淤泥輕量土抗剪特性及其細觀結(jié)構(gòu)變形研究

馮永　張盼盼　胡浩晨

摘要：為了深入探究淤泥輕量土的抗剪特性及其細觀結(jié)構(gòu)變形機理，采用室內(nèi)單軸壓縮試驗、三軸剪切試驗與ABAQUS有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，通過對比細觀模擬監(jiān)測結(jié)果與試驗成果，系統(tǒng)分析了不同水泥摻量、圍壓、EPS摻量及其粒徑對淤泥輕量土的抗剪強度特性及細觀變形的影響。結(jié)果表明：OEPS顆粒摻量對淤泥輕量土的破壞應(yīng)變及其屈服強度峰值有顯著影響。②高水泥摻量對其強度特性及結(jié)構(gòu)變形有重大影響，但其破壞應(yīng)變受其影響不大，試驗結(jié)果中破壞應(yīng)變最大僅相差0.5%。③EPS顆粒定點位監(jiān)測的數(shù)值模擬結(jié)果表明，在相同條件下，三個點位的EPS顆粒變形及其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系并不相同，上點位應(yīng)變值最大，下點位比上點位的應(yīng)變值平均小約1.5%。另外在一定的壓力范圍內(nèi)，試樣破壞之前EPS顆粒在土體內(nèi)發(fā)生的位移并不明顯，與試樣土體的位移僅差0.15 mm，變化速率與室內(nèi)試驗結(jié)果一致。

關(guān)鍵詞：淤泥混合輕量土;抗剪特性;細觀結(jié)構(gòu)變形;ABAQUS數(shù)值模擬

中圖分類號：TU43

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.06.026

近年來，隨著“既要綠水青山，又要金山銀山”綠色發(fā)展理念的推動，廢棄材料資源化已成為亟需解決的問題。在現(xiàn)有的國內(nèi)外疏浚淤泥處理方法中，傳統(tǒng)的脫水、燒結(jié)方法難以滿足大批量的淤泥處理要求。EPS（可發(fā)性聚苯乙烯）淤泥混合輕量土技術(shù)從全新的角度把淤泥當作“資源”看待，是既經(jīng)濟環(huán)保又輕質(zhì)、高強的人工合成填料。針對這一新型環(huán)保土體材料組成成分和物理力學(xué)性質(zhì)影響因素的復(fù)雜性，近年來國內(nèi)外學(xué)者對其物理特性及影響因素展開了大量研究[1-6]。侯天順等[7]通過直剪試驗研究了不同EPS粒徑輕量土抗剪強度的變化規(guī)律。朱偉等[8-10]通過三軸試驗對淤泥混合輕量土的力學(xué)特性及本構(gòu)模型進行了深入研究，并取得了大量成果。陳晨等[11]基于淤泥氣泡混合土內(nèi)部微孔分布的細觀特征，利用物理力學(xué)試驗實測及數(shù)值模擬計算并結(jié)合細觀圖像分析技術(shù)，驗證了有限元分析的可能性，從細觀尺度上揭示了土體內(nèi)部的破壞機理，并提出了淤泥氣泡混合土的力學(xué)性質(zhì)與微孔的細觀特征具有很大的相關(guān)性，土體內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)對其最終的破壞形式有很大影響。戴文亭等[12]利用室內(nèi)試驗及ABAQUS有限元軟件初步對混合輕量土力學(xué)特性進行數(shù)值模擬，分析了其強度特性及變形規(guī)律。

綜上所述，盡管已有很多學(xué)者對淤泥輕量土物理力學(xué)特性及影響因素進行了研究，但多是基于室內(nèi)試驗進行宏觀方面的分析，對循環(huán)荷載作用下的強度特性及細觀機理動態(tài)模擬的研究相對較少。

因此，筆者采用ABAQUS有限元軟件及室內(nèi)試驗相結(jié)合的方法，驗證分析了水泥摻量、EPS摻量及圍壓等因素對淤泥輕量土抗剪強度特性及細觀破壞形態(tài)產(chǎn)生的影響。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

