膠凝砂礫石材料動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

田林鋼 宗君正 黃虎 霍文龍 巴超

摘要：為了研究膠凝砂礫石料動(dòng)力特性，采用大型動(dòng)三軸儀壓縮試驗(yàn)，分析該材料在動(dòng)荷載作用下的動(dòng)應(yīng)力—?jiǎng)討?yīng)變關(guān)系和阻尼比的變化規(guī)律。結(jié)果表明：膠凝砂礫石料的動(dòng)應(yīng)力—?jiǎng)討?yīng)變關(guān)系曲線呈非線性特征，由包絡(luò)曲線可以將膠凝砂礫石料壓縮過程大致分為壓密、彈性、屈服、應(yīng)變軟化等4個(gè)階段，且該材料的峰值強(qiáng)度隨圍壓增加而增大；在同一圍壓作用下，隨動(dòng)應(yīng)變的增大，阻尼比先減小趨于平緩后增大；在相同應(yīng)變條件下，阻尼比隨著圍壓增加而減小。

關(guān)鍵詞：動(dòng)三軸試驗(yàn)；應(yīng)力—應(yīng)變曲線；阻尼比；膠凝砂礫石材料

中圖分類號(hào)：TV41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A Doi：10，3969/j.issn.1000-1379.2018.09.030

近年來出現(xiàn)一種新型筑壩材料，即膠凝砂礫石材料，由它建造而成的大壩叫膠凝砂礫石壩。該材料是將河床砂卵石或者低強(qiáng)度巖石或者其他容易在壩址附近獲得的巖石材料和膠凝材料混合，然后通過簡(jiǎn)單的設(shè)備和工藝進(jìn)行拌和得到一種低強(qiáng)度、低彈性模量的新型筑壩材料。目前，對(duì)膠凝砂礫石材料力學(xué)特性的研究大多集中在靜力特性方面，對(duì)動(dòng)力特性的研究較少。如：傅華等[1]通過對(duì)不同摻量膠凝材料的靜、動(dòng)三軸試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了膠凝砂礫石材料的靜、動(dòng)力學(xué)特性和變形特性；明宇等[2]通過對(duì)膠凝摻量為60kg/m3的膠凝砂礫石料進(jìn)行動(dòng)力試驗(yàn)，分析了材料最大彈性模量與圍壓之間的關(guān)系，推導(dǎo)了非線性動(dòng)彈模量及阻尼比的表達(dá)式；李永樂等[3]采用高壓三軸儀對(duì)不同膠凝材料、不同圍壓下的超貧膠結(jié)材料進(jìn)行靜荷載力學(xué)特性試驗(yàn)研究；彭成山等[4]對(duì)不同水泥含量的超貧膠結(jié)材料進(jìn)行不同圍壓狀態(tài)下的三軸靜荷載壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明超貧膠結(jié)材料的強(qiáng)度隨膠結(jié)材料含量和試件圍壓的增大，在應(yīng)力應(yīng)變曲線上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，殘余強(qiáng)度隨膠結(jié)材料含量和圍壓的增大而增大；孫明權(quán)等[5]對(duì)不同膠凝摻量的膠凝砂礫石料進(jìn)行了靜荷載三軸剪切排水試驗(yàn)，結(jié)果表明膠凝砂礫石料應(yīng)力應(yīng)變曲線具有明顯的非線性特征及軟化特征。為了得到更多的動(dòng)力特性參數(shù)，筆者采用大型動(dòng)三軸儀對(duì)膠凝砂礫石材料在動(dòng)荷載作用下單軸、三軸動(dòng)力特性進(jìn)行全過程試驗(yàn)，得到該材料在動(dòng)荷載作用下的動(dòng)應(yīng)力—?jiǎng)討?yīng)變曲線以及阻尼比與動(dòng)應(yīng)變的變化規(guī)律，為膠凝砂礫石料的進(jìn)一步研究提供參考。

