水泥改良泥質(zhì)板巖粗粒土力學(xué)性質(zhì)的應(yīng)變率效應(yīng)研究

陳樂求，陳俊樺，張家生

水泥改良泥質(zhì)板巖粗粒土力學(xué)性質(zhì)的應(yīng)變率效應(yīng)研究

陳樂求1, 2，陳俊樺2，張家生2

(1. 湖南理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，湖南 岳陽(yáng) 414006；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

利用大型靜動(dòng)三軸儀開展不同應(yīng)變率下的水泥改良泥質(zhì)板巖粗粒土三軸抗壓試驗(yàn)，研究水泥改良土應(yīng)力—應(yīng)變特征關(guān)系以及應(yīng)變率對(duì)土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)參數(shù)的影響。在此基礎(chǔ)上，分別提出這些參數(shù)與應(yīng)變率之間的擬合關(guān)系式，分析水泥含量對(duì)應(yīng)變率效應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明：隨著應(yīng)變率增加，抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變和彈性模量均增加。擬合結(jié)果良好，提出的擬合關(guān)系式合理；水泥含量越大，抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變和彈性模量等參數(shù)隨應(yīng)變率的提高越顯著。

泥質(zhì)板巖；應(yīng)變率；水泥改良土；抗壓強(qiáng)度；彈性模量

對(duì)于鐵路、公路等路基工程，當(dāng)就地所取路基填料的水穩(wěn)性較差時(shí)，通常可以利用水泥對(duì)填料進(jìn)行化學(xué)改良。水泥改良是利用化學(xué)反應(yīng)改變土體內(nèi)部的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，使得水泥結(jié)構(gòu)成為土骨架，從而增大土體的黏聚力，減小水滲透性以及水侵效應(yīng)，提高土的水穩(wěn)性。因而水泥改良土的力學(xué)性質(zhì)通常介于普通土和混凝土之間?，F(xiàn)有研究表明[1?3]，混凝土、巖石等材料的力學(xué)性質(zhì)一般具有顯著的應(yīng)變率效應(yīng)。而水泥改良土的應(yīng)變率效應(yīng)如何，目前尚未發(fā)現(xiàn)有相關(guān)研究。對(duì)于實(shí)際路基工程，路面不平順引起的車輛跳躍沖擊作用、地震波作用等是常見現(xiàn)象，對(duì)這些作用問題的研究均涉及應(yīng)變率效應(yīng)，因而針對(duì)水泥改良土應(yīng)變率效應(yīng)的研究具有一定的工程指導(dǎo)意義。目前針對(duì)固體材料應(yīng)變率效應(yīng)的研究方法主要為室內(nèi)試驗(yàn)，包括常規(guī)三軸抗壓試驗(yàn)、霍普金森桿試驗(yàn)[4?6]，輕氣炮試驗(yàn)等[1]。常規(guī)三軸抗壓試驗(yàn)針對(duì)中低應(yīng)變率加載問題[7?8]，例如低速?zèng)_擊、地震波作用[1]等，為靜態(tài)~準(zhǔn)動(dòng)態(tài)加載(近似忽略慣性)[1,3]，加載應(yīng)變率范圍為10?5~101s?1?；羝战鹕瓧U試驗(yàn)和輕氣炮試驗(yàn)主要針對(duì)高應(yīng)變率加載問題，例如爆炸[9?12]、高速?zèng)_擊等[1?6]，屬于動(dòng)態(tài)加載(不可忽略慣性)，應(yīng)變率范圍分別為[1,3]101~104s?1和102~105s?1。就路基工程來說，一般主要涉及中低應(yīng)變率加載作用問題，因此，一般可以利用常規(guī)動(dòng)三軸抗壓試驗(yàn)儀研究應(yīng)變率對(duì)水泥改良土力學(xué)性質(zhì)的影響。應(yīng)變率效應(yīng)研究主要針對(duì)材料的抗壓強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)參數(shù)[1?6]，可為考慮應(yīng)變率影響的本構(gòu)模型建立等提供參考。泥質(zhì)板巖為變質(zhì)巖，富含黏土礦物成分，因而泥質(zhì)板巖經(jīng)風(fēng)化、破碎形成的土料(簡(jiǎn)稱泥質(zhì)板巖土)遇水易崩解，水穩(wěn)性差，為使得該填料能應(yīng)用于填筑路基，需要進(jìn)行水泥改良[13?16]。目前對(duì)承載性能要求高的基礎(chǔ)工程一般選用粗粒土作為主要的承載填料，這在鐵路、公路和飛機(jī)場(chǎng)跑道等工程項(xiàng)目建設(shè)中已經(jīng)比較很常見。水泥含量對(duì)改良土的力學(xué)性質(zhì)有重要影響，是水泥改良路基工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，為此，本文以水泥含量不同的泥質(zhì)板巖粗粒土為試樣，本文利用大型靜動(dòng)三軸儀開展不同應(yīng)變率下的抗壓試驗(yàn)，研究應(yīng)變率對(duì)抗壓強(qiáng)度、破壞變形和彈性模量等強(qiáng)度或剛度參數(shù)的影響以及水泥含量對(duì)應(yīng)變率效應(yīng)的影響，以期研究成果為考慮應(yīng)變率影響的水泥改良粗粒土本構(gòu)模型研究、水泥改良粗粒土的實(shí)際工程應(yīng)用等提供參考。