采用黃河鄭州段的疏浚淤泥作為原料土，其物理參數(shù)見表1。固化材料采用河南天瑞水泥廠生產(chǎn)的32.5#普通硅酸鹽水泥，選取粒徑分別為3、4 mm的球形EPS顆粒作為輕化材料。

1.2 試樣的制備

制樣時以干土質(zhì)量為標準，按照擬定的配合比加入碾碎過篩后的干土、EPS顆粒、水泥及自來水。通過攪拌后，分層裝入試驗?zāi)＞?，試樣修平后置人標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護（溫度20+2℃，濕度>97%）28 d，再進行標準真空抽氣飽和。

1.3 試驗方案及配合比

根據(jù)工程應(yīng)用及試驗?zāi)康模謩e對不同EPS摻量及水泥摻量的分組試樣在含水率為50%、標準養(yǎng)護至28 d條件下，進行單軸壓縮試驗及固結(jié)不排水三軸試驗，剪切應(yīng)變速率為0.008 mm/min。

依據(jù)強度理論及相關(guān)土工試驗規(guī)范規(guī)定，所選摻量以干土質(zhì)量為計算基數(shù)，選定了8種配合比，且每種配合比制作了3組試樣，試樣尺寸與模具尺寸等同（高80 mm、直徑39.1 mm）。本次試驗中材料的配合比見表2。

試驗過程中選擇不同的控制變量進行抗剪強度測試，研究多種影響因素如不同水泥摻量、圍壓、EPS摻量及EPS粒徑等對淤泥輕量土抗剪強度的影響，進一步探究其宏細觀強度變化機理及變化規(guī)律。

2 試驗結(jié)果分析

選用幾組代表性試驗數(shù)據(jù)進行研究分析，應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖1-圖3。

試驗發(fā)現(xiàn)EPS顆粒摻量是影響淤泥輕量土抗剪強度的一個重要參數(shù)。由圖1可知，不同EPS摻量下淤泥輕量土的強度皆呈現(xiàn)多階段變化，但變化范圍及屈服強度峰值存在明顯差距。隨著EPS摻量的增大，破壞應(yīng)變顯著增大，應(yīng)力強度變化速率隨著EPS顆粒摻量的增大明顯減小，導(dǎo)致其發(fā)生彈塑性變化的區(qū)間變長。

本次試驗設(shè)定水泥摻量為6% - 15%，由于在試樣制作中水泥為固化材料，水泥能使輕化骨料與土體之間形成較強的膠結(jié)力，因此水泥含量對試樣破壞應(yīng)變具有一定的影響。由圖2可知，水泥摻量對淤泥輕量土的破壞應(yīng)變影響較小，多種配合比下應(yīng)變相差不足1.0%。因此，在一定水泥摻量范圍內(nèi)，可忽略其對淤泥應(yīng)變的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在高水泥摻量下，淤泥輕量土內(nèi)部EPS顆粒與固結(jié)土之間的膠結(jié)作用強度較大，隨著應(yīng)力的逐漸增大，試樣較易發(fā)生脆性破壞。

由圖3可知，圍壓是影響試樣抗剪強度的一個重要因素。隨著圍壓的不斷增大，試樣彈塑性應(yīng)變階段明顯加長，而應(yīng)力應(yīng)變曲線初始段線性程度較低，切線斜率逐漸減小。在高圍壓工況下，當應(yīng)變較小時其初始彈性應(yīng)變和主應(yīng)力差也較小。

3 細觀數(shù)值模擬分析

3.1 ABAQUS有限元模型的建立

為深入分析淤泥輕量土細觀結(jié)構(gòu)多相體系之間的變形關(guān)系，根據(jù)室內(nèi)試驗獲得的大量成果，針對性開展了淤泥輕量土細觀尺度下的數(shù)值模擬研究。

采用ABAQUS有限元軟件建立尺寸與室內(nèi)試驗試樣相同的3D有限元模型，由partl -EPS球形顆粒與part2-淤泥固結(jié)土體構(gòu)成，均為三維可變性實體部件，如圖4所示。

