水泥改良泥质板岩粗粒土力学性质的应变率效应研究

陈乐求，陈俊桦，张家生

水泥改良泥质板岩粗粒土力学性质的应变率效应研究

陈乐求1, 2，陈俊桦2，张家生2

(1. 湖南理工学院 土木建筑工程学院，湖南 岳阳 414006；2. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

利用大型静动三轴仪开展不同应变率下的水泥改良泥质板岩粗粒土三轴抗压试验，研究水泥改良土应力—应变特征关系以及应变率对土的抗压强度、弹性模量等力学参数的影响。在此基础上，分别提出这些参数与应变率之间的拟合关系式，分析水泥含量对应变率效应的影响。研究结果表明：随着应变率增加，抗压强度、峰值应力对应的应变和弹性模量均增加。拟合结果良好，提出的拟合关系式合理；水泥含量越大，抗压强度、峰值应力对应的应变和弹性模量等参数随应变率的提高越显著。

泥质板岩；应变率；水泥改良土；抗压强度；弹性模量

对于铁路、公路等路基工程，当就地所取路基填料的水稳性较差时，通常可以利用水泥对填料进行化学改良。水泥改良是利用化学反应改变土体内部的联结结构，使得水泥结构成为土骨架，从而增大土体的黏聚力，减小水渗透性以及水侵效应，提高土的水稳性。因而水泥改良土的力学性质通常介于普通土和混凝土之间。现有研究表明[1−3]，混凝土、岩石等材料的力学性质一般具有显著的应变率效应。而水泥改良土的应变率效应如何，目前尚未发现有相关研究。对于实际路基工程，路面不平顺引起的车辆跳跃冲击作用、地震波作用等是常见现象，对这些作用问题的研究均涉及应变率效应，因而针对水泥改良土应变率效应的研究具有一定的工程指导意义。目前针对固体材料应变率效应的研究方法主要为室内试验，包括常规三轴抗压试验、霍普金森杆试验[4−6]，轻气炮试验等[1]。常规三轴抗压试验针对中低应变率加载问题[7−8]，例如低速冲击、地震波作用[1]等，为静态~准动态加载(近似忽略惯性)[1,3]，加载应变率范围为10−5~101s−1。霍普金森杆试验和轻气炮试验主要针对高应变率加载问题，例如爆炸[9−12]、高速冲击等[1−6]，属于动态加载(不可忽略惯性)，应变率范围分别为[1,3]101~104s−1和102~105s−1。就路基工程来说，一般主要涉及中低应变率加载作用问题，因此，一般可以利用常规动三轴抗压试验仪研究应变率对水泥改良土力学性质的影响。应变率效应研究主要针对材料的抗压强度、弹性模量等力学参数[1−6]，可为考虑应变率影响的本构模型建立等提供参考。泥质板岩为变质岩，富含黏土矿物成分，因而泥质板岩经风化、破碎形成的土料(简称泥质板岩土)遇水易崩解，水稳性差，为使得该填料能应用于填筑路基，需要进行水泥改良[13−16]。目前对承载性能要求高的基础工程一般选用粗粒土作为主要的承载填料，这在铁路、公路和飞机场跑道等工程项目建设中已经比较很常见。水泥含量对改良土的力学性质有重要影响，是水泥改良路基工程设计的重要参数，为此，本文以水泥含量不同的泥质板岩粗粒土为试样，本文利用大型静动三轴仪开展不同应变率下的抗压试验，研究应变率对抗压强度、破坏变形和弹性模量等强度或刚度参数的影响以及水泥含量对应变率效应的影响，以期研究成果为考虑应变率影响的水泥改良粗粒土本构模型研究、水泥改良粗粒土的实际工程应用等提供参考。

1 不同应变率下的三轴抗压试验

1.1 土的基本物理参数

试验所取土来自湖南省岳阳市，为褐黄色泥质板岩粗粒土。土中主要含白云母、石英、绿泥石和高岭石等矿物成分。土遇水易软化、崩解。土样的天然含水率为5%~20%，密度为1.04~1.70 g/cm3。

1.2 试验仪器和制样

试验仪器为TAJ-2000大型静动三轴仪器，可施加的最大轴力和最大围压分别为2 000 kN和20 MPa。加载模式包括力控制和位移(或应变)控制。试样直径为300 mm，高为600 mm。

