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2025 , Vol. 42 >Issue 3: 125 - 132

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20231139

岩土工程

循环荷载下牡蛎壳粉改性膨胀土累积应变规律

  • 陈川 , 1 ,
  • 唐正辉 1 ,
  • 黄震 2 ,
  • 周维政 2 ,
  • 邵羽 1 ,
  • 贡斌 2
展开
  • 1 广西交通设计集团有限公司,南宁 530029
  • 2 广西大学 土木建筑工程学院,南宁 530004

陈 川(1982-),男,宁夏固原人,高级工程师,主要从事岩土工程勘察设计工作。E-mail:

Copy editor: 占学军

收稿日期: 2023-10-11

  修回日期: 2023-11-01

  网络出版日期: 2025-03-14

基金资助

广西重点研发计划项目(桂科 AB22080061)

广西科技计划项目(桂科 AD23026266)

广西交通运输行业重点科技项目(GXJT-2020-02-08)

收起

Cumulative Strain Law of Expansive Soil Reinforced with Oyster Shell Powder under Cyclic Loading

  • CHEN Chuan , 1 ,
  • TANG Zheng-hui 1 ,
  • HUANG Zhen 2 ,
  • ZHOU Wei-zheng 2 ,
  • SHAO Yu 1 ,
  • GONG Bin 2
Expand
  • 1 Guangxi Communications Design Group Co., Ltd., Nanning 530029, China
  • 2 School of Civil and Architectural Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China

Received date: 2023-10-11

  Revised date: 2023-11-01

  Online published: 2025-03-14

Fold

摘要

为探究循环荷载下牡蛎壳粉改性膨胀土的累积应变和累积孔压发展规律,采用动三轴试验系统对膨胀土施加循环荷载以模拟车辆动力作用。试验涉及不同牡蛎壳粉粒径(dosp)、掺量(Fosp)和循环应力比(CSR)条件下的轴向累积应变和累积孔压发展规律。研究结果表明:当dosp<0.5 mm时,改性土的轴向累积应变和累积孔压随牡蛎壳粉掺量的增加而明显改善;当Fosp=9%、dosp<0.5 mm时,改性土的动力性能较为接近;当dosp>0.5 mm时,改性土的动力性能指标相比于素土有所劣化,且这种劣化作用随着牡蛎壳粉掺量的增加和粒径的增大而更加显著。根据研究结果,当牡蛎壳粉改性土用作设计速度200 km/h以下的有砟轨道铁路路基填料时,建议控制牡蛎壳粉掺量为Fosp=9%,粒径控制在dosp=(0.25,0.5]mm范围内。

关键词： 膨胀土; 牡蛎壳粉; 列车循环荷载; 累计应变; 孔压

本文引用格式

陈川 , 唐正辉 , 黄震 , 周维政 , 邵羽 , 贡斌 . 循环荷载下牡蛎壳粉改性膨胀土累积应变规律[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(3) : 125 -132 . DOI: 10.11988/ckyyb.20231139

Abstract

This study investigates the development of cumulative strain and cumulative pore pressure of expansive soil reinforced with oyster shell powder (OSP) under cyclic loading. A GDS dynamic triaxial test system was employed to simulate vehicle dynamic actions on the soil. The experiment examines axial cumulative strain and cumulative pore pressure under particle size (dosp), dosage (Fosp), and cyclic stress ratio (CSR). Findings reveal that for particle sizes dosp<0.5 mm, both axial cumulative strain and cumulative pore pressure in the modified soil significantly improve with increasing OSP content. However, when Fosp=9% and dosp=0.5 mm, the dynamic performance of the modified soil is relatively stable. Conversely, for particle sizes dosp>0.5 mm, the dynamic performance of the modified soil deteriorates compared to plain soil, with this degradation becoming more pronounced as both OSP content and particle size increase. Based on these results, if OSP-modified soil is used as roadbed filler for ballasted track railways with design speeds below 200 km/h, it is recommended to control the OSP content at Fosp=9%, with particle sizes limited to the range of (0.25,0.5] mm to maintain optimal dynamic performance.