1 試驗(yàn)原理

1.1 試樣制備

試驗(yàn)所用試件參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL352-2006）[6]制樣要求制備，尺寸為Φ150mm×300mm。試件的膠凝材料配合比為40kg/m3的P.C42.5水泥和50kg/m3的二級(jí)粉煤灰，砂率為0.2，水膠比為1（見表1）。試件制備儀器有尺寸為Φ150mm×300mm的試模、自落式攪拌機(jī)、50Hz±3Hz的振動(dòng)臺(tái)、攪拌機(jī)、搗棒，按照試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行制備，放置48h后拆模，拆模后的試件按照規(guī)定的養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)室溫度應(yīng)控制在20℃±5℃、相對(duì)濕度95%以上。試件養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28d后，從養(yǎng)護(hù)室取出進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)采用的是大型動(dòng)三軸儀器，該儀器由液壓站、壓力/體積控制器、荷載架和三軸壓力室、通用數(shù)字信號(hào)調(diào)節(jié)控制單元、CATS軟件等組成。該試驗(yàn)系統(tǒng)最大荷載可提供300kN的軸向應(yīng)力，三軸壓力室可以承受最大1mPa的壓力，軸向荷載波形可為常數(shù)波、方波、正弦波和三角波，荷載方式可為軸向壓力、圍壓及孔隙壓力等的任意組合。

本次試驗(yàn)采用軸向壓力和圍壓兩種形式組合。圍壓采用固定值進(jìn)行加載，加載頻率為1Hz，試驗(yàn)中施加圍壓分別為0、200、400、600kPa；軸向荷載施加方式為正弦波且大小隨循環(huán)次數(shù)以100kPa/次的增長(zhǎng)速率逐步增大，直至試件破壞。試驗(yàn)過程采用應(yīng)變控制，控制應(yīng)變6%為終止條件，試驗(yàn)中通過傳感器裝置測(cè)量試件的縱向變形、軸向應(yīng)力。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單軸、三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)膠凝砂礫石試件在動(dòng)荷載作用下進(jìn)行單軸、三軸壓縮試驗(yàn)，得到試件的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度，見表2。

由表2可知，圍壓由0mPa增加至0.6mPa時(shí)，膠凝砂礫石材料的峰值強(qiáng)度提高了123.59%，殘余強(qiáng)度提高了14.1倍，即隨著圍壓的增大，膠凝砂礫石材料的峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和殘余強(qiáng)度均有明顯的增大。由圖1可見，峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度和圍壓大致成線性增長(zhǎng)關(guān)系。原因主要是其本身包含了不均勻的顆粒接觸面和孔隙等內(nèi)部缺陷，而這些缺陷的分布完全是隨機(jī)的，施加的圍壓對(duì)試件產(chǎn)生側(cè)向約束，從而使試件的孔隙、裂隙等被擠壓密實(shí)，因而提高了膠凝砂礫石的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度。

2.2 動(dòng)應(yīng)力—?jiǎng)討?yīng)變曲線特征分析

圖2為不同圍壓下的動(dòng)應(yīng)力—?jiǎng)討?yīng)變關(guān)系曲線，它是膠凝砂礫石材料內(nèi)部性質(zhì)的外在反映。包絡(luò)線是指沿著循環(huán)加卸載作用下膠凝砂礫石動(dòng)應(yīng)力—?jiǎng)討?yīng)變曲線的外輪廓描繪的光滑曲線，又稱為骨架線。通過室內(nèi)試驗(yàn)得到的膠凝砂礫石材料動(dòng)應(yīng)力—?jiǎng)討?yīng)變曲線，可以計(jì)算該材料的強(qiáng)度、彈性模量、阻尼比等參數(shù)，同時(shí)根據(jù)包絡(luò)線將膠凝砂礫石壓縮過程大致劃分為壓密、彈性、屈服、應(yīng)變軟化等4個(gè)階段。

（1）壓密階段（OA段，也可作為彈性階段的一部分）。試件本來存在的缺陷（孔隙、裂隙等）在荷載作用下經(jīng)歷了受壓的過程，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙、裂隙進(jìn)一步壓縮，該階段曲線呈現(xiàn)凹型特征。曲線斜率隨應(yīng)力增大呈增大趨勢(shì)，且增大的速率加快。

（2）彈性階段（AB段）。該階段應(yīng)力應(yīng)變曲線近似呈直線關(guān)系，認(rèn)為膠凝砂礫石發(fā)生了彈性變形，這時(shí)材料被視為線彈性材料，而且在很大程度上表現(xiàn)為可恢復(fù)的彈性變形，試件不產(chǎn)生裂縫。