在泥质板岩土中掺入普通硅酸盐水泥P.O32.5，制作水泥改良土试样。其中，泥质板岩土的颗粒粒径小于60 mm，不均匀系数为29.2，曲率系数为7.3，细颗粒含量为5.7%。土的级配曲线见图1。由《土的工程分类标准》(GB/T50145—2007)可知，土为级配不良的含细粒土砾。

图1 土的级配曲线

通常水泥质量百分含量达到4%以上，水泥改良土样的强度和水稳定性等基本得到满足[13−17]。本文试样中的水泥含量设为4%，5%和7%。试样的压实度、含水率和干密度设定值分别为95%，15%和2.20 g/cm3。

1.3 试验方案

2 试验结果及分析

2.1 水泥改良土应力—应变特征关系

典型的轴向应力—轴向应变关系曲线见图2。由于改良土中水泥含量较少(不超过10%)，这得水泥凝胶很难完全均匀分布在土体内[18]。特别是粗颗粒含量较多的水泥改良土，较容易出现一些部位水泥凝胶厚度较大，另一些部位水泥凝胶厚度较薄的现象。这会导致局部开裂。此外，还会出现一些颗粒(团)未被水泥凝胶包裹，或者孔隙未被水泥凝胶充填的现象。因此，水泥改良土实际上为内部含裂纹和孔隙等缺陷的非均匀材料。外荷载作用下，这些缺陷是以有限速率发生变化的。因此，随着外载荷的加载速率增加，如应变率增加，水泥改良土的应力和应变往往会不同步发展，表现出黏滞性。黏滞性是含缺陷、非均匀固体材料的重要特性，表现为应变率对于本构关系有重要影响。如图1所示，应力−应变关系曲线随应变率发生变化。

从图2看出，与混凝土、岩石等材料相似，不同应变率下水泥改良土的应力—应变关系也可以近似分为3个阶段：线性段，非线性应变硬化段和应变软化段。经过水泥化学反应后，改良土中土颗粒(团)被水泥凝胶吸附包裹，同时孔隙中也被大量纤维状结晶充填。这种网络结构形成了新的土骨架体：水泥—土骨架。水泥骨架具有较高的弹性承载性能。因此，当外荷载较小时，改良土应力—应变关系近似为线弹性。当外载荷继续增加，由于水泥抗张拉的性能较差，土中水泥胶结部位逐渐出现开裂现象。这时的开裂近似是稳定的，需要外力不断驱动。在这个过程中，水泥骨架储存的弹性应变能逐渐释放。与此同时，土颗粒(团)间将产生滑移。此外，由于是泥质板岩粗粒土，土颗粒强度一般，滑移过程还往往伴随颗粒破碎现象。颗粒滑移与破碎使得土体的弹性应变能进一步释放。弹性应变能的释放导致应力—应变关系逐渐由线性向非线性转变。此时应力—应变关系为应变硬化。随着水泥改良土的内部结构逐渐破坏，土的承载力达到极限，应力也达到峰值。应变率越大，应力峰值储存的弹性应变能越大。前此后，水泥骨架裂纹扩展和土颗粒(团)间的滑移、破碎的发展均处于不稳定阶段。即使外力不增长，这种不稳定趋势仍然继续产生。表现为应变增长而应力下降。该阶段为应变软化阶段。

图2 不同应变率下的抗压应力-应变关系曲线(ω=5%)

2.2 应变率对力学特征参数的影响

2.2.1 应变率对强度参数的影响

1) 抗压强度的应变率效应

不同应变率下的改良土抗压强度见图3。从图3可以看出，随着应变率增大，改良土抗压强度不断增大。当应变率从2.8×10−5s−1增加到1.4×10−3s−1，抗压强度从1 463 kPa增加到2 079 kPa，增幅42%。因此，应变率对水泥改良土抗压强度有较大影响。

由于黏滞性影响，水泥改良土的力学响应可由弹性引起的瞬态响应和黏性引起的非瞬态响应组成。假设改良土强度由瞬态强度和非瞬态强度 组成：

其中：

图3 抗压强度与应变率的关系(ω=5%)

由式(1)~(2)，对图3中试验结果进行拟合运算，拟合曲线见图3。拟合结果如下：c0=1 456 kPa，c=1 092.8和c=1.2。拟合曲线的相关系数为0.98，拟合效果良好，这表明本文提出的式(1)~(2)合理。