Key words： expansive soil; oyster shell powder; train cyclic load; cumulative strain; pore pressure

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

膨胀土具有易风化性、强度衰减性、多裂隙性、和水热敏感性等特点,无论用作路基填料、持力层还是路堑边坡,均容易产生工程问题。为了减少膨胀土引发的工程事故,往往需要对膨胀土进行处理。近年来,工程上固体废物的资源化利用已逐渐引起诸多学者的关注,以解决工程环境问题和响应“双碳”战略计划。现有利用固体废物改良膨胀土的例子包括聚丙烯纤维[1]、椰子壳[2]、甘蔗渣灰[3]、咖啡壳灰[4]和牡蛎壳粉[5]等。我国沿海地区废弃牡蛎壳所带来的环境问题尤为突出。利用牡蛎壳作为资源的经济和环境优势已有大量报道。相关数据显示,2021年中国牡蛎产量为582万t,比2020年增加约39万t[6]。碳酸钙是牡蛎壳的主要成分,具有良好的稳定性和耐久性。牡蛎壳粉碎后具有较大的比表面积,具有发挥碳酸钙的胶结作用的潜力。相关研究也表明牡蛎壳粉可改善膨胀土的膨胀、收缩和开裂特性[5]。因此,牡蛎壳粉用于改善膨胀土不良工程特性是可行的。但对于牡蛎壳粉是否能够改善膨胀土动力特性需要进一步探究。
改性膨胀土作为路基填料时,将承受循环荷载的长期作用,需要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。广西地区膨胀土分布十分广泛,由于不可避免的选线需求,较多地段的铁路线路仍会通过膨胀土地区,例如云桂铁路南宁—百色段、新建崇左—凭祥铁路(宁明县段)等,在这些膨胀土地段必须采用处置技术才能满足工程要求。因此,研究列车循环荷载下改性膨胀土的动力特性对于路基的长期稳定是具有重要意义的。此外,目前对于改性膨胀土动力特性的研究较少,庄心善团队对于这方面的研究格外关注,研究了风化砂[7-8]、磷尾矿[9]和发泡聚苯乙烯[10]等材料来改良膨胀土的动力特性,得到了改良膨胀土动强度参数和滞回曲线特征在不同围压、动荷载频率和动应力幅值影响下的演化规律。
鉴于此,本研究旨在探究牡蛎壳粉作为膨胀土改性材料的效果,通过动三轴试验,研究素土和改性土在不同牡蛎壳粉掺量和粒径条件下的轴向累积应变和累积孔压随振次的变化规律。在此基础上,进一步探究改性土的动力性能指标随循环应力比(Cyclic Stress Ratio,CSR)变化的规律,并确定循环应力比的控制限值。研究成果将验证牡蛎壳粉改性膨胀土作为路基填料时的性能和可行性,为膨胀土的工程处置提供新思路。同时,该研究还有助于提升牡蛎壳废弃物的附加价值,促进海洋生态环境和海洋产业的可持续健康发展。

1 试验材料

研究所用的膨胀土取自中国广西宁明县。表1列出了膨胀土的基本物理性质。试验用膨胀土的自由膨胀率为82%,属于中等膨胀潜势膨胀土[11]。图1为膨胀土的粒径分布。图2为通过X射线衍射(X-ray Diffraction,XRD)所得到的膨胀土矿物组成。
表1 膨胀土的基本物理性质指标

Table 1 Basic physical properties of expansive soil

天然含
水率/%		 最优含
水率/%		 最大干密度/
(g·cm-3)		 液限
ωL/%		 塑限
ωP/%		 塑性指
数IP		 自由膨
胀率/%
35.67 18.3 1.61 60.1 22.4 37.7 82
图1 膨胀土颗粒粒径分布

Fig.1 Particle size distribution of expansive soil

图2 膨胀土矿物组成分析结果

Fig.2 Analysis results of mineral composition of expansive soil

试验所用牡蛎壳粉颗粒是不均匀的,采用筛析法和激光法来测定其粒径分布情况(粒径dosp>0.075 mm的部分采用筛析法确定,粒径dosp<0.075 mm的部分采用激光法确定)。图3展示牡蛎壳粉的粒径分布。
图3 牡蛎壳粉粒径分布

