Deformation characteristics of modified iron tailings under different cyclic loading modes
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摘要: 利用聚丙烯纤维和水泥改性铁尾矿砂，并将其应用于路基工程是实现铁尾矿资源化利用的有效手段。通过动三轴试验探究了不同循环加载模式下纤维掺量、动静比和龄期对纤维水泥改性铁尾矿砂(FCIT)变形特性的影响。研究结果表明：①间歇加载和逐级加载下FCIT的变形行为在7 d龄期时处于塑性安定和塑性蠕变状态；②对比持续加载和间歇加载变形情况，发现间歇加载下FCIT的累积应变(εp)变化幅度总体上小于持续加载作用引起的εp变化幅度；③逐级加载下FCIT的累积应变被赋予倍数系数后，可较好预测持续加载下的累积应变。修正后的累积应变满足幂函数和线性函数组成的预测公式。Abstract: Using polypropylene fiber and cement to modify iron tailings, the effects of fiber content, dynamic-static ratio and curing age on the deformation characteristics of the fiber cement-modified iron tailing (FCIT) under different cyclic loading modes are explored through the dynamic triaxial tests. The research results show that: (1) The deformation behaviors of FCIT under intermittent loading and progressive loading are in the state of plastic stability and plastic creep at curing age of 7 d. (2) By comparing the deformations of continuous loading and intermittent loading, it is found that the variation range of the cumulative strain (εp) of FCIT under intermittent loading is generally smaller than that of εp caused by continuous loading. (3) Assigning a multiple factor to the cumulative strain of FCIT under progressive loading improves predictions for the cumulative strain under continuous loading. The corrected cumulative strain satisfies the prediction formula composed of power function and linear function.
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0. 引言
伴随中国南海岛礁的建设和“一带一路”战略规划的实施，珊瑚礁砂的液化特性及地基处理方法成为工程界的热点问题之一[1-4]。碎石桩作为工程常用的一种地基抗液化处理方法，利用改善地基排水条件和振密桩周土体，使地基抗液化强度提高。然而，多次强震荷载下碎石桩长期服役的抗液化性能及淤堵性缺乏研究；同时，珊瑚礁砂地基碎石桩的抗液化有效性也尚待深入探究。
目前，国内外诸多学者利用单元试验（共振柱、动三轴等）、振动台和数值分析等手段，对珊瑚礁砂液化特性及地基处理方法开展了大量研究。如：Chen等[2]采用不排水循环三轴探讨了珊瑚礁砂的模量阻尼比特性及抗液化强度。Xiao等[3]通过动三轴试验论证了MICP法处理降低珊瑚砂液化风险的有效性。秦志光[4]基于原位勘察测试方法，分析了强夯、振冲等方法对珊瑚礁砂地基抵抗液化的加固效果；刘凯[5]联合多种研究手段，研究倾斜场地碎石桩处理地基地震液化变形规律。总之，珊瑚礁砂场地抗液化强度及处理方法有效性，尚有待深入研究，辟如：刘凯[5]分析动力离心试验碎石桩长期服役性能时，指出碎石桩渗入细粒而发生淤堵，但多次强震下超静孔压消散速率并未明显改变，二者相悖。
