淤泥轻量土抗剪特性及其细观结构变形研究

冯永　张盼盼　胡浩晨

摘要：为了深入探究淤泥轻量土的抗剪特性及其细观结构变形机理，采用室内单轴压缩试验、三轴剪切试验与ABAQUS有限元数值模拟相结合的方法，通过对比细观模拟监测结果与试验成果，系统分析了不同水泥掺量、围压、EPS掺量及其粒径对淤泥轻量土的抗剪强度特性及细观变形的影响。结果表明：OEPS颗粒掺量对淤泥轻量土的破坏应变及其屈服强度峰值有显著影响。②高水泥掺量对其强度特性及结构变形有重大影响，但其破坏应变受其影响不大，试验结果中破坏应变最大仅相差0.5%。③EPS颗粒定点位监测的数值模拟结果表明，在相同条件下，三个点位的EPS颗粒变形及其应力应变关系并不相同，上点位应变值最大，下点位比上点位的应变值平均小约1.5%。另外在一定的压力范围内，试样破坏之前EPS颗粒在土体内发生的位移并不明显，与试样土体的位移仅差0.15 mm，变化速率与室内试验结果一致。

关键词：淤泥混合轻量土;抗剪特性;细观结构变形;ABAQUS数值模拟

中图分类号：TU43

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.06.026

近年来，随着“既要绿水青山，又要金山银山”绿色发展理念的推动，废弃材料资源化已成为亟需解决的问题。在现有的国内外疏浚淤泥处理方法中，传统的脱水、烧结方法难以满足大批量的淤泥处理要求。EPS（可发性聚苯乙烯）淤泥混合轻量土技术从全新的角度把淤泥当作“资源”看待，是既经济环保又轻质、高强的人工合成填料。针对这一新型环保土体材料组成成分和物理力学性质影响因素的复杂性，近年来国内外学者对其物理特性及影响因素展开了大量研究[1-6]。侯天顺等[7]通过直剪试验研究了不同EPS粒径轻量土抗剪强度的变化规律。朱伟等[8-10]通过三轴试验对淤泥混合轻量土的力学特性及本构模型进行了深入研究，并取得了大量成果。陈晨等[11]基于淤泥气泡混合土内部微孔分布的细观特征，利用物理力学试验实测及数值模拟计算并结合细观图像分析技术，验证了有限元分析的可能性，从细观尺度上揭示了土体内部的破坏机理，并提出了淤泥气泡混合土的力学性质与微孔的细观特征具有很大的相关性，土体内部细观结构对其最终的破坏形式有很大影响。戴文亭等[12]利用室内试验及ABAQUS有限元软件初步对混合轻量土力学特性进行数值模拟，分析了其强度特性及变形规律。

综上所述，尽管已有很多学者对淤泥轻量土物理力学特性及影响因素进行了研究，但多是基于室内试验进行宏观方面的分析，对循环荷载作用下的强度特性及细观机理动态模拟的研究相对较少。

因此，笔者采用ABAQUS有限元软件及室内试验相结合的方法，验证分析了水泥掺量、EPS掺量及围压等因素对淤泥轻量土抗剪强度特性及细观破坏形态产生的影响。

1 试验材料及方案

1.1 试验材料

采用黄河郑州段的疏浚淤泥作为原料土，其物理参数见表1。固化材料采用河南天瑞水泥厂生产的32.5#普通硅酸鹽水泥，选取粒径分别为3、4 mm的球形EPS颗粒作为轻化材料。

1.2 试样的制备

制样时以干土质量为标准，按照拟定的配合比加入碾碎过筛后的干土、EPS颗粒、水泥及自来水。通过搅拌后，分层装入试验模具，试样修平后置人标准养护箱中养护（温度20+2℃，湿度>97%）28 d，再进行标准真空抽气饱和。

1.3 试验方案及配合比

根据工程应用及试验目的，分别对不同EPS掺量及水泥掺量的分组试样在含水率为50%、标准养护至28 d条件下，进行单轴压缩试验及固结不排水三轴试验，剪切应变速率为0.008 mm/min。

依据强度理论及相关土工试验规范规定，所选掺量以干土质量为计算基数，选定了8种配合比，且每种配合比制作了3组试样，试样尺寸与模具尺寸等同（高80 mm、直径39.1 mm）。本次试验中材料的配合比见表2。