Fig.3 Particle size distribution of oyster shell powder

为确定研究所用各粒径牡蛎壳粉的成分差异,对其进行了煅烧试验(900 ℃、4 h)。表2为牡蛎壳粉煅烧试验结果。牡蛎壳粉粒径>0.25 mm时,高温煅烧所损失的质量基本一致,碳酸钙含量在93.16%以上。但随着牡蛎壳粉粒径的减小,高温煅烧后损失的质量减少,碳酸钙含量降低。牡蛎壳粉粒径<0.15 mm时,碳酸钙含量降低至79.06%。粒径继续减小,碳酸钙含量不再明显变化。对差异较大的粒径组进行X射线衍射试验,得到X射线衍射图(见图4)与物相分析结果(见表3)。不同粒径牡蛎壳粉之间的成分差异体现在石英含量上,随着牡蛎壳粉粒径减小,石英含量提高。这可能是因为牡蛎壳本身携带了少量细砂,粉碎后细砂依然存在,试验中随着牡蛎壳粉的层层筛分,越往下层细砂积累越多。
表2 煅烧试验结果

Table 2 Calcination test results

粒径组/ mm 煅烧前质量
m/g		 煅烧后质
量ms/ g		 碳酸钙质
量mc/ g		 碳酸钙含
量/%
(0,0.075) 3.000 7 1.878 0 2.381 1 79.35
[0.075,0.15] 2.999 9 1.881 3 2.371 8 79.06
(0.15,0.25] 3.001 3 1.806 3 2.545 4 84.81
(0.25,0.5] 3.001 1 1.695 9 2.795 8 93.16
(0.5,1.0] 3.000 5 1.681 2 2.827 9 94.25
(1.0,2.0] 3.000 8 1.674 1 2.844 7 94.80
图4 X射线衍射图谱

Fig.4 X-ray diffraction patterns

表3 物相分析结果

Table 3 Phase analysis results

粒径/mm 矿物相对含量/%
碳酸钙 石英
(0,0.075] 85.6 14.4
(0.15,0.25] 90.4 9.6
(0.5,1.0] 95.7 4.3

2 动三轴试验

动三轴试验所用试样直径50 mm,高度100 mm,采用击实法制备重塑样,分为拌合、配土、制样和饱和4个步骤。先将重塑土和牡蛎壳粉过筛,烘干至恒定重量后按照相应比例手动拌合混合均匀。之后采用分层法配置目标含水率20%的素土和改性土。控制压实度为93%将土料击实。最后将制备好的试样做真空抽气饱和处理。由于击实膨胀土的透水性差,仅进行真空抽气饱和难以使试样达到足够高的饱和度,未完全饱和的试样还需装入三轴压力室后进行反压饱和。
张涛[12]对比了多种形式的动荷载加载波形与列车荷载的相似度,指出偏压正弦波能更好地体现列车荷载的真实性。因此,本研究动力加载波形采用偏压正弦波以模拟列车循环荷载,动荷载波形见图5。循环应力比CSR=σdmax/(2p),其中σdmax为动应力幅值,p为有效固结围压。考虑到基床填料埋深较浅,且列车荷载作用具有瞬时特性,造成一定深度内基床填料的水来不及排出,因此试验加载过程不排水。
图5 试验加载及动荷载波形

Fig.5 Test loading and dynamic load waveform

黄震等[5]对掺量0%、3%、6%、9%、12%的牡蛎壳粉改性膨胀土进行了直接剪切试验和无荷膨胀率试验(与本文使用的是同批次膨胀土和牡蛎壳粉),结果表明9%为牡蛎壳粉的最佳掺量。为验证改性土的动力特性表现随牡蛎壳粉掺量的变化是否具有类似规律,设置了0、3%、6%、9%共4组牡蛎壳粉掺量。此外,一些研究表明,风化砂[13]、崩解性砂岩[14-15]、泡聚苯乙烯颗粒[16-17]、废弃轮胎橡胶[18]等材料的粒径是影响膨胀土静力或动力特性改性效果的重要因素。因此,设置了(0,0.075)、[0.075,0.15]、(0.15,0.25]、(0.25,0.5]、(0.5,1.0]、(1.0,2.0]mm共6组牡蛎壳粉粒径。同时,为了获取改性土作为铁路路基时的列车动荷载容许水平,设置0.1、0.15、0.2、0.25、0.275、0.3共6组循环应力比。

