含量的增加的过程中,最大干密度减小。Ⅰ型改良盐渍土的最大干密度大于Ⅱ型改良盐渍土。可见Ⅱ型改良盐渍土效果更好。
由图6,7可知,Ⅰ型改良土当围压为200,300 kPa时峰值主应力差随砂砾含量增加先增加后减小,因此,Ⅰ-2型改良土在Ⅰ型中其承载特性表现最好。Ⅱ型改良土峰值主应力差明显比Ⅰ型改良土要大,说明Ⅱ型改良土的承载能力较Ⅰ型改良土好。
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图 6 Ⅰ型改良土峰值主应力差随砂砾含量变化曲线Figure 6. Change of peak principal stress difference of type Ⅰ modified soil with gravel content![]()
图 7 Ⅱ型改良土峰值主应力差随砂水泥、石灰含量变化曲线Figure 7. Curve of variation of peak principal stress difference of type Ⅱ improved soil with sand cement and lime content2.3 三轴试验结果分析
由图6,7可知,Ⅰ型改良土当围压为200,300 kPa时峰值主应力差随砂砾含量增加先增加后减小,因此,Ⅰ-2型改良土在Ⅰ型中其承载特性表现最好。Ⅱ型改良土峰值主应力差明显比Ⅰ型改良土要大,说明Ⅱ型改良土的承载能力较Ⅰ型改良土好。对重塑土和Ⅰ、Ⅱ型改良土的c,
φ 值进行比较,见表2,3。表 2 重塑土和Ⅰ型土с和φ 值Table 2. Values of с andφ between remolded soil and type I soil土样类型 с/kPa φ /(°)重塑土 39.2 23 Ⅰ-1型土 73.4 24 Ⅰ-2型土 106.5 20 Ⅰ-3型土 121.6 21 表 3 重塑土和Ⅱ型土с和φ 值Table 3. Values of c andφ between remolded soil and type Ⅱ soil土样类型 с/kPa φ /(°)重塑土 39.2 23 Ⅱ-1型土 108.7 26 Ⅱ-2型土 123.6 29 Ⅱ-3型土 100.0 32 加入砂砾后,对原土样的级配有所改善,使其黏聚力c值随着含砂量的增加而增大,增加值分别为原重塑土的4.02倍、7.34倍、8.67倍。试样土中掺入水泥量的增加,土体试样的с值先增加后减小,3种试样土增加分别为6.58倍、8.01倍、5.71倍。综合比较而言Ⅱ-2型改良土在Ⅱ型中承载能力表现最好。
3. 改良盐渍软土动三轴试验
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图 8 Ⅰ-2型土动应变与动应力关系曲线Figure 8. Relationship between dynamic strain and dynamic stress of type Ⅰ-2 soil![]()
图 9 Ⅰ-2型土动应变与动弹模倒数关系曲线Figure 9. Relationship between dynamic strain of type Ⅰ-2 soil and the reciprocal of dynamic elastic modulus![]()
图 10 Ⅰ-2型土动应变与动弹模关系曲线Figure 10. Relationship between dynamic strain and dynamic elastic modulus of type Ⅰ-2 soil图8知Ⅰ-2型土的动应力和动应变关系符合双曲线模型,图10知Ⅰ-2型土的动应变与动弹性模量的倒数成正比关系。
将动三轴试验测得的动弹性模量和动应变,换算为动剪切模量和动剪应变：
G=Ed2(1+ν), (1) γd=εd(1+ν)。 (2) 式中
ν 为泊松比。对试验结果非线性曲线拟合,分别得到了3条剪模比曲线（G/Gmax -γd ）和3条阻尼比曲线（λ -γd ）见图11～13。![]()
图 11 Ⅰ-2型土样动三轴试验结果Figure 11. Results of dynamic triaxial tests on type Ⅰ-2 soil samples![]()
图 12 Ⅱ-2型土样动三轴试验结果Figure 12. Results of dynamic triaxial tests on type Ⅱ-2 soil samples主要分析土样的动弹性模量E0和阻尼比
λ ,以其作为不同处理材料的优劣的标准。其中Ⅰ-2型土、Ⅱ-2型土和重塑土3种土样的相关参数值见表4。表 4 土样动弹性模量E0和阻尼比λ Table 4. Values of dynamic elastic modulus and damping ratio of soil samples土样 动弹性模量E0/MPa 阻尼比 λ Ⅰ-2型 1796.3 0.091~0.131 Ⅱ-2型 2212.4 0.087~0.119 重塑土 1258.2 0.097~0.139 改良土的动弹性模量明显增加,Ⅰ-2型土和Ⅱ-2型土的值分别为原重塑土的1.43和1.76倍；阻尼比范围较重塑土有所降低,Ⅱ-2型土降低程度大于Ⅰ-2型土。所以Ⅱ-2型土的动力学性质优于Ⅰ-2型土。
4. 结论
（1）Ⅰ型改良土黏聚力c值和
φ 值且随着含砂量的增加在20°～26°之间变化不大。考虑材料强度提高方面,需要同时考虑c和φ 值的变化效应,选择最佳的含砂量。（2）Ⅱ型改良土随着试样土中掺入水泥量的增加,土体试样的c值先增加后减小,
φ 值随着掺入水泥量的增加而增加,在25.6°～34°。（3）Ⅱ型改良土的承载能力较Ⅰ型改良土好,可见水泥对盐渍化软土的改善效果较砂砾效果更好。