试验过程中选择不同的控制变量进行抗剪强度测试，研究多种影响因素如不同水泥掺量、围压、EPS掺量及EPS粒径等对淤泥轻量土抗剪强度的影响，进一步探究其宏细观强度变化机理及变化规律。

2 试验结果分析

选用几组代表性试验数据进行研究分析，应力应变曲线见图1-图3。

试验发现EPS颗粒掺量是影响淤泥轻量土抗剪强度的一个重要参数。由图1可知，不同EPS掺量下淤泥轻量土的强度皆呈现多阶段变化，但变化范围及屈服强度峰值存在明显差距。随着EPS掺量的增大，破坏应变显著增大，应力强度变化速率随着EPS颗粒掺量的增大明显减小，导致其发生弹塑性变化的区间变长。

本次试验设定水泥掺量为6% - 15%，由于在试样制作中水泥为固化材料，水泥能使轻化骨料与土体之间形成较强的胶结力，因此水泥含量对试样破坏应变具有一定的影响。由图2可知，水泥掺量对淤泥轻量土的破坏应变影响较小，多种配合比下应变相差不足1.0%。因此，在一定水泥掺量范围内，可忽略其对淤泥应变的影响。研究发现，在高水泥掺量下，淤泥轻量土内部EPS颗粒与固结土之间的胶结作用强度较大，随着应力的逐渐增大，试样较易发生脆性破坏。

由图3可知，围压是影响试样抗剪强度的一个重要因素。随着围压的不断增大，试样弹塑性应变阶段明显加长，而应力应变曲线初始段线性程度较低，切线斜率逐渐减小。在高围压工况下，当应变较小时其初始弹性应变和主应力差也较小。

3 细观数值模拟分析

3.1 ABAQUS有限元模型的建立

为深入分析淤泥轻量土细观结构多相体系之间的变形关系，根据室内试验获得的大量成果，针对性开展了淤泥轻量土细观尺度下的数值模拟研究。

采用ABAQUS有限元软件建立尺寸与室内试验试样相同的3D有限元模型，由partl -EPS球形颗粒与part2-淤泥固结土体构成，均为三维可变性实体部件，如图4所示。

模型的边界条件设置为轴对称，顶部水平位移均为0，竖直方向不受约束。模型侧面施加相应强度的围压P1，端部施加荷载P2，模型整体施加一个重力γ，底部三个方向均受约束，模型荷载形式如图5所示。

模型的材料属性参数（见表3）与室内试验数据相同。EPS颗粒材料选用弹性本构模型，淤泥固结土选用弹塑性本构模型，二者之间的接触类型选择generalcontact接触.EPS颗粒的外表面相对于固结土为从属面。模型顶部及底部是受力集中部位，划分网格时对其加密，而其他部位网格相对稀疏。EPS颗粒球形体的网格划分对计算结果的精确度格外重要，甚至会造成计算不收敛，该模型中EPS颗粒采用六面体剖分及矩形扫略方式进行网格划分。循环荷载的加载通过控制分析步的个数及计算时间来完成。根据淤泥轻量土细观结构的变形机理及物理力学特性，选用摩尔一库仑模型进行模拟分析。

3.2 有限元模拟结果分析

试样配合比参数通过试验参数来体现，围压由边界条件可直接设置，选取Ae=4. 00-10，Ae=15.0%，ω=50%.粒径d=4 mm，养护28 d。基于围压参数分两种工况进行模拟分析，工况一模型侧面设200 kPa围压，工况二模型侧面设100 kPa围压，其应力、位移云图如图6、图7所示。

由土体及细观EPS颗粒的应力云图和位移云图可以看出：工况一淤泥轻量土的最大应力发生在试样顶部，约为297.2 kPa，顶部应变约为5.34%，轴向位移约为2.56 mm，水平方向可以忽略不计，其应力从顶部往下呈现逐渐减小的趋势。值得提出的是，试样中EPS颗粒的位移为2.41 mm，与固结土体压缩变形仅差0.15 mm，应变约差0.2%。原因在于，荷载加载前期阶段，水泥使EPS颗粒与土体之间形成较强的胶结力，在一定压力范围内，土体破坏之前EPS颗粒并没有发生结构性变形，只是产生了微小移动并重新排列。工况二当施加100 kPa围压时，试样顶部的最大应力为188.8 kPa，轴向位移为1.93 mm.应变仅约为3.43%.发生的位置明显集中在试样的顶部区域，其变化趋势与工况一相同，从顶部往下呈现逐渐减小趋势。