3 结果与分析

3.1 轴向累积应变发展规律

3.1.1 牡蛎壳粉掺量影响

长期列车荷载作用下路基土的轴向累积应变是识别路基动力稳定性的重要依据。牡蛎壳粉掺量影响下素土和改性土(p=125 kPa、CSR=0.2)的轴向累积应变与振次关系如图6所示,其中轴向累积应变εp为每个动力加载循环内的应变最小值,即试样发生的塑性应变。由图6可知,改性土和素土在循环荷载作用下的轴向累积应变随振次的发展具有相同规律。循环荷载施加初期,试样轴向应变发展迅速,塑性应变累积集中在前5 000次循环;随后应变累积速率大幅减缓,但20 000振次时轴向累积应变仍以一个很小的速率缓慢增加。
图6 牡蛎壳粉掺量影响下轴向累积应变振次关系

Fig.6 Relationship between axial cumulative strain and vibration frequency under varying dosage of oyster shell powder

图7展示了试样在20 000振次时的塑性应变值与掺量的关系,将该值定义为轴向累积应变终值εps,用于定量描述牡蛎壳粉对膨胀土应变累积性质的改性效果。对比各掺量改性土的轴向应变累积发展曲线和εps值,可以看出改性土的应变累积性质受牡蛎粉掺量的影响明显。dosp<0.075 mm和dosp=(0.25,0.5]mm时改性土的应变累积速率和应变终值随牡蛎壳粉掺量的增加而减小,且均小于素土,两者轴向累积应变随掺量的变化规律非常相似;而dosp=(1.0,2.0]mm时表现出相反的规律。这一结果表明在循环应力作用下,随着较小粒径牡蛎壳粉掺量的增加,膨胀土会产生更小的塑性变形;而随着较大粒径牡蛎壳粉的掺量增加,膨胀土会产生更大的塑性变形。
图7 εps与牡蛎壳粉掺量关系

Fig.7 Relationship between εps and the dosage of oyster shell powder

3.1.2 牡蛎壳粉粒径影响

图8呈现了牡蛎壳粉粒径影响下素土和改性土(p=125 kPa、Fosp=9%、CSR=0.2)的轴向累积应变-振次关系。图9为轴向累积应变终值εps随牡蛎壳粉粒径的变化关系。由图8和图9可知,牡蛎壳粉粒径从<0.075 mm➝[0.075,0.15]mm➝(0.15,0.25]mm➝(0.25,0.5]mm,改性土的轴向累积应变变化不大,εps相比素土分别降低40.2%、42.9%、35.7%、37.5%;当牡蛎壳粉粒径从dosp=(0.25,0.5]mm增长到dosp=(1.0,2.0]mm,改性土的轴向累积应变快速增大,dosp=(0.5,1.0]mm和dosp=(1.0,2.0]mm时改性土εps相比于素土分别提高34.8%、65.2%。相同的动应力水平下,轴向累积应变更大意味着土体的结构更为松散,作为路基填土时会导致路基在循环荷载作用下更容易发生沉降变形,这对于路基的长期稳定性和使用安全来说是不利的。因此掺入较小粒径牡蛎壳粉(dosp<0.5 mm)的改性土在轴向应变累积方面的表现更好。为简化描述,后续提到的较小粒径牡蛎壳粉指dosp<0.5 mm,较大粒径牡蛎壳粉指dosp>0.5 mm。
图8 牡蛎壳粉粒径影响下轴向累积应变振次关系

Fig.8 Relationship between axial cumulative strain and vibration frequency under varying particle size of oyster shell powder

图9 εps与牡蛎壳粉粒径关系

Fig.9 Relationship between εps and the particle size of oyster shell powder

3.1.3 循环应力比影响

由3.1.1节和3.1.2节可知,p=125 kPa、掺量Fosp=9%、dosp=(0.25,0.5]mm时改性土的应变累积性质表现较好,因此本节主要讨论Fosp=9%、dosp=(0.25,0.5]mm时的牡蛎壳粉改性土轴向累积应变随循环应力比变化的规律。循环应力比影响下改性土轴向累积应变-振次关系如图10所示。由图10可知,在不同循环应力比的动荷载作用下,各试样轴向累积应变随振次增加的发展规律一致,20 000次循环加载结束时轴向累积应变仍在以很小的速率缓慢增长。各试样的轴向应变累积速率和终值与CSR呈正比,当CSR≤0.2时,轴向累积应变终值εps保持在一个较低的水平,随着CSR继续增大,εps增长的幅度非常大;当CSR从0.275增大到0.3后,轴向累积应变在很短时间内突破土体动力测试破坏应变5%[19]。
图10 循环应力比影响下轴向累积应变-振次关系