模型的邊界條件設(shè)置為軸對稱，頂部水平位移均為0，豎直方向不受約束。模型側(cè)面施加相應(yīng)強度的圍壓P1，端部施加荷載P2，模型整體施加一個重力γ，底部三個方向均受約束，模型荷載形式如圖5所示。

模型的材料屬性參數(shù)（見表3）與室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)相同。EPS顆粒材料選用彈性本構(gòu)模型，淤泥固結(jié)土選用彈塑性本構(gòu)模型，二者之間的接觸類型選擇generalcontact接觸.EPS顆粒的外表面相對于固結(jié)土為從屬面。模型頂部及底部是受力集中部位，劃分網(wǎng)格時對其加密，而其他部位網(wǎng)格相對稀疏。EPS顆粒球形體的網(wǎng)格劃分對計算結(jié)果的精確度格外重要，甚至?xí)斐捎嬎悴皇諗?，該模型中EPS顆粒采用六面體剖分及矩形掃略方式進行網(wǎng)格劃分。循環(huán)荷載的加載通過控制分析步的個數(shù)及計算時間來完成。根據(jù)淤泥輕量土細觀結(jié)構(gòu)的變形機理及物理力學(xué)特性，選用摩爾一庫侖模型進行模擬分析。

3.2 有限元模擬結(jié)果分析

試樣配合比參數(shù)通過試驗參數(shù)來體現(xiàn)，圍壓由邊界條件可直接設(shè)置，選取Ae=4. 00-10，Ae=15.0%，ω=50%.粒徑d=4 mm，養(yǎng)護28 d。基于圍壓參數(shù)分兩種工況進行模擬分析，工況一模型側(cè)面設(shè)200 kPa圍壓，工況二模型側(cè)面設(shè)100 kPa圍壓，其應(yīng)力、位移云圖如圖6、圖7所示。

由土體及細觀EPS顆粒的應(yīng)力云圖和位移云圖可以看出：工況一淤泥輕量土的最大應(yīng)力發(fā)生在試樣頂部，約為297.2 kPa，頂部應(yīng)變約為5.34%，軸向位移約為2.56 mm，水平方向可以忽略不計，其應(yīng)力從頂部往下呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。值得提出的是，試樣中EPS顆粒的位移為2.41 mm，與固結(jié)土體壓縮變形僅差0.15 mm，應(yīng)變約差0.2%。原因在于，荷載加載前期階段，水泥使EPS顆粒與土體之間形成較強的膠結(jié)力，在一定壓力范圍內(nèi)，土體破壞之前EPS顆粒并沒有發(fā)生結(jié)構(gòu)性變形，只是產(chǎn)生了微小移動并重新排列。工況二當施加100 kPa圍壓時，試樣頂部的最大應(yīng)力為188.8 kPa，軸向位移為1.93 mm.應(yīng)變僅約為3.43%.發(fā)生的位置明顯集中在試樣的頂部區(qū)域，其變化趨勢與工況一相同，從頂部往下呈現(xiàn)逐漸減小趨勢。

通過兩種工況的模擬數(shù)據(jù)對比分析可知，工況一的模擬值均為工況二模擬值的1.5倍左右，表明隨著圍壓的逐漸增大，淤泥輕量土的應(yīng)力、應(yīng)變逐漸增大，其變化速率與室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)的基本一致。

3.3 數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗結(jié)果對比分析

由于分析數(shù)據(jù)眾多，因此僅選定幾組典型配合比進行代表分析，結(jié)果如圖8、圖9所示。通過對影響淤泥輕量土強度特性的多種影響因素數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果很大程度上相～致，吻合度高達95%.所選數(shù)據(jù)誤差很小。本節(jié)以不同EPS顆粒粒徑的數(shù)據(jù)進行詳細分析。

