動(dòng)荷載作用歷史對(duì)水泥固化鈣質(zhì)砂三軸力學(xué)特性影響

王 偉，李 犇，羅佳樂(lè)，胡 俊，姜 屏，李 娜

（1.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，浙江紹興 312000；2.浙江省巖石力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江紹興 312000；3.海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，海南?？?570228）

引言

鈣質(zhì)砂是一種海洋生物碎屑沉積物，碳酸鈣含量達(dá)到50%以上，主要形成來(lái)源為珊瑚礁、珊瑚藻以及其它海洋生物的骨架殘骸，這使得其具有多孔隙和易破碎等性質(zhì)［1-3］。鈣質(zhì)砂在熱帶及亞熱帶氣候的大陸架和海岸線廣泛分布，中國(guó)的南海地區(qū)存在大量鈣質(zhì)砂，隨著南海地區(qū)工程建設(shè)的展開(kāi)，鈣質(zhì)砂的基本物理性質(zhì)導(dǎo)致其承載力較低的問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)［4］，因此對(duì)鈣質(zhì)砂進(jìn)行加固處理的研究具有重要的實(shí)際工程意義。

硅酸鹽水泥是目前工程上應(yīng)用最廣泛的膠結(jié)固化材料，國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)研究表明水泥加固鈣質(zhì)砂的效果良好。李文杰等［5］對(duì)鈣質(zhì)砂水泥砂漿進(jìn)行了抗壓、抗折和掃描電鏡測(cè)試，研究結(jié)果表明：鈣質(zhì)砂水泥砂漿早期強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)砂高，采用海水養(yǎng)護(hù)試樣早期強(qiáng)度較高，建立了鈣質(zhì)砂細(xì)度模數(shù)與吸水率之間的關(guān)系曲線。萬(wàn)志輝等［6］通過(guò)微型灌入試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)以及一系列微觀試驗(yàn)研究了海水環(huán)境下水泥含量和齡期對(duì)水泥鈣質(zhì)砂強(qiáng)度變化的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明：海水環(huán)境對(duì)水泥鈣質(zhì)砂的侵蝕影響隨齡期的增長(zhǎng)和水泥含量的減少而增大。徐東升等［7］通過(guò)沖擊試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)以及PFC離散元模擬方法對(duì)級(jí)配變化影響珊瑚砂水泥膠結(jié)體破壞行為進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：級(jí)配區(qū)間越廣的珊瑚砂水泥膠結(jié)體具有更優(yōu)的力學(xué)性能。Gu等［8］通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和核磁共振試驗(yàn)研究了水泥含量和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥鈣質(zhì)砂的強(qiáng)度影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：水泥鈣質(zhì)砂的強(qiáng)度隨齡期和水泥含量的增大而增大，并以此建立了水泥含量和齡期影響的強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式。Wang等［9］通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和SEM試驗(yàn)研究了納米黏土對(duì)水泥鈣質(zhì)砂力學(xué)特性的影響，研究結(jié)果表明：納米黏土可以吸附鈣離子，產(chǎn)生晶核作用，促進(jìn)水泥水化反應(yīng)，進(jìn)而改善水泥鈣質(zhì)砂的力學(xué)特性。

地震、臺(tái)風(fēng)和海浪等動(dòng)荷載作用對(duì)土木工程的安全穩(wěn)定存在巨大影響［10-12］。鈣質(zhì)砂廣泛分布的海岸帶是受地震、海嘯和海浪等影響的主要地區(qū)［13］，若缺乏必要的抵抗動(dòng)荷載能力，鈣質(zhì)砂地基將從自然災(zāi)害的承災(zāi)體轉(zhuǎn)變?yōu)橹聻?zāi)體［14］，因此其動(dòng)力特性是需要關(guān)注的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外已有一些對(duì)鈣質(zhì)砂在動(dòng)荷載下的力學(xué)特性相關(guān)研究。高冉等［15］利用動(dòng)三軸試驗(yàn)研究了鈣質(zhì)砂動(dòng)力特性，研究結(jié)果表明：鈣質(zhì)砂在動(dòng)荷載作用下液化情況與其排水條件關(guān)系密切。劉鑫等［16］通過(guò)共振柱試驗(yàn)研究了固結(jié)壓力和相對(duì)密度對(duì)鈣質(zhì)砂動(dòng)剪切模量的影響，研究結(jié)果表明：鈣質(zhì)砂的動(dòng)剪切模量隨固結(jié)壓力和相對(duì)密實(shí)度的增大而增加。Yaser等［17］通過(guò)動(dòng)三軸試驗(yàn)和共振柱試驗(yàn)對(duì)鈣質(zhì)砂和硅質(zhì)砂的動(dòng)力特性進(jìn)行對(duì)比研究，研究表明：鈣質(zhì)砂與硅質(zhì)砂存在差異，這些差異主要?dú)w因于顆粒形狀和礦物成分。肖鵬等［18］對(duì)微生物加固鈣質(zhì)砂進(jìn)行了循環(huán)三軸試驗(yàn)，研究了不同試驗(yàn)條件對(duì)鈣質(zhì)砂動(dòng)力特性的影響，研究結(jié)果表明：微生物加固鈣質(zhì)砂的動(dòng)強(qiáng)度隨微生物加固程度、相對(duì)密實(shí)度和有效圍壓的提高均出現(xiàn)了不同程度的提高。Xiao等［19］利用循環(huán)動(dòng)三軸試驗(yàn)研究了微生物膠結(jié)鈣質(zhì)砂在動(dòng)荷載下的液化特性，結(jié)果表明：微生物膠結(jié)處理顯著提高了鈣質(zhì)砂的抗液化能力。