Fig.10 Relationship between axial cumulative strain and vibration frequency under varying cyclic stress ratio

各试样的轴向累积应变终值εps以及其随CSR变化的拟合曲线如图11所示。通过分析试验数据发现,采用指数关系曲线εps=aexp(bCSR)能够很好地描述εps随CSR变化的发展趋势(相关系数达0.99),其中系数a、b分别为:a=0.021 9,b=18.97。此外,可以发现CSR≥0.2后,εps已进入指数发展的快速阶段,考虑将CSR=0.2作为实际应用中的循环应力比控制限值。《铁路路基设计规范》(TB 10001—2016)[20]认为设计速度200 km/h以下的有砟轨道铁路可采用高液限黏土(膨胀土属于此类)作为路堤填料,但需要进行改良或采取加固措施。掺量9%的牡蛎壳粉改性膨胀土的胀缩性相较于素土大幅降低,自由膨胀率由82%降低至50%[5],由中膨胀土转变为弱膨胀土,水稳性大幅提升,可以作为设计速度200 km/h以下的有砟轨道铁路路基填料。根据《铁路特殊路基设计规范》(TB 10035—2018)[21],交通荷载作用在地基中的影响深度约为6 m,CSR=0.2时的轴向应变0.70%对应的沉降为42 mm,满足规范要求(150 mm)。因此,Fosp=9%、dosp=(0.25,0.5]mm的牡蛎壳粉改性土作为铁路路基填料时,控制循环应力比在0.2以下是合理的。
图11 εps与循环应力比的关系

Fig.11 Relationship between εps and cyclic stress ratio

3.2 累积孔压发展规律

3.2.1 牡蛎壳粉掺量影响

牡蛎壳粉掺量影响下素土和改性土(p=125 kPa、CSR=0.2)的累积超静孔隙水压力(累积孔压)振次关系如图12所示,循环荷载作用下,孔压在一个循环周期内亦是呈正弦波动的,各试样的孔压稳定后相差较小,如果表示出完整的孔压曲线,各曲线之间重叠部分过多。因此,图12仅表示出每个循环内累积的孔压Δup,即每个动力加载循环内的超静孔隙水压力最小值。从图12可以看出,与轴向累积应变的发展类似,各试样孔压在加载初期快速增大,随后增大速率逐渐减小,但与轴向累积应变发展不同的是循环次数>5 000次后多数试样的孔压会达到一个稳定值。
图12 牡蛎壳粉掺量影响下累积孔压振次关系

Fig.12 Relationship between cumulative pore pressure and vibration frequency under varying dosage of oyster shell powder

各试样在20 000振次时的累积孔压稳定值与牡蛎壳粉掺量的关系如图13所示,将该值定义为累积孔压稳定值Δups,用于定量描述牡蛎壳粉对膨胀土孔压累积性质的改性效果。由图13可知,与轴向累积应变发展随牡蛎壳粉掺量变化的规律类似,dosp<0.075 mm和dosp=(0.25,0.5]mm时改性土的孔压稳定值随牡蛎壳粉掺量的增加而减小,且均小于素土,两者的孔压随掺量的变化幅度不大;而dosp=(1.0,2.0]mm时表现出相反的规律,且孔压随掺量的变化更为明显。这一结果表明随着较小粒径牡蛎壳粉掺量的增加,膨胀土土骨架承受的有效应力增加,而随着较大粒径牡蛎壳粉的掺量增加,膨胀土土骨架承受的有效应力减小。
图13 改性土累积孔压稳定值Δups与牡蛎壳粉掺量关系

Fig.13 Relationship between cumulative pore pressure stability value Δups of modified soil and the dosage of oyster shell powder