1 不同應(yīng)變率下的三軸抗壓試驗(yàn)

1.1 土的基本物理參數(shù)

試驗(yàn)所取土來自湖南省岳陽(yáng)市，為褐黃色泥質(zhì)板巖粗粒土。土中主要含白云母、石英、綠泥石和高嶺石等礦物成分。土遇水易軟化、崩解。土樣的天然含水率為5%~20%，密度為1.04~1.70 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)儀器和制樣

試驗(yàn)儀器為TAJ-2000大型靜動(dòng)三軸儀器，可施加的最大軸力和最大圍壓分別為2 000 kN和20 MPa。加載模式包括力控制和位移(或應(yīng)變)控制。試樣直徑為300 mm，高為600 mm。

在泥質(zhì)板巖土中摻入普通硅酸鹽水泥P.O32.5，制作水泥改良土試樣。其中，泥質(zhì)板巖土的顆粒粒徑小于60 mm，不均勻系數(shù)為29.2，曲率系數(shù)為7.3，細(xì)顆粒含量為5.7%。土的級(jí)配曲線見圖1。由《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50145—2007)可知，土為級(jí)配不良的含細(xì)粒土礫。

圖1 土的級(jí)配曲線

通常水泥質(zhì)量百分含量達(dá)到4%以上，水泥改良土樣的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性等基本得到滿足[13?17]。本文試樣中的水泥含量設(shè)為4%，5%和7%。試樣的壓實(shí)度、含水率和干密度設(shè)定值分別為95%，15%和2.20 g/cm3。

1.3 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 水泥改良土應(yīng)力—應(yīng)變特征關(guān)系

典型的軸向應(yīng)力—軸向應(yīng)變關(guān)系曲線見圖2。由于改良土中水泥含量較少(不超過10%)，這得水泥凝膠很難完全均勻分布在土體內(nèi)[18]。特別是粗顆粒含量較多的水泥改良土，較容易出現(xiàn)一些部位水泥凝膠厚度較大，另一些部位水泥凝膠厚度較薄的現(xiàn)象。這會(huì)導(dǎo)致局部開裂。此外，還會(huì)出現(xiàn)一些顆粒(團(tuán))未被水泥凝膠包裹，或者孔隙未被水泥凝膠充填的現(xiàn)象。因此，水泥改良土實(shí)際上為內(nèi)部含裂紋和孔隙等缺陷的非均勻材料。外荷載作用下，這些缺陷是以有限速率發(fā)生變化的。因此，隨著外載荷的加載速率增加，如應(yīng)變率增加，水泥改良土的應(yīng)力和應(yīng)變往往會(huì)不同步發(fā)展，表現(xiàn)出黏滯性。黏滯性是含缺陷、非均勻固體材料的重要特性，表現(xiàn)為應(yīng)變率對(duì)于本構(gòu)關(guān)系有重要影響。如圖1所示，應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線隨應(yīng)變率發(fā)生變化。