現(xiàn)有研究中，動(dòng)荷載下鈣質(zhì)砂和微生物膠結(jié)鈣質(zhì)砂的力學(xué)特性研究較多，而水泥固化鈣質(zhì)砂的研究較少。文中采用頻率為1 Hz，振幅為1 mm，加載次數(shù)為1 000次的正弦波進(jìn)行動(dòng)荷載加載，對(duì)施加動(dòng)荷載前后的水泥鈣質(zhì)砂分別進(jìn)行靜力三軸試驗(yàn)，研究動(dòng)荷載作用歷史對(duì)水泥鈣質(zhì)砂力學(xué)特性的影響，為水泥在加固鈣質(zhì)砂地基工程中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用儀器為英國(guó)GDS公司生產(chǎn)的伺服電機(jī)控制的動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)（DYNTTS），如圖1所示。該儀器可進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變控制的靜力三軸試驗(yàn)以及一系列土體動(dòng)態(tài)指標(biāo)測(cè)試。

試驗(yàn)使用的鈣質(zhì)砂取自海南省三沙市永興島某地區(qū)，整體顆粒粒徑小于2 mm，其顆粒級(jí)配曲線如圖2所示，鈣質(zhì)砂的基本物理性質(zhì)如表1所示。試驗(yàn)使用紹興蘭亭P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，其基本物理力學(xué)性能如表2所示。試驗(yàn)使用自來(lái)水進(jìn)行拌合。

圖1 GDS動(dòng)三軸試驗(yàn)裝置Fig.1 GDS dynamic triaxial test apparatus

表1 鈣質(zhì)砂基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of calcareous sand

表2 普通硅酸鹽水泥物理力學(xué)性能Table 2 Physical and mechanical properties of ordinary portland cement

1.2 試樣制備

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）和設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案，文中的試樣制備過(guò)程可分為以下步驟：

（1）將經(jīng)篩分后粒徑小于2 mm的鈣質(zhì)砂放入105℃恒溫箱中烘烤24 h，烘干鈣質(zhì)砂中的水；

（2）根據(jù)表3中試樣配合比稱取適量的鈣質(zhì)砂、水泥和水，攪拌均勻后制作高度為80 mm，直徑為39.1 mm的試樣；

（3）試樣制備完成后，將裝有試樣的三瓣飽和器放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)。

表3 試樣配合比及試驗(yàn)條件Table 3 Sample mix proportion and test conditions

1.3 試驗(yàn)方法

文中試驗(yàn)對(duì)象分為2類，分別為不經(jīng)過(guò)動(dòng)荷載作用的水泥鈣質(zhì)砂（CCS-1）和經(jīng)過(guò)動(dòng)荷載作用的水泥鈣質(zhì)砂（CCS-2）。

對(duì)CCS-1試樣的測(cè)試如下：（1）將試樣安裝完畢后，施加圍壓至設(shè)計(jì)值，設(shè)計(jì)圍壓分別為100、200、300、400 kPa；（2）對(duì)試樣進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，加載速率為1 mm·min-1。

