水泥土力学性能与声发射参数持续时间的关系研究

孙振国+李明宝+陈冲+张旭

摘 要：为研究水泥土力学性能与声发射参数持续时间的关系，利用声发射技术对水泥土的无侧限压缩过程进行全程监测。通过对水泥土力学特性参数进行分析，得到水泥土在无侧限压缩下应力随时间的变化过程大致分为四个阶段；同时对水泥土试件的声发射信号参数持续时间进行分析，得出水泥土压缩过程中各声发射特性参数持续时间也大致分为四个阶段，并且通过对比力学曲线和持续时间分布图得出力学曲线的变化阶段与持续时间分布图的变化基本相一致。

关键词：水泥土；声发射信号参数；持续时间

中图分类号：TU472.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）28-0195-02

引言

水泥土是水泥和土混合在一起形成的一种新的建筑材料，水泥土与土相比结构更加坚固，抗压性能更加良好，已经被广泛的应用于建筑结构的地基基础、道路路基中。对于一些大型水泥土结构，对其的研究不仅仅停留在加固中，现在更多的研究集中在对其抗压性能的研究以及水泥土内部破坏机理的研究。许多学者也对此进行了一系列的研究。童小东等[1]对水泥土的弹塑性损伤进行了试验研究；王军等[2]开展了水泥土力学特性的试验研究，而把声发射技术引入水泥土的力学试验中的研究相对较少。

许多专家学者已经将声发射技术应用于建筑领域，用来研究建筑结构的损伤和破环。以美国的 R.M.Koerner 为代表学者们首先将声发射技术应用到土工领域[4]；张明等[5]利用累积声发射数与损伤变量一致的观点建立了力学参数和声发射参数的关系；本文通过对水泥土进行压缩试验，将压缩力学特性曲线和声发射信号特性参数进行对比分析，发现声发射持续时间能很好的反映水泥土压缩的不同阶段，为声发射检测技术在水泥土中的应用提供了依据。

1 试件制作与试验方法

本文试验制作水泥土用到的土样取自黑龙江省哈尔滨市的黏土，试验使用的水泥材料为强度等级为32.5的天鹅牌普通硅酸盐水泥，所用水为自来水。本文试验中将试验用土样进行天然风干，通过人工把试验用土碾碎，之后用5mm的筛子进行筛分。试验依据设计规程并结合工程实际情况选取水泥掺入比为18%和水泥浆的水灰比为W/C=0.7。然后称取适量的土、水泥将其拌合均匀，再加入试验所需的水搅拌至均匀，分两层装入7.07cm×7.07cm×7.07cm立方体试模内并插捣振实。成型后的立方体试件放在（20±5）℃环境下静置48小时，之后对试件拆模并放在（20±1）℃水中养护28天，养护完成后对试件进行压缩下声发射检测试验。试验采用美国PAC公司制造的全天候结构健康检测系统和AEwin软件对声发射信号进行采集分析，并采用型号为TYJ-500KN的电液伺服试验机加载设备对试件进行无侧向抗压强度试验。本实验通过设置单通道对信号进行采集，对声发射的持续时间参数进行采集。试验采用位移控制加载，匀速单向压缩，单向压缩和声发射信号采集同步进行。

2 试验结果及分析

通过单轴压缩试验和声发射检测试验，得到图1水泥土试件压缩应力随时间变化的关系曲线图和图2声发射信号持续时间对时间的分布图。

从图1可知，水泥土压缩变形基本上可分为四个阶段：第一阶段（OA段）：该阶段曲线走势不平稳，先出现一段近似平线阶段，随后呈现出弯曲线，斜率逐渐增大，这是由于水泥土在荷载作用下内部空隙缩小，水泥土内部结构得到压密，水泥土结构基本上没有遭到破坏，且曲线A点所处时刻大约为50s；第二阶段（AB段）：该阶段应力-应变关系和应力-时间关系近似呈直线，水泥土出现硬化，B点的应力可以作为水泥土的比例极限，B点所处时刻大约为100s；第三阶段（BC段）：该阶段关系曲线开始发生偏离，不再呈现直线状态，随着应力的增加应变变化增大，水泥土出现软化，水泥土的应力达到峰值应力，峰值应力C点所处时刻大约为150s；第四阶段（CD 段）：该阶段为水泥土破坏的后阶段，过了峰值应力后，水泥土在应变变化很小的情况下，应力发生较大的衰减。

从图2声发射信号持续时间对时间的分布图可以看出，在试件压缩的开始至50s声发射信号的持续时间分布较少，甚至没有；在50s-200s之间，声发射信号的持续时间分布增大，并多次达到较大峰值，说明水泥土内部结构正在发生破坏，释放大量的声发射信号；在200s以后持续时间的分布逐渐减少，并且持续时间的大小也在不断减小，说明材料已经发生破坏。对比图1和图2可以看出，声发射信号持续时间对时间的分布和受荷下应力-时间关系相对应，即声发射持续时间分布和应力值随着时间先增大后减小，并且在出现变化和转折的时间也大致相对应，这为利用声发射技术预报结构破坏的发生和破坏的程度提供了依据。

3 结束语

本文对水泥土的声发射信号持续时间进行了详细研究，通过对水泥土试件压缩过程中采集的声发射信号持续时间的分析，得到以下结论：通过对水泥土力学特性参数进行分析，得到水泥土在无侧限压缩下应力随时间的变化过程大致分为四个阶段；同时对水泥土试件的声发射信号参数持续时间进行分析，得出水泥土压缩过程中各声发射特性参数持续时间也大致分为四个阶段，并且通过对比力学曲线和持续时间分布图得出力学曲线的变化阶段与持续时间分布图的变化基本相一致，并且在出现变化和转折的时间也大致相对应，这为利用声发射技术预报结构破坏的发生和破坏的程度提供了依据。

参考文献：

[1]童小东，龚晓南，蒋永生.水泥土的弹塑性损伤试验研究[J].土木工程学报，2002，35（4）：82-85.

[2]王军，丁光亚，潘林有，等.静三轴试验中水泥土力学特性及本构模型研究[J].岩土力学，2010，31（5）：1407-1412.

[3]Juan José González dela Rosa， Agustín Agüera Pérez. A novel measurement method fortransient detection based in wavelets entropy and the spectral kurtosis： An application to vibrations and acoustic emission signals from termite activity[J]. Measurement， 2015，4（68）： 58-69.

[4]R.M.Koerner， A.E.Lord， Jr.Acoustic emission in medium plasticity clay silt[J].Journal of the Soil Mecanicas and Foundations Division，Proceedings of the American Society of Civil Engineering， Vol.98，NO.SM1，1972.

[5]張明，李仲奎，杨强.准脆性材料声发射的损伤模型及统计分析[J].岩石力学与工程学报，2006，25（12）：2493-2495.endprint