從圖2看出，與混凝土、巖石等材料相似，不同應(yīng)變率下水泥改良土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系也可以近似分為3個(gè)階段：線性段，非線性應(yīng)變硬化段和應(yīng)變軟化段。經(jīng)過水泥化學(xué)反應(yīng)后，改良土中土顆粒(團(tuán))被水泥凝膠吸附包裹，同時(shí)孔隙中也被大量纖維狀結(jié)晶充填。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成了新的土骨架體：水泥—土骨架。水泥骨架具有較高的彈性承載性能。因此，當(dāng)外荷載較小時(shí)，改良土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系近似為線彈性。當(dāng)外載荷繼續(xù)增加，由于水泥抗張拉的性能較差，土中水泥膠結(jié)部位逐漸出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。這時(shí)的開裂近似是穩(wěn)定的，需要外力不斷驅(qū)動(dòng)。在這個(gè)過程中，水泥骨架儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能逐漸釋放。與此同時(shí)，土顆粒(團(tuán))間將產(chǎn)生滑移。此外，由于是泥質(zhì)板巖粗粒土，土顆粒強(qiáng)度一般，滑移過程還往往伴隨顆粒破碎現(xiàn)象。顆?；婆c破碎使得土體的彈性應(yīng)變能進(jìn)一步釋放。彈性應(yīng)變能的釋放導(dǎo)致應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系逐漸由線性向非線性轉(zhuǎn)變。此時(shí)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系為應(yīng)變硬化。隨著水泥改良土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸破壞，土的承載力達(dá)到極限，應(yīng)力也達(dá)到峰值。應(yīng)變率越大，應(yīng)力峰值儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能越大。前此后，水泥骨架裂紋擴(kuò)展和土顆粒(團(tuán))間的滑移、破碎的發(fā)展均處于不穩(wěn)定階段。即使外力不增長(zhǎng)，這種不穩(wěn)定趨勢(shì)仍然繼續(xù)產(chǎn)生。表現(xiàn)為應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)而應(yīng)力下降。該階段為應(yīng)變軟化階段。

圖2 不同應(yīng)變率下的抗壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(ω=5%)

2.2 應(yīng)變率對(duì)力學(xué)特征參數(shù)的影響

2.2.1 應(yīng)變率對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的影響

1) 抗壓強(qiáng)度的應(yīng)變率效應(yīng)

不同應(yīng)變率下的改良土抗壓強(qiáng)度見圖3。從圖3可以看出，隨著應(yīng)變率增大，改良土抗壓強(qiáng)度不斷增大。當(dāng)應(yīng)變率從2.8×10?5s?1增加到1.4×10?3s?1，抗壓強(qiáng)度從1 463 kPa增加到2 079 kPa，增幅42%。因此，應(yīng)變率對(duì)水泥改良土抗壓強(qiáng)度有較大影響。

由于黏滯性影響，水泥改良土的力學(xué)響應(yīng)可由彈性引起的瞬態(tài)響應(yīng)和黏性引起的非瞬態(tài)響應(yīng)組成。假設(shè)改良土強(qiáng)度由瞬態(tài)強(qiáng)度和非瞬態(tài)強(qiáng)度 組成：

其中：

圖3 抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變率的關(guān)系(ω=5%)

