胶凝砂砾石材料动力特性试验研究

2018-09-10田林钢宗君正黄虎霍文龙巴超

人民黄河 2018年9期

关键词：应力

田林钢宗君正黄虎霍文龙巴超

摘要：为了研究胶凝砂砾石料动力特性，采用大型动三轴仪压缩试验，分析该材料在动荷载作用下的动应力—动应变关系和阻尼比的变化规律。结果表明：胶凝砂砾石料的动应力—动应变关系曲线呈非线性特征，由包络曲线可以将胶凝砂砾石料压缩过程大致分为压密、弹性、屈服、应变软化等4个阶段，且该材料的峰值强度随围压增加而增大；在同一围压作用下，随动应变的增大，阻尼比先减小趋于平缓后增大；在相同应变条件下，阻尼比随着围压增加而减小。

关键词：动三轴试验；应力—应变曲线；阻尼比；胶凝砂砾石材料

中图分类号：TV41 文献标志码：A Doi：10，3969/j.issn.1000-1379.2018.09.030

近年来出现一种新型筑坝材料，即胶凝砂砾石材料，由它建造而成的大坝叫胶凝砂砾石坝。该材料是将河床砂卵石或者低强度岩石或者其他容易在坝址附近获得的岩石材料和胶凝材料混合，然后通过简单的设备和工艺进行拌和得到一种低强度、低弹性模量的新型筑坝材料。目前，对胶凝砂砾石材料力学特性的研究大多集中在静力特性方面，对动力特性的研究较少。如：傅华等[1]通过对不同掺量胶凝材料的静、动三轴试验，系统研究了胶凝砂砾石材料的静、动力学特性和变形特性；明宇等[2]通过对胶凝掺量为60kg/m3的胶凝砂砾石料进行动力试验，分析了材料最大弹性模量与围压之间的关系，推导了非线性动弹模量及阻尼比的表达式；李永乐等[3]采用高压三轴仪对不同胶凝材料、不同围压下的超贫胶结材料进行静荷载力学特性试验研究；彭成山等[4]对不同水泥含量的超贫胶结材料进行不同围压状态下的三轴静荷载压缩试验，结果表明超贫胶结材料的强度随胶结材料含量和试件围压的增大，在应力应变曲线上会出现一个峰值，残余强度随胶结材料含量和围压的增大而增大；孙明权等[5]对不同胶凝掺量的胶凝砂砾石料进行了静荷载三轴剪切排水试验，结果表明胶凝砂砾石料应力应变曲线具有明显的非线性特征及软化特征。为了得到更多的动力特性参数，笔者采用大型动三轴仪对胶凝砂砾石材料在动荷载作用下单轴、三轴动力特性进行全过程试验，得到该材料在动荷载作用下的动应力—动应变曲线以及阻尼比与动应变的变化规律，为胶凝砂砾石料的进一步研究提供参考。

1 试验原理

1.1 试样制备

试验所用试件参照《水工混凝土试验规程》（SL352-2006）[6]制样要求制备，尺寸为Φ150mm×300mm。试件的胶凝材料配合比为40kg/m3的P.C42.5水泥和50kg/m3的二级粉煤灰，砂率为0.2，水胶比为1（见表1）。试件制备仪器有尺寸为Φ150mm×300mm的试模、自落式搅拌机、50Hz±3Hz的振动台、搅拌机、捣棒，按照试验规程进行制备，放置48h后拆模，拆模后的试件按照规定的养护标准进行养护，养护室温度应控制在20℃±5℃、相对湿度95%以上。试件养护龄期达到28d后，从养护室取出进行试验。

1.2 试验设备及试验方法

本次试验采用的是大型动三轴仪器，该仪器由液压站、压力/体积控制器、荷载架和三轴压力室、通用数字信号调节控制单元、CATS软件等组成。该试验系统最大荷载可提供300kN的轴向应力，三轴压力室可以承受最大1mPa的压力，轴向荷载波形可为常数波、方波、正弦波和三角波，荷载方式可为轴向压力、围压及孔隙压力等的任意组合。

本次试验采用轴向压力和围压两种形式组合。围压采用固定值进行加载，加载频率为1Hz，试验中施加围压分别为0、200、400、600kPa；轴向荷载施加方式为正弦波且大小随循环次数以100kPa/次的增长速率逐步增大，直至试件破坏。试验过程采用应变控制，控制应变6%为终止条件，试验中通过传感器装置测量试件的纵向变形、轴向应力。

2 试验结果分析

2.1 单轴、三轴压缩试验结果分析

对胶凝砂砾石试件在动荷载作用下进行单轴、三轴压缩试验，得到试件的峰值强度和残余强度，见表2。

由表2可知，围压由0mPa增加至0.6mPa时，胶凝砂砾石材料的峰值强度提高了123.59%，残余强度提高了14.1倍，即随着围压的增大，胶凝砂砾石材料的峰值强度、峰值应变和残余强度均有明显的增大。由图1可见，峰值强度、残余强度和围压大致成线性增长关系。原因主要是其本身包含了不均匀的颗粒接触面和孔隙等内部缺陷，而这些缺陷的分布完全是随机的，施加的围压对试件产生侧向约束，从而使试件的孔隙、裂隙等被挤压密实，因而提高了胶凝砂砾石的峰值强度和残余强度。