由圖8、圖9可知：淤泥輕量土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系具有多個階段變化及非線性特征，這與相關(guān)研究文獻成果一致。隨著圍壓和EPS粒徑的增大，淤泥輕量土強度明顯減小，原因是試樣在受力加載初期內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)只產(chǎn)生一些微小的孔隙裂縫，EPS顆粒并未發(fā)生明顯變化：伴隨著軸向有效應(yīng)力的繼續(xù)增大，微小裂縫被壓實閉合，細觀結(jié)構(gòu)間的作用強度減小，其應(yīng)力應(yīng)變曲線近似呈現(xiàn)直線上升趨勢：同時EPS顆粒體積開始發(fā)生快速變形，且其變化速度隨著圍壓和EPS粒徑的不同而有明顯變化：當有效應(yīng)力達到其屈服強度時，其內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)間的作用完全喪失，試樣發(fā)生了剪切破壞.EPS顆粒體積及其應(yīng)力應(yīng)變的變化呈現(xiàn)較緩慢的穩(wěn)定趨勢。

4 EPS顆粒監(jiān)測數(shù)值模擬分析

基于淤泥輕量土組成成分及力學(xué)特性的復(fù)雜性，為進一步探究其細觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，根據(jù)上述兩種工況（即工況一模型設(shè)200 kPa圍壓，工況二模型設(shè)100 kPa圍壓）下試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，選取了土體內(nèi)部上、中、下相同位置的3個EPS顆粒（分別為EPS-Lin-3-I、EPS-Lin-3 -3及EPS-Lin-3 -6），其應(yīng)力應(yīng)變云圖如圖10所示。

本文分別以所選點位為起點對其進行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，兩種工況不同路徑的應(yīng)變、應(yīng)力曲線如圖11、圖12所示。

由兩種工況下3個點位的應(yīng)力應(yīng)變路徑曲線可知，試樣頂部EPS-Lin-3 - IEPS顆粒的應(yīng)力、應(yīng)變最大，下點位EPS-Lin-3-6比上點位EPS-Lin-3-I的應(yīng)變平均小約1.5%。從土體中間區(qū)域至其端部，其應(yīng)力、應(yīng)變呈緩慢增大趨勢，說明對試樣施壓的起初階段，其底部和端部最先發(fā)生變化，隨著壓力的增大，試樣的應(yīng)力、應(yīng)變逐漸傳遞至其中間部位，EPS顆粒發(fā)生微小的移動，但并未發(fā)生明顯變形。另外，工況二下EPS顆粒3個點位的應(yīng)力、應(yīng)變均明顯比工況一的偏小，與試樣土體的整體變化規(guī)律一致。

5 結(jié)論

通過三軸剪切試驗、單軸壓縮試驗及ABAQUS有限元數(shù)值模擬，研究了不同EPS顆粒摻量、水泥摻量及圍壓等因素對淤泥輕量土抗剪特性及細觀結(jié)構(gòu)變形機理的影響，得到以下結(jié)論。

（1）由試驗分析可知，不同EPS顆粒及不同水泥摻量下淤泥輕量土強度曲線的變化趨勢雖然呈現(xiàn)一致狀態(tài)，但強度特性變化范圍及屈服強度峰值有差別。在低圍壓下，試樣破壞應(yīng)變受水泥摻量影響不大。

（2）EPS顆粒的粒徑及摻量對淤泥輕量土的抗剪強度有顯著影響，在試樣整個變形過程中EPS顆粒變形占主導(dǎo)地位。隨著軸向有效應(yīng)力的增大，淤泥輕量土內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)及EPS顆粒體積的變形是導(dǎo)致試樣發(fā)生剪切破壞的主要因素。

（3）通過ABAQUS有限元數(shù)值模擬可知，隨著荷載的循環(huán)變化，土體受力變形趨勢與室內(nèi)試驗值變化趨勢基本一致，吻合度約達90%.進一步驗證了有限元模擬的合理性。另外，通過對EPS顆粒定點位應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測得知，相同條件下3個點位EPS顆粒應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系并不相同，上點位應(yīng)力、應(yīng)變最大，下點位EPS-Lin-3-6比上點位EPS-Lin-3-I的應(yīng)變平均小約1.5%。

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【責任編輯張華巖】