由式(1)~(2)以及曲线拟合结果可知，应变率越大，非瞬态响应强度所占比重越大。当应变率趋近0时，改良土强度由瞬态响应部分确定。

2) 破坏时的变形与应变率的关系

由前面对应力—应变特征关系分析可知，随着应变率增加，改良土破坏前存储的弹性应变能提高。这种提高以同时增加峰值强度和破坏变形的方式开展。水泥土发生破坏是由于水泥胶结开裂以及颗粒(团)挤压破碎、滑移等作用逐渐造成的结果，这个破坏过程是需要时间的。破坏时间通常主要由试样内部组成、试样尺寸确定。因此，对于本文的试样，当破坏时间一定时，破坏变形随应变率增加而增大。而达到峰值前，应力是随应变增加而增大的。因而抗压强度也随应变率增加而增大。

图4 峰值应力对应的应变和应变率之间的关系(ω=5%)

2.2.2 应变率对刚度参数的影响

图5给出了不同应变率下的弹性模量。根据图5，随着应变率增加，弹性模量略微有些上下波动，但基本呈增加趋势。当应变率从2.8×10−5s−1增加到1.4×10−3s−1，弹性模量从1 272 MPa增加到1 463 MPa，增幅15%。因而应变率对水泥改良土的弹性模量有影响。

图5 弹性模量和应变率的关系(ω=5%)

同样假设弹性模量由瞬态响应部分和非瞬态响应部分确定如下：

其中：

式(3)~(4)中：为弹性模量；为弹性模量的瞬态响应部分；′为弹性模量由黏滞性导致的非瞬态响应部分；E和E为拟合参数；E为弹性模量提高系数，E越大，弹性模量的应变率效应越显著。

由式(3)~(4)，对图5中试验结果进行拟合运算，拟合曲线见图5。拟合结果如下：0=1 196 MPa，E=2.8和E=0.38。拟合相关系数为0.97，拟合效果良好，提出的式(3)~(4)也是合理的。

由式(3)~(4)以及拟合结果可知，对于弹性模量，应变率越大，非瞬态响应所占比重越大。当应变率趋近0时，即不考虑黏性影响时，与抗压强度一样，改良土弹性模量由瞬态响应部分确定。应变率增加提高了改良土保持原状的惯性效应，使得变形发展相对应力而言变得迟钝，从而增强了改良土抵抗变形的能力或者提高了改良土的弹性模量。

2.3 水泥含量对应变率效应的影响

2.3.1 强度参数

表1 水泥含量与抗压强度提高系数

表2 水泥含量与破坏应变

2.3.2 刚度参数

根据式(3)~(4)，不同应变率和不同水泥含量下的弹性模量提高系数E见表3。

表3 水泥含量与弹性模量提高系数

初步分析可知，相同应变率下，水泥含量越高，改良土中水泥黏结作用越强，水泥骨架的承载性能越强，例如强度、刚度和破坏前储蓄的弹性应变能等都随水泥含量增加而提高。强度和刚度等随应变率提高的幅度主要由水泥骨架性能决定。由于土的黏性显著，因而土的承载性能越大，土的应变效应越显著。因此，当水泥含量较高时，随应变率增加，抗压强度、弹性模量以及破坏前储蓄的弹性应变能等物理量可提升的幅度也较大，表现出如表1和表3所示的规律。

由前面对图4的分析可知，改良土破坏前储蓄的弹性应变能随破坏变形增加而增大。因而改良土的破坏变形随水泥含量增加而增大，表现出的规律如表2所示。

3 结论

1) 与混凝土、岩石等材料相同，对水泥改良土的强度和刚度具有显著的应变率效应。随着应变率增大，水泥改良土的抗压强度、破坏时的变形以及弹性模量均增大。

2) 提出的应变率与抗压强度、弹性模量等参数之间的关系式具备一定的物理意义。由这些关系式进行曲线拟合，拟合效果良好。

3) 水泥含量对改良土力学性质的应变率效应有显著影响。水泥含量越大，抗压强度、破坏变形和弹性模量等参数随应变率而提高的幅度越显著。

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(编辑 涂鹏)

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

国家自然科学基金资助项目(51308210)

陈乐求(1981−)，男，湖南岳阳人，教授，博士，从事岩土工程、路基工程的研究工作；E−mail：365148895@qq.com