由式(1)~(2)，對(duì)圖3中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合運(yùn)算，擬合曲線見圖3。擬合結(jié)果如下：c0=1 456 kPa，c=1 092.8和c=1.2。擬合曲線的相關(guān)系數(shù)為0.98，擬合效果良好，這表明本文提出的式(1)~(2)合理。

由式(1)~(2)以及曲線擬合結(jié)果可知，應(yīng)變率越大，非瞬態(tài)響應(yīng)強(qiáng)度所占比重越大。當(dāng)應(yīng)變率趨近0時(shí)，改良土強(qiáng)度由瞬態(tài)響應(yīng)部分確定。

2) 破壞時(shí)的變形與應(yīng)變率的關(guān)系

由前面對(duì)應(yīng)力—應(yīng)變特征關(guān)系分析可知，隨著應(yīng)變率增加，改良土破壞前存儲(chǔ)的彈性應(yīng)變能提高。這種提高以同時(shí)增加峰值強(qiáng)度和破壞變形的方式開展。水泥土發(fā)生破壞是由于水泥膠結(jié)開裂以及顆粒(團(tuán))擠壓破碎、滑移等作用逐漸造成的結(jié)果，這個(gè)破壞過程是需要時(shí)間的。破壞時(shí)間通常主要由試樣內(nèi)部組成、試樣尺寸確定。因此，對(duì)于本文的試樣，當(dāng)破壞時(shí)間一定時(shí)，破壞變形隨應(yīng)變率增加而增大。而達(dá)到峰值前，應(yīng)力是隨應(yīng)變?cè)黾佣龃蟮?。因而抗壓?qiáng)度也隨應(yīng)變率增加而增大。

圖4 峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變和應(yīng)變率之間的關(guān)系(ω=5%)

2.2.2 應(yīng)變率對(duì)剛度參數(shù)的影響

圖5給出了不同應(yīng)變率下的彈性模量。根據(jù)圖5，隨著應(yīng)變率增加，彈性模量略微有些上下波動(dòng)，但基本呈增加趨勢(shì)。當(dāng)應(yīng)變率從2.8×10?5s?1增加到1.4×10?3s?1，彈性模量從1 272 MPa增加到1 463 MPa，增幅15%。因而應(yīng)變率對(duì)水泥改良土的彈性模量有影響。

圖5 彈性模量和應(yīng)變率的關(guān)系(ω=5%)

同樣假設(shè)彈性模量由瞬態(tài)響應(yīng)部分和非瞬態(tài)響應(yīng)部分確定如下：

其中：

式(3)~(4)中：為彈性模量；為彈性模量的瞬態(tài)響應(yīng)部分；′為彈性模量由黏滯性導(dǎo)致的非瞬態(tài)響應(yīng)部分；E和E為擬合參數(shù)；E為彈性模量提高系數(shù)，E越大，彈性模量的應(yīng)變率效應(yīng)越顯著。

由式(3)~(4)，對(duì)圖5中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合運(yùn)算，擬合曲線見圖5。擬合結(jié)果如下：0=1 196 MPa，E=2.8和E=0.38。擬合相關(guān)系數(shù)為0.97，擬合效果良好，提出的式(3)~(4)也是合理的。

由式(3)~(4)以及擬合結(jié)果可知，對(duì)于彈性模量，應(yīng)變率越大，非瞬態(tài)響應(yīng)所占比重越大。當(dāng)應(yīng)變率趨近0時(shí)，即不考慮黏性影響時(shí)，與抗壓強(qiáng)度一樣，改良土彈性模量由瞬態(tài)響應(yīng)部分確定。應(yīng)變率增加提高了改良土保持原狀的慣性效應(yīng)，使得變形發(fā)展相對(duì)應(yīng)力而言變得遲鈍，從而增強(qiáng)了改良土抵抗變形的能力或者提高了改良土的彈性模量。