通过两种工况的模拟数据对比分析可知，工况一的模拟值均为工况二模拟值的1.5倍左右，表明随着围压的逐渐增大，淤泥轻量土的应力、应变逐渐增大，其变化速率与室内试验数据的基本一致。

3.3 数值模拟与室内试验结果对比分析

由于分析数据众多，因此仅选定几组典型配合比进行代表分析，结果如图8、图9所示。通过对影响淤泥轻量土强度特性的多种影响因素数据对比分析发现，数值模拟结果与试验结果很大程度上相～致，吻合度高达95%.所选数据误差很小。本节以不同EPS颗粒粒径的数据进行详细分析。

由图8、图9可知：淤泥轻量土的应力应变关系具有多个阶段变化及非线性特征，这与相关研究文献成果一致。随着围压和EPS粒径的增大，淤泥轻量土强度明显减小，原因是试样在受力加载初期内部细观结构只产生一些微小的孔隙裂缝，EPS颗粒并未发生明显变化：伴随着轴向有效应力的继续增大，微小裂缝被压实闭合，细观结构间的作用强度减小，其应力应变曲线近似呈现直线上升趋势：同时EPS颗粒体积开始发生快速变形，且其变化速度随着围压和EPS粒径的不同而有明显变化：当有效应力达到其屈服强度时，其内部细观结构间的作用完全丧失，试样发生了剪切破坏.EPS颗粒体积及其应力应变的变化呈现较缓慢的稳定趋势。

4 EPS颗粒监测数值模拟分析

基于淤泥轻量土组成成分及力学特性的复杂性，为进一步探究其细观结构的变化规律，根据上述两种工况（即工况一模型设200 kPa围压，工况二模型设100 kPa围压）下试样的应力应变关系，选取了土体内部上、中、下相同位置的3个EPS颗粒（分别为EPS-Lin-3-I、EPS-Lin-3 -3及EPS-Lin-3 -6），其应力应变云图如图10所示。

本文分别以所选点位为起点对其进行应力应变监测，两种工况不同路径的应变、应力曲线如图11、图12所示。

由两种工况下3个点位的应力应变路径曲线可知，试样顶部EPS-Lin-3 - IEPS颗粒的应力、应变最大，下点位EPS-Lin-3-6比上点位EPS-Lin-3-I的应变平均小约1.5%。从土体中间区域至其端部，其应力、应变呈缓慢增大趋势，说明对试样施压的起初阶段，其底部和端部最先发生变化，随着压力的增大，试样的应力、应变逐渐传递至其中间部位，EPS颗粒发生微小的移动，但并未发生明显变形。另外，工况二下EPS颗粒3个点位的应力、应变均明显比工况一的偏小，与试样土体的整体变化规律一致。

5 结论

通过三轴剪切试验、单轴压缩试验及ABAQUS有限元数值模拟，研究了不同EPS颗粒掺量、水泥掺量及围压等因素对淤泥轻量土抗剪特性及细观结构变形机理的影响，得到以下结论。

（1）由试验分析可知，不同EPS颗粒及不同水泥掺量下淤泥轻量土强度曲线的变化趋势虽然呈现一致状态，但强度特性变化范圍及屈服强度峰值有差别。在低围压下，试样破坏应变受水泥掺量影响不大。

（2）EPS颗粒的粒径及掺量对淤泥轻量土的抗剪强度有显著影响，在试样整个变形过程中EPS颗粒变形占主导地位。随着轴向有效应力的增大，淤泥轻量土内部细观结构及EPS颗粒体积的变形是导致试样发生剪切破坏的主要因素。

（3）通过ABAQUS有限元数值模拟可知，随着荷载的循环变化，土体受力变形趋势与室内试验值变化趋势基本一致，吻合度约达90%.进一步验证了有限元模拟的合理性。另外，通过对EPS颗粒定点位应力、应变监测得知，相同条件下3个点位EPS颗粒应力应变关系并不相同，上点位应力、应变最大，下点位EPS-Lin-3-6比上点位EPS-Lin-3-I的应变平均小约1.5%。

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【责任编辑张华岩】