對(duì)CCS-2試樣的測(cè)試如下：（1）將試樣安裝在GDS三軸儀上，施加0.005 kN外力，確保荷重錘與試樣完全接觸；（2）施加圍壓至設(shè)計(jì)值，設(shè)計(jì)圍壓分別為100、200、300、400 kPa；（3）對(duì)試樣采用頻率為1 Hz、振幅為1 mm的正弦波進(jìn)行動(dòng)荷載加載，加載次數(shù)為1 000次；（4）保持圍壓不變，對(duì)動(dòng)荷載加載完成后的試樣進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，加載速率為1 mm·min-1。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 無(wú)動(dòng)荷載影響結(jié)果分析

試驗(yàn)得到了不同水泥含量（CC）和齡期（age）的CCS-1在不同圍壓下的偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖3給出了其中水泥含量為0%和15%的典型曲線。由圖3可得圍壓的增大會(huì)導(dǎo)致水泥鈣質(zhì)砂的應(yīng)變硬化趨勢(shì)也隨之增大。圖4（a）和（b）分別對(duì)300 kPa圍壓下7 d和28 d齡期時(shí)不同水泥含量的水泥鈣質(zhì)砂偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行對(duì)比。由圖4可得在水泥含量0%時(shí)，鈣質(zhì)砂的偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化趨勢(shì)。隨著水泥含量的增大，水泥鈣質(zhì)砂的應(yīng)變硬化趨勢(shì)逐漸弱化，呈現(xiàn)為應(yīng)變軟化趨勢(shì)。

圖3 CCS-1三軸試驗(yàn)典型曲線Fig.3 Typical curve of CCS-1 triaxial test

圖4 CCS-1三軸試驗(yàn)典型曲線Fig.4 Typical curve of CCS-1 triaxial test

引入應(yīng)力相對(duì)軟化系數(shù)k［20］對(duì)試樣q-ε曲線的軟化特征進(jìn)行分析：

式中：qp為峰值應(yīng)力；qr為殘余應(yīng)力。k=0代表曲線無(wú)軟化特征，為硬化型曲線，k越大，曲線的軟化特征越明顯。

文中試驗(yàn)，qp為偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值點(diǎn)，qr為ε=12%對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力值，計(jì)算各組試樣的k值如表4所示。由表可見(jiàn)在圍壓相同的情況下，試樣的應(yīng)變軟化特征隨水泥含量的增大而逐漸明顯，由圖4（b）可見(jiàn)當(dāng)水泥含量達(dá)到15%時(shí)，水泥鈣質(zhì)砂的峰后應(yīng)力跌落程度較大。在相同水泥含量下，28 d齡期試樣的應(yīng)變軟化特征均大于7 d齡期試樣。這說(shuō)明水泥對(duì)鈣質(zhì)砂進(jìn)行固化增強(qiáng)其剛度和強(qiáng)度的同時(shí)也增大了鈣質(zhì)砂的峰后脆性。增大圍壓能顯著提高試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線的應(yīng)變硬化特征。

表4 應(yīng)力相對(duì)軟化系數(shù)Table 4 Relative softening coefficient of stress

圖5給出了不同水泥含量CCS-1在不同齡期和不同圍壓下的破壞偏應(yīng)力。由圖可見(jiàn)隨水泥含量的增大，不同圍壓下的鈣質(zhì)砂的破壞偏應(yīng)力均呈上升趨勢(shì)。7 d齡期時(shí)300 kPa圍壓下水泥含量為5%、10%和15%時(shí)，鈣質(zhì)砂破壞偏應(yīng)力較水泥含量為0%時(shí)分別提高37.1%、77.3%和111.6%。28 d齡期時(shí)300 kPa圍壓下水泥含量為5%、10%和15%時(shí)，鈣質(zhì)砂破壞偏應(yīng)力較水泥含量為0%時(shí)分別提高58.6%、109.7%和154.5%。水泥含量增加5%，7 d齡期時(shí)破壞偏應(yīng)力增幅約為35%，28 d齡期時(shí)破壞偏應(yīng)力增幅約為50%。

圖5 不同水泥含量CCS-1破壞偏應(yīng)力Fig.5 The destruction deviator stress of CCS-1 with different cement content

通過(guò)以上分析可以得到圍壓和水泥含量對(duì)水泥鈣質(zhì)砂的破壞偏應(yīng)力都有影響且可粗略推斷破壞偏應(yīng)力與圍壓和水泥含量之間為線性關(guān)系，采用二元多項(xiàng)式對(duì)不同齡期的水泥鈣質(zhì)砂破壞偏應(yīng)力與圍壓、水泥含量進(jìn)行擬合，得到不同齡期水泥鈣質(zhì)砂關(guān)于水泥含量和圍壓的強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)如式（2）：