3.2.2 牡蛎壳粉粒径影响

牡蛎壳粉粒径影响下素土和改性土(p=125 kPa、Fosp=9%、CSR=0.2)的累积孔压-振次关系如图14所示,累积孔压稳定值Δups随牡蛎壳粉粒径的变化关系如图15所示。由图14和图15可知,与轴向累积应变发展随牡蛎壳粉粒径变化的规律类似,牡蛎壳粉粒径dosp从<0.075 mm➝[0.015,0.15] mm➝(0.15,0.25] mm➝(0.25,0.5]mm,改性土的累积孔压变化不大,Δups相比素土分别降低9.5%、12.2%、10.4%、10.4%;当牡蛎壳粉粒径从dosp=(0.25,0.5]mm增长到dosp=(1.0,2.0]mm,改性土的累积孔压增长幅度较大,dosp=(0.5,1.0]mm和dosp=(1.0,2.0]mm时改性土Δups相比于素土分别提高10.7%、24.1%。造成这种现象的原因是:较小粒径牡蛎壳粉的掺入会减少膨胀土土体内部的大孔隙,提升土颗粒间的黏聚力,这不利于循环加载时超孔压的累积和发展;较大粒径牡蛎壳粉的掺入则会破坏部分土颗粒之间的联结作用,增大土体的孔隙体积,更多的压力由孔隙水承担,这种破坏作用随着粒径的增大而愈明显。因此,掺入较小粒径牡蛎壳粉的改性土在孔压累积方面表现更好。
图14 牡蛎壳粉粒径影响下累积孔压-振次关系

Fig.14 Relationship between cumulative pore pressure and vibration frequency under varying particle size of oyster shell powder

图15 改性土累积孔压稳定值Δups与牡蛎壳粉粒径关系

Fig.15 Relationship between cumulative pore pressure stability value Δups of modified soil and the particle size of oyster shell powder

3.3 循环应力比影响

循环应力比影响下改性土(p=125 kPa 、Fosp=9%、dosp=(0.25,0.5]mm)的累积孔压-振次关系如图16所示,各试样的累积孔压稳定值Δups以及其随循环应力比CSR变化的拟合关系如图17所示。不同循环应力比下,各试样的孔压随振次增加的发展规律一致,均是在加载初期快速增长,后增长速率逐渐减小,最后趋于稳定。与轴向累积应变发展随CSR变化的规律类似,采用指数关系曲线Δups=cexp(dCSR)也能够很好地描述Δups随CSR变化的发展趋势(相关系数达0.99),其中系数c、d分别为:c=5.584 9,d=8.31。
图16 循环应力比影响下累积孔压-振次关系

Fig.16 Relationship between cumulative pore pressure and vibration frequency under varying cyclic stress ratio

图17 改性土累积孔压稳定值Δups与循环应力比的关系

Fig.17 Relationship between cumulative pore pressure stability value Δups of modified soil and cyclic stress ratio

4 结论

(1)在循环应力作用下,随着较小粒径牡蛎壳粉掺量的增加,膨胀土会产生更小的塑性变形;而随着较大粒径牡蛎壳粉的掺量增加,膨胀土会产生更大的塑性变形。当dosp>0.5 mm时,改性土的动力性能表现相比于素土有所下降,并且随牡蛎壳粉掺量的增加和粒径的增大,这种下降趋势更加显著。相比之下,掺入较小粒径牡蛎壳粉(dosp<0.5 mm)的改性土在轴向应变累积方面的表现更好。
(2)综合考虑改性土各项动力性能指标的变化,当用于设计速度为200 km/h以下的有砟轨道铁路路基填料时,推荐将牡蛎壳粉的掺量控制为Fosp=9%,并将牡蛎壳粉的粒径控制在dosp=(0.25,0.5]mm的范围内。此时,改性土具有较小的轴向累积应变和累积孔压,因此能够更好地抵抗塑性变形。
(3)当Fosp=9%、dosp=(0.25,0.5]mm时,改性土的轴向累积应变终值εps和累积孔压稳定值Δups与循环应力比CSR呈指数关系,关系式为εps=0.021 9exp(18.97CSR)、Δups=5.584 9exp(8.31CSR)。

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