2.3 水泥含量對(duì)應(yīng)變率效應(yīng)的影響

2.3.1 強(qiáng)度參數(shù)

表1 水泥含量與抗壓強(qiáng)度提高系數(shù)

表2 水泥含量與破壞應(yīng)變

2.3.2 剛度參數(shù)

根據(jù)式(3)~(4)，不同應(yīng)變率和不同水泥含量下的彈性模量提高系數(shù)E見表3。

表3 水泥含量與彈性模量提高系數(shù)

初步分析可知，相同應(yīng)變率下，水泥含量越高，改良土中水泥黏結(jié)作用越強(qiáng)，水泥骨架的承載性能越強(qiáng)，例如強(qiáng)度、剛度和破壞前儲(chǔ)蓄的彈性應(yīng)變能等都隨水泥含量增加而提高。強(qiáng)度和剛度等隨應(yīng)變率提高的幅度主要由水泥骨架性能決定。由于土的黏性顯著，因而土的承載性能越大，土的應(yīng)變效應(yīng)越顯著。因此，當(dāng)水泥含量較高時(shí)，隨應(yīng)變率增加，抗壓強(qiáng)度、彈性模量以及破壞前儲(chǔ)蓄的彈性應(yīng)變能等物理量可提升的幅度也較大，表現(xiàn)出如表1和表3所示的規(guī)律。

由前面對(duì)圖4的分析可知，改良土破壞前儲(chǔ)蓄的彈性應(yīng)變能隨破壞變形增加而增大。因而改良土的破壞變形隨水泥含量增加而增大，表現(xiàn)出的規(guī)律如表2所示。

3 結(jié)論

1) 與混凝土、巖石等材料相同，對(duì)水泥改良土的強(qiáng)度和剛度具有顯著的應(yīng)變率效應(yīng)。隨著應(yīng)變率增大，水泥改良土的抗壓強(qiáng)度、破壞時(shí)的變形以及彈性模量均增大。

2) 提出的應(yīng)變率與抗壓強(qiáng)度、彈性模量等參數(shù)之間的關(guān)系式具備一定的物理意義。由這些關(guān)系式進(jìn)行曲線擬合，擬合效果良好。

3) 水泥含量對(duì)改良土力學(xué)性質(zhì)的應(yīng)變率效應(yīng)有顯著影響。水泥含量越大，抗壓強(qiáng)度、破壞變形和彈性模量等參數(shù)隨應(yīng)變率而提高的幅度越顯著。

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(編輯 涂鵬)

Study on effects of strain rate on mechanical properties of argillaceous-slate coarse-grained soil improved by cement

CHEN Leqiu1, 2, CHEN Junhua2, ZHANG Jiasheng2

(1. Department of Construction & Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China; 2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Tri-axial compressive test of argillaceous-slate coarse-grained soil improved by cement were carried out under different strain rates using large-scale static-dynamic tri-axial compressive apparatus. The relations between axial stress and axial strain were analyzed and discussed. The effects of strain rate on mechanical parameters (such as compressive strength, elastic modulus) were also analyzed based on the test. The fitting relationships between these mechanical parameters and the strain rate were suggested respectively. The effects of strain rate on the mechanical parameters under different cement contents were analyzed. The results from the test show that as follows: With the strain rate increases, the compressive strength, the stain corresponding to the peak stress and the elastic modulus increase. The curve fittings are good and the suggested relationships for fitting curves are reasonable. With the cement content increases, the strain-rate-induced raise of the compressive strength, the stain corresponding to the peak stress and the elastic modulus increase significantly.

argillaceous-slate; strain rate; cement-improved soil; compressive strength; elastic modulus

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.08.011

TU41

A

1672 ? 7029(2018)08 ? 1980 ? 07

2017?05?22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51308210)

陳樂求(1981?)，男，湖南岳陽(yáng)人，教授，博士，從事巖土工程、路基工程的研究工作；E?mail：365148895@qq.com