本文以东帝汶Tibar港口码头工程为背景，开展珊瑚礁砂碎石桩动力离心模型试验，施加序列强震荷载，利用碎石桩剖面图像观测、试验前后级配测试、超静孔压比消散速率变化等分析，探讨多次强震下碎石桩淤堵性及排水性能变化，为评判碎石桩长期服役的有效性和工程建设提供参考。
1. 动力离心试验设备与模型设计
1.1 试验设备
本次试验在中国地震局工程力学研究所振动负载1500 kg动力离心机上开展，其主机及振动台如图 1所示。该试验设备的主要技术指标：有效负载300 g·t，离心加速度100g，最大半径5.5 m，振动加速度30g，振动速度1 m/s，振动位移10 mm，振动频宽10~300 Hz，振动台台面有效尺寸为1.6 m×0.8 m，配置160 ch动态数据采集系统。试验选取柔性剪切模型箱，内尺寸1.2 m×0.5 m×0.65 m。
1.2 试验模型材料
本次试验采用Tibar港口工程原位珊瑚礁砂，原始土样颗粒级配宽，属于粗粒土，如图 2所示。动力离心试验作为一种缩尺物理试验，考虑《土工离心模型试验技术规程》（DL∕T 5102—2013）[6]的规定：“对于粗粒土，允许最大粒径应不超过1/20~1/10模型宽度，其平均粒径不超过1/250~1/60模型宽度”，借鉴以往学者们对珊瑚礁砂试验剔除2 mm以上颗粒来避免粒径效应[7]，本文试验保留了2~5 mm颗粒，仅剔除 > 5 mm颗粒，既能满足《规范》的粒径效应要求，又有助于反映真实的工程土体力学行为，剔除后的试验珊瑚礁砂级配如图 2所示。
碎石桩的面积置换率、桩型等设计参数与工程原型保持一致，确定碎石桩置换率14.5%，按正三角形布设，为悬浮桩。并为避免尺寸效应影响，确定碎石桩直径为80 mm，由置换率确定桩间距为200 mm，碎石桩级配考虑其主要依赖快速排水能力实现地基发生液化风险和程度的降低，按工程原型碎石桩与场地土体渗透系数比值800作为主要控制参数进行设计，同时考虑粒径效应与碎石桩直径、原型碎石级配相似等因素，设计的碎石桩级配如图 2所示。试验模型地基和碎石桩材料的基本物理力学参数，见表 1。
表 1 试验材料基本物理力学参数Table 1. Physical properties of test materials试验材料 Gs ρmax/ (g·cm-3) ρmin/ (g·cm-3) emin emax k/ (cm·s-1) 珊瑚礁砂 2.785 1.826 1.386 0.525 1.009 5.1×10-3 碎石桩 2.370 1.754 1.446 0.248 0.580 4.443 1.3 模型设计与试验方案
试验模型设计与量测方案如图 3所示，地基土为400 mm厚珊瑚礁砂，相对密实度50%，采用砂雨法+分层压实法制备。碎石桩桩长300 mm，相对密实度70%，采用分层夯实法制备。试验模型地基内布设了一列加速度和孔压传感器，还在碎石桩表面和桩周地表布设了位移计，以监测模型沉降变化。试验所用加速度计为美国PCB传感器，孔压计为中国地震局工程力学研究所自主研制分体式DSP-Ⅱ传感器。
试验离心加速度为50g，选取LEAP波、安评地震波为输入荷载，台面实测荷载时程如图 4所示。安评地震波输入峰值分别为0.05g，0.1g，0.2g，0.3g，0.4g，0.53g等工况，LEAP输入峰值分别为0.05g，0.1g，0.2g，0.3g等工况，两种荷载交替输入。
2. 碎石桩淤堵性分析
2.1 强震荷载下地基液化分析
试验模型在7条峰值≥0.2g强震荷载下，埋深1.25 m处土体均发生了液化，即超静孔压达到了有效应力，而埋深7.5 m处超静孔压随着地震动强度增大而增大，但一直未达到该位置有效应力，未发生液化，如图 5所示。
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图 5 序列强震荷载下孔隙水压力数据Figure 5. Records of pore water pressure under sequential strong.motions2.2 试验后模型开挖及碎石桩剖面
试验完成后沿模型中心剖面进行了开挖，获得了5根碎石桩剖面如图 6所示。仔细观察和对比可发现，碎石桩在试验过程中保持了良好形态，桩周未包裹珊瑚礁砂细粒，仍具备良好的渗透能力。图 6给出了5根开挖后的代表性碎石桩剖面照片，可以直观看出碎石桩内颗粒分布均匀、色泽与桩周土体区分明显，由粗颗粒组成，均未出现明显细颗粒淤堵现象。
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图 6 震前试验模型与震后模型开挖及碎石桩剖面图Figure 6. Pre- and post-testing model with excavation of stone columns2.3 试验前后碎石桩颗粒级配对比
