冻结水泥改良粉质黏土的损伤力学特性研究_刘拥华.pdf
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1、第4 8卷 第3期2 0 2 3年6月 广西大学学报(自然科学版)J o u r n a l o fG u a n g x iU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)