2.2 动应力—动应变曲线特征分析

图2为不同围压下的动应力—动应变关系曲线，它是胶凝砂砾石材料内部性质的外在反映。包络线是指沿着循环加卸载作用下胶凝砂砾石动应力—动应变曲线的外轮廓描绘的光滑曲线，又称为骨架线。通过室内试验得到的胶凝砂砾石材料动应力—动应变曲线，可以计算该材料的强度、弹性模量、阻尼比等参数，同时根据包络线将胶凝砂砾石压缩过程大致划分为压密、弹性、屈服、应变软化等4个阶段。

（1）壓密阶段（OA段，也可作为弹性阶段的一部分）。试件本来存在的缺陷（孔隙、裂隙等）在荷载作用下经历了受压的过程，使内部结构的孔隙、裂隙进一步压缩，该阶段曲线呈现凹型特征。曲线斜率随应力增大呈增大趋势，且增大的速率加快。

（2）弹性阶段（AB段）。该阶段应力应变曲线近似呈直线关系，认为胶凝砂砾石发生了弹性变形，这时材料被视为线弹性材料，而且在很大程度上表现为可恢复的弹性变形，试件不产生裂缝。

（3）屈服阶段（BC段）。该阶段应力应变曲线的切线斜率逐渐减小，曲线呈现凸型特征，表明胶凝砂砾石试件产生的微裂缝在不断地发展并出现质的变化。试件承载力在该阶段达到最大值，此应力最大值点称为峰值强度，其大小反映胶凝砂砾石对外部动荷载的最大抵抗力，并且以此峰值点为界分为破坏前阶段和破坏后阶段。

（4）应变软化段（CD段）。在峰值强度之后，试件整体性破坏越来越严重，随着承载能力下降即外部动荷载的下降，应变继续增大，试件发生应变软化。裂缝快速扩展、交叉且相互连通形成宏观断裂面，轴向压力使试件破裂，从而形成块体的脱落，试件强度降低，应变增大。

胶凝砂砾石料的动应力—动应变关系曲线呈现非线性特征，试件达到峰值强度后均会呈现应变软化特征，且围压越大峰值强度越高；在同一配合比下，围压越小，试件的软化形态越明显（图2）。

2.3 阻尼比与应变的关系分析

计算阻尼比的公式借鉴文献[7-9]：式中：λ为阻尼比；AR为滞回环ABCDfl的面积；As为三角形EDA的面积（图3）。

根据试验得到的加卸载动应力—动应变曲线，分别计算不同围压下试样的阻尼比，得到不同围压下的咬凝砂砾石试件阻尼比与动应变的关系曲线，见图4。结果表明，在加卸载过程中，随着动应变的增大，阻尼比先减小后增大，即与动应变呈非线性关系。在低应力和围压的作用下，试件内部原有的缺陷逐渐减少，而随着循环次数增加动应力变大，试件的损伤随着动应变的增大而逐渐增大，从而导致阻尼比先减小后增大。阻尼比是材料动力特性的一个重要参数，其大小反映的是胶凝砂砾石试件加卸载过程中消耗能量的多少，故阻尼比后增加的原因是随着动应力的增大，不可逆变形的增大即消耗能量增多，导致阻尼比增大。

三轴动荷载加卸载过程中，在有围压情况下，当应变一定时，随着围压的增大，阻尼比减小。原因在于：围压作用对胶凝砂砾石试件产生侧向约束，使胶凝砂砾石内部颗粒连接更加紧密，而密实的胶凝砂砾石能够增加其内部波的传播路径，减少传播过程中能量的耗散；而阻尼比的本质就是反映能量耗损多少的参数，因而随之减小。

3 结论

大型动三轴试验得到了胶凝砂砾石材料的动应力—动应变关系曲线和该材料的阻尼比与动应变的变化规律。

（1）围压由0mPa增加至0.6mPa时，胶凝砂砾石的抗压强度提高123.59%、残余强度提高14.1倍。

（2）由胶凝砂砾石材料的动应力—动应变关系曲线可以看出，该曲线呈现弹塑性变形规律，可将该曲线大致分为压密、弹性、屈服、应变软化等4个阶段。

（3）在加卸载过程中，同一围压情况下，随着动应变的增大，阻尼比先减小趋于平缓后增加，即与动应变呈非线性关系，而在相同应变条件下，阻尼比随着围压的增加而减小。

参考文献：

[1]傅华，陈生水，韩华强，等.胶凝砂砾石料静、动力三轴剪切试验研究[J].岩土工程学报，2015，37（2）：357-362.

[2]明宇，蔡新，郭兴文，等.胶凝砂砾石料动力特性试验[J].水利水电科技进展，2014，34（1）：49-52.

[3]李永乐，侯进凯，孙明权，等.超贫胶结混凝土的力学特性试验研究[J].人民黄河，2007，29（3）：59-60.

[4]彭成山，张学菊，孙明权.超贫胶结材料特性研究[J].华北水利水电大学学报（自然利学版），200，28（2）：26-29.

[5]孙明权，吴平安，杨世锋，等.胶凝砂砾石本构模型适应性研究试验[J].人民黄河，2015，37（3）：126-128.