以试验前后碎石桩粒组变化差异，判断是否产生了淤堵，试验前后分别作了碎石桩材料筛分试验，结果如图 7所示，可以发现试验后碎石桩级配与试验前相比基本一致，表明细粒未渗入到碎石桩中，与前面碎石桩剖面观察结果一致。
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图 7 震前、震后碎石桩级配对比Figure 7. Comparison of grain-size distribution of stone columns between pre- and post-motions2.4 超静孔压比消散速率分析
选取图 5中第1次0.2g和第6次0.53g安评地震波下埋深1.25 m和7.5 m处超静孔压比记录（如图 8所示），计算分析多次强震作用下碎石桩排水性能的变化，以超静孔压比消散速率为表征参数，其公式如下：
v=ΔruΔt。 (1) ![]()
图 8 0.2g和0.53g安评波下超静孔压比时程Figure 8. Time histories of excess pore pressure ratios induced by earthquake motions of 0.2g and 0.53g式中：Δru为超静孔压比自峰值消散至0.1的变化量；Δt为与超静孔压比消散对应的时间变化量。
通过式（1）计算，获得0.2g和0.53g安评波下，埋深1.25 m处超静孔压比的消散速率分别为0.027 s-1，0.029 s-1；7.5 m处超静孔压比消散速率分别为0.021 s-1，0.020 s-1，可得知6次强震荷载下土层超静孔压比消散速率未发生变化，再一次证明了经历多次强震作用后，碎石桩仍能保持良好排水性能；同时，也证明了碎石桩长期服役下的良好抗液化能力。
3. 结论
（1）珊瑚礁砂碎石桩复合地基在7次≥0.2g强震荷载作用下均发生了液化，埋深1.25 m处超静孔压比均达到了1.0；7.5 m处未发生液化，但超静孔压比随着地震动强度的增大而增大。
（2）试验后开挖5根碎石桩剖面，直观观察可发现，碎石桩经历多次强震作用下仍能保持良好形态，且未明显发现细粒渗入碎石桩现象，试验前后获得碎石桩颗粒级配曲线基本一致，无明显变化。
（3）提出以超静孔压比消散速率表征地基排水能力，第1次和第6次安评波荷载下，埋深1.25 m处超静孔压比消散速率分别为0.027 s-1，0.029 s-1，埋深7.5 m处分别为0.021 s-1，0.020 s-1，表明碎石桩经历多次强震作用下仍具备良好的渗透能力，未出现淤堵现象。
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图 1 FCIT累积应变随振动次数的变化曲线
Figure 1. Variation curves of cumulative strain of FCIT with vibration times
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图 2 间歇加载阶段累积应变图(Rcr=0.1)
Figure 2. Cumulative strains at intermittent loading stage (7 d, Rcr=0.1)
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图 4 不同纤维掺量下FCIT的累积应变随振动次数的变化
Figure 4. Variation of cumulative strain of FCIT with vibration times under different fiber contents
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图 6 修正平移后的预测累积应变与实际累积应变曲线对比
Figure 6. Comparison of predicted cumulative strain after correction and translation with actual cumulative strain curve
表 1 不同加载模式下FCIT试验方案
Table 1 FCIT test schemes under different loading modes
组号 纤维掺量 动静比Rcr 围压/kPa 频率/Hz 加载模式 加载时间 A 0%，0.25%，0.50%，0.75%，1% 0.1，0.2，0.3 100 0.5 持续加载 持续加载50 min B 间歇加载 加载5 min、停振5 min共50 min C 逐级加载 依次加载三级，共50 min 
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