（4）改良土的动弹性模量明显增加,阻尼比范围较重塑土有所降低,Ⅱ-2型土降低程度大于Ⅰ-2型土,Ⅱ-2型土的动力学性质优于Ⅰ-2型土。由于Ⅱ-2型土中水泥石灰发生水化反应,生成了稳定性、强度更高的硅酸钙,而Ⅰ-2型土中砂砾的加入只是改善了盐渍软基的物理特性,而对动力特性的提升低于水泥。
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图 3 含水率、液限和塑限随深度变化
Figure 3. Change of water content, liquid limit and plastic limit with depth
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图 6 Ⅰ型改良土峰值主应力差随砂砾含量变化曲线
Figure 6. Change of peak principal stress difference of type Ⅰ modified soil with gravel content
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图 7 Ⅱ型改良土峰值主应力差随砂水泥、石灰含量变化曲线
Figure 7. Curve of variation of peak principal stress difference of type Ⅱ improved soil with sand cement and lime content
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图 8 Ⅰ-2型土动应变与动应力关系曲线
Figure 8. Relationship between dynamic strain and dynamic stress of type Ⅰ-2 soil
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图 9 Ⅰ-2型土动应变与动弹模倒数关系曲线
Figure 9. Relationship between dynamic strain of type Ⅰ-2 soil and the reciprocal of dynamic elastic modulus
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图 10 Ⅰ-2型土动应变与动弹模关系曲线
Figure 10. Relationship between dynamic strain and dynamic elastic modulus of type Ⅰ-2 soil
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图 11 Ⅰ-2型土样动三轴试验结果
Figure 11. Results of dynamic triaxial tests on type Ⅰ-2 soil samples
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图 12 Ⅱ-2型土样动三轴试验结果
Figure 12. Results of dynamic triaxial tests on type Ⅱ-2 soil samples
表 1 盐渍软土试件配方
Table 1 Schemes of saline soft soil samples
试样类型 配方 对应处治方案 重塑土 原有地层,不掺加材料 不改良直接压实 Ⅰ型/砂砾含量百分比 Ⅰ-1 40% — Ⅰ-2 60% 片石挤淤预压方案 Ⅰ-3 80% 强夯置换墩方案 Ⅱ型/水泥∶粉煤灰∶石灰∶盐渍土的重量比 Ⅱ-1 0.04∶0.3∶0.06∶0.6 — Ⅱ-2 0.06∶0.25∶0.06∶0.63 高压喷射注浆方案 Ⅱ-3 0.08∶0.20∶0.06∶0.66 水泥灰土改良方案 
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表 2 重塑土和Ⅰ型土с和
φ 值Table 2 Values of с and
φ between remolded soil and type I soil土样类型 с/kPa φ /(°)重塑土 39.2 23 Ⅰ-1型土 73.4 24 Ⅰ-2型土 106.5 20 Ⅰ-3型土 121.6 21
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表 3 重塑土和Ⅱ型土с和
φ 值Table 3 Values of c and
φ between remolded soil and type Ⅱ soil土样类型 с/kPa φ /(°)重塑土 39.2 23 Ⅱ-1型土 108.7 26 Ⅱ-2型土 123.6 29 Ⅱ-3型土 100.0 32
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表 4 土样动弹性模量E0和阻尼比
λ Table 4 Values of dynamic elastic modulus and damping ratio of soil samples
土样 动弹性模量E0/MPa 阻尼比 λ Ⅰ-2型 1796.3 0.091~0.131 Ⅱ-2型 2212.4 0.087~0.119 重塑土 1258.2 0.097~0.139
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