圖6 破壞偏應(yīng)力隨水泥含量及圍壓變化規(guī)律Fig.6 Variation of destruction deviator stress with cement content and confining pressure

通過(guò)式（2）可以得到齡期為7 d和28 d時(shí)任意水泥含量CC和圍壓σ3下的破壞偏應(yīng)力qp，由該擬合公式得到的計(jì)算值和試驗(yàn)得到的實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)r2分別為0.994和0.993，擬合效果理想。圖6給出了齡期為7 d和28 d時(shí)相同水泥含量和相同圍壓下試驗(yàn)值和擬合值，可以看到試驗(yàn)值都分布在擬合值附近，這說(shuō)明強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式具有良好的擬合效果和較好的實(shí)際工程參考價(jià)值。

2.2 動(dòng)荷載影響結(jié)果分析

圖7給出了不同齡期時(shí)各水泥含量CCS-1和CCS-2在300 kPa圍壓下的典型偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖可見(jiàn)動(dòng)荷載作用后水泥鈣質(zhì)砂CCS-2的偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變軟化特征隨水泥含量的增大而逐漸明顯的趨勢(shì)沒(méi)有改變。

圖7 CCS-1與CCS-2三軸試驗(yàn)典型曲線Fig.7 Typical curves of CCS-1 and CCS-2 triaxial tests

圖8 不同水泥含量CCS-2破壞偏應(yīng)力Fig.8 The destruction deviator stress of CCS-2 with different cement content

圖8給出了不同水泥含量CCS-2在不同齡期和不同圍壓下的UU試驗(yàn)破壞偏應(yīng)力。由圖可見(jiàn)經(jīng)過(guò)動(dòng)荷載作用后鈣質(zhì)砂隨水泥含量增大，破壞偏應(yīng)力隨之增大的總體趨勢(shì)依然存在。7 d齡期時(shí)300 kPa圍壓下水泥含量為5%、10%和15%時(shí)，鈣質(zhì)砂破壞偏應(yīng)力較水泥含量為0%時(shí)分別提高5.5%、35.2%和48%。28 d齡期時(shí)300 kPa圍壓下水泥含量為5%、10%和15%時(shí)，鈣質(zhì)砂破壞偏應(yīng)力較水泥含量為0%時(shí)分別提高22.4%、55%和77%。通過(guò)對(duì)比圖5和圖8能夠得到水泥鈣質(zhì)砂在經(jīng)過(guò)動(dòng)荷載作用后破壞偏應(yīng)力的變化情況，除水泥含量0%以外，其余水泥含量下的水泥鈣質(zhì)砂在經(jīng)過(guò)動(dòng)荷載作用后，試樣的破壞偏應(yīng)力均出現(xiàn)不同程度的折減。

計(jì)算水泥鈣質(zhì)砂在動(dòng)荷載作用后的強(qiáng)度折減率n：

式中：qp為動(dòng)荷載作用前試樣的UU試驗(yàn)破壞偏應(yīng)力；qpd為動(dòng)荷載作用后試樣的UU試驗(yàn)破壞偏應(yīng)力。水泥鈣質(zhì)砂各水泥含量、齡期和圍壓條件下強(qiáng)度折減率見(jiàn)表5。由表可得水泥含量0%時(shí)，鈣質(zhì)砂的強(qiáng)度折減率為負(fù)值，即鈣質(zhì)砂在動(dòng)荷載作用后破壞偏應(yīng)力大于動(dòng)荷載作用前，這是鈣質(zhì)砂在動(dòng)荷載作用下密實(shí)的結(jié)果［21］。圖9為水泥含量0%鈣質(zhì)砂動(dòng)荷載加載過(guò)程中典型應(yīng)力應(yīng)變滯回圈，需要指出的是在試樣安裝在動(dòng)三軸儀上后，需施加0.005 kN的軸向力確保試樣與儀器荷重錘完全接觸，而在施加圍壓過(guò)程中，圍壓會(huì)使試樣存在拉應(yīng)力，因此第一周動(dòng)荷載的滯回曲線無(wú)法以零點(diǎn)為起點(diǎn)。由圖可見(jiàn)在動(dòng)荷載循環(huán)1次至10次時(shí)，滯回圈明顯縮小，這代表此時(shí)試樣產(chǎn)生塑性變形，鈣質(zhì)砂在振動(dòng)作用下趨于密實(shí)。在10次至1 000次振動(dòng)周期中滯回圈依然呈縮小趨勢(shì)，但變化越來(lái)越小，逐漸穩(wěn)定。