（3）屈服階段（BC段）。該階段應(yīng)力應(yīng)變曲線的切線斜率逐漸減小，曲線呈現(xiàn)凸型特征，表明膠凝砂礫石試件產(chǎn)生的微裂縫在不斷地發(fā)展并出現(xiàn)質(zhì)的變化。試件承載力在該階段達(dá)到最大值，此應(yīng)力最大值點(diǎn)稱為峰值強(qiáng)度，其大小反映膠凝砂礫石對(duì)外部動(dòng)荷載的最大抵抗力，并且以此峰值點(diǎn)為界分為破壞前階段和破壞后階段。

（4）應(yīng)變軟化段（CD段）。在峰值強(qiáng)度之后，試件整體性破壞越來越嚴(yán)重，隨著承載能力下降即外部動(dòng)荷載的下降，應(yīng)變繼續(xù)增大，試件發(fā)生應(yīng)變軟化。裂縫快速擴(kuò)展、交叉且相互連通形成宏觀斷裂面，軸向壓力使試件破裂，從而形成塊體的脫落，試件強(qiáng)度降低，應(yīng)變?cè)龃蟆?/p>

膠凝砂礫石料的動(dòng)應(yīng)力—?jiǎng)討?yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)非線性特征，試件達(dá)到峰值強(qiáng)度后均會(huì)呈現(xiàn)應(yīng)變軟化特征，且圍壓越大峰值強(qiáng)度越高；在同一配合比下，圍壓越小，試件的軟化形態(tài)越明顯（圖2）。

2.3 阻尼比與應(yīng)變的關(guān)系分析

計(jì)算阻尼比的公式借鑒文獻(xiàn)[7-9]：式中：λ為阻尼比；AR為滯回環(huán)ABCDfl的面積；As為三角形EDA的面積（圖3）。

根據(jù)試驗(yàn)得到的加卸載動(dòng)應(yīng)力—?jiǎng)討?yīng)變曲線，分別計(jì)算不同圍壓下試樣的阻尼比，得到不同圍壓下的咬凝砂礫石試件阻尼比與動(dòng)應(yīng)變的關(guān)系曲線，見圖4。結(jié)果表明，在加卸載過程中，隨著動(dòng)應(yīng)變的增大，阻尼比先減小后增大，即與動(dòng)應(yīng)變呈非線性關(guān)系。在低應(yīng)力和圍壓的作用下，試件內(nèi)部原有的缺陷逐漸減少，而隨著循環(huán)次數(shù)增加動(dòng)應(yīng)力變大，試件的損傷隨著動(dòng)應(yīng)變的增大而逐漸增大，從而導(dǎo)致阻尼比先減小后增大。阻尼比是材料動(dòng)力特性的一個(gè)重要參數(shù)，其大小反映的是膠凝砂礫石試件加卸載過程中消耗能量的多少，故阻尼比后增加的原因是隨著動(dòng)應(yīng)力的增大，不可逆變形的增大即消耗能量增多，導(dǎo)致阻尼比增大。

三軸動(dòng)荷載加卸載過程中，在有圍壓情況下，當(dāng)應(yīng)變一定時(shí)，隨著圍壓的增大，阻尼比減小。原因在于：圍壓作用對(duì)膠凝砂礫石試件產(chǎn)生側(cè)向約束，使膠凝砂礫石內(nèi)部顆粒連接更加緊密，而密實(shí)的膠凝砂礫石能夠增加其內(nèi)部波的傳播路徑，減少傳播過程中能量的耗散；而阻尼比的本質(zhì)就是反映能量耗損多少的參數(shù)，因而隨之減小。

3 結(jié)論

大型動(dòng)三軸試驗(yàn)得到了膠凝砂礫石材料的動(dòng)應(yīng)力—?jiǎng)討?yīng)變關(guān)系曲線和該材料的阻尼比與動(dòng)應(yīng)變的變化規(guī)律。

（1）圍壓由0mPa增加至0.6mPa時(shí)，膠凝砂礫石的抗壓強(qiáng)度提高123.59%、殘余強(qiáng)度提高14.1倍。

（2）由膠凝砂礫石材料的動(dòng)應(yīng)力—?jiǎng)討?yīng)變關(guān)系曲線可以看出，該曲線呈現(xiàn)彈塑性變形規(guī)律，可將該曲線大致分為壓密、彈性、屈服、應(yīng)變軟化等4個(gè)階段。

（3）在加卸載過程中，同一圍壓情況下，隨著動(dòng)應(yīng)變的增大，阻尼比先減小趨于平緩后增加，即與動(dòng)應(yīng)變呈非線性關(guān)系，而在相同應(yīng)變條件下，阻尼比隨著圍壓的增加而減小。

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