通過(guò)表5中數(shù)據(jù)可知，水泥鈣質(zhì)砂經(jīng)動(dòng)荷載作用后不同圍壓下平均強(qiáng)度折減率隨水泥含量的增大而增大，在相同水泥含量下平均強(qiáng)度折減率隨齡期的增大而增大。這是因?yàn)樗嗪吭酱蟆g期越長(zhǎng)，水泥鈣質(zhì)砂內(nèi)部水泥水化產(chǎn)物越多、膠結(jié)越強(qiáng)，在經(jīng)過(guò)動(dòng)荷載作用后，試樣內(nèi)部水泥膠結(jié)結(jié)構(gòu)被破壞松散，與動(dòng)荷載作用前強(qiáng)度差距越大。當(dāng)水泥含量在5%～10%時(shí)，水泥鈣質(zhì)砂的強(qiáng)度折減率較低，且在7 d齡期下，遠(yuǎn)低于水泥含量15%的水泥鈣質(zhì)砂的強(qiáng)度折減率。這表明當(dāng)水泥含量大于10%后，水泥鈣質(zhì)砂對(duì)動(dòng)荷載作用歷史更為敏感，因此在滿足靜力強(qiáng)度的前提下，水泥膠結(jié)鈣質(zhì)砂的水泥用量建議確定在5%～10%之間。

圖9 鈣質(zhì)砂動(dòng)三軸典型滯回圈Fig.9 Typical dynamic triaxial hysteretic loops of calcareous sand

表5 水泥鈣質(zhì)砂強(qiáng)度折減率Table 5 Strength reduction rate of cement calcareous sand

根據(jù)以上分析可知，水泥鈣質(zhì)砂經(jīng)過(guò)動(dòng)荷載作用后的強(qiáng)度折減率與水泥鈣質(zhì)砂的水泥含量和齡期均有關(guān)系，將表5中平均強(qiáng)度折減率數(shù)據(jù)與齡期、水泥含量進(jìn)行擬合，得到n=f（CC，age）關(guān)系式，擬合公式如下：

通過(guò)式（4）可以得到任意水泥含量CC和任意齡期age下的強(qiáng)度折減率n，由該擬合公式所得理論值與試驗(yàn)值計(jì)算所得相關(guān)系數(shù)r2=0.971，擬合效果理想。圖10給出了相同水泥含量和齡期下強(qiáng)度折減率試驗(yàn)值與擬合值，由圖可見(jiàn)，試驗(yàn)所得實(shí)際值點(diǎn)均分布在擬合值附近

2.3 抗剪強(qiáng)度參數(shù)分析

根據(jù)圖5和圖8中的各組水泥鈣質(zhì)砂破壞偏應(yīng)力數(shù)據(jù)，繪制水泥鈣質(zhì)砂莫爾破壞應(yīng)力圓并以各圍壓下的莫爾圓的公切線作為試樣的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線，如圖11所示。紅色實(shí)線繪制的是CCS-1的莫爾圓，黑色虛線繪制的是CCS-2的莫爾圓。

由圖11可得不同水泥含量和齡期下水泥鈣質(zhì)砂的內(nèi)摩擦角和粘聚力，可以看出水泥鈣質(zhì)砂的粘聚力隨著水泥含量的增大而增大，內(nèi)摩擦角隨水泥含量變化在36°～42°之間輕微波動(dòng)。在施加動(dòng)荷載之前，水泥鈣質(zhì)砂粘聚力隨水泥含量從0%到15%每增加5%對(duì)應(yīng)增幅分別為905.2%、74.5%和78.6%。這說(shuō)明摻入少量的水泥能對(duì)鈣質(zhì)砂的粘聚力有大幅度的提升，這是因?yàn)殁}質(zhì)砂作為一種砂土，顆粒間幾乎不存在粘聚力，水泥作為一種膠結(jié)材料，水泥的水化產(chǎn)物能夠在鈣質(zhì)砂顆粒間提供膠結(jié)，因此少量的水泥便能使鈣質(zhì)砂的粘聚力得到大幅度增大。在少量水泥基礎(chǔ)上再摻入相同增量的水泥帶來(lái)的粘聚力提升增幅基本相同。通過(guò)對(duì)比相同水泥含量和相同齡期下水泥鈣質(zhì)砂施加動(dòng)荷載前后的抗剪強(qiáng)度參數(shù)可以看出，不同水泥含量和齡期水泥鈣質(zhì)砂經(jīng)動(dòng)荷載作用后粘聚力均減小而內(nèi)摩擦角無(wú)明顯變化規(guī)律。這說(shuō)明動(dòng)荷載作用主要破壞水泥鈣質(zhì)砂內(nèi)部水泥膠結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)而造成水泥鈣質(zhì)砂粘聚力的降低導(dǎo)致了水泥鈣質(zhì)砂強(qiáng)度的降低，而水泥含量為0%時(shí)，動(dòng)荷載的作用導(dǎo)致鈣質(zhì)砂顆粒更加密實(shí)，顆粒間滑動(dòng)摩擦和咬合摩擦大大增加，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角的增大。

圖11 水泥鈣質(zhì)砂莫爾破壞應(yīng)力圓包線Fig.11 Mohr failure stress envelope of cement calcareous sand

3 結(jié)論

文中通過(guò)對(duì)動(dòng)荷載作用前后的水泥鈣質(zhì)砂分別進(jìn)行三軸試驗(yàn)研究了水泥鈣質(zhì)砂在動(dòng)荷載作用前后的力學(xué)特性。通過(guò)對(duì)比動(dòng)荷載作用前后不同水泥含量鈣質(zhì)砂的偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系、破壞偏應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度參數(shù)，定量分析了動(dòng)荷載對(duì)不同水泥含量和齡期的水泥鈣質(zhì)砂的影響。得到以下結(jié)論：

（1）水泥含量為0%時(shí)，鈣質(zhì)砂的偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化趨勢(shì)。隨著水泥含量不斷增大，水泥鈣質(zhì)砂的應(yīng)變硬化趨勢(shì)逐漸弱化，呈現(xiàn)為應(yīng)變軟化趨勢(shì)。水泥的加入提高了鈣質(zhì)砂的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)也增大了鈣質(zhì)砂的峰后脆性。

（2）水泥鈣質(zhì)砂破壞偏應(yīng)力隨水泥含量、圍壓和齡期的增大而增大，得到不同齡期下水泥鈣質(zhì)砂破壞偏應(yīng)力隨水泥含量及圍壓變化經(jīng)驗(yàn)公式，強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式擬合效果理想，具有實(shí)際工程參考價(jià)值。

（3）經(jīng)過(guò)1 000次動(dòng)荷載循環(huán)作用后，水泥含量為0%的鈣質(zhì)砂破壞偏應(yīng)力增大，其余水泥含量下的水泥鈣質(zhì)砂破壞偏應(yīng)力均出現(xiàn)不同程度的折減。采用二元多項(xiàng)式擬合得到水泥鈣質(zhì)砂強(qiáng)度折減率與水泥含量及齡期的關(guān)系式，擬合效果理想，可得到任意水泥含量及齡期下1 000次動(dòng)荷載循環(huán)作用后的水泥鈣質(zhì)砂強(qiáng)度折減率。

（4）水泥的摻入主要為鈣質(zhì)砂提供了內(nèi)部顆粒間粘聚力，對(duì)鈣質(zhì)砂的內(nèi)摩擦角無(wú)影響。動(dòng)荷載對(duì)水泥鈣質(zhì)砂的破壞作用主要體現(xiàn)在破壞了內(nèi)部水泥膠結(jié)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了粘聚力的下降，而水泥含量為0%的鈣質(zhì)砂在經(jīng)過(guò)動(dòng)荷載作用后，鈣質(zhì)砂顆粒間咬合更加密實(shí)，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角增大。

（5）水泥膠結(jié)鈣質(zhì)砂的建議水泥用量為5%～10%，此范圍內(nèi)的水泥膠結(jié)鈣質(zhì)砂在滿足靜力強(qiáng)度前提下，動(dòng)荷載作用歷史對(duì)其力學(xué)性能影響較小。

需要指出的是，文中得到的鈣質(zhì)砂經(jīng)過(guò)動(dòng)荷載作用后的力學(xué)特性研究結(jié)果與交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所紀(jì)文棟等［21］的研究結(jié)果具有一致性，鈣質(zhì)砂與水泥固化鈣質(zhì)砂在動(dòng)荷載作用后的力學(xué)特性變化具有重要實(shí)際工程意義，更深入研究有待進(jìn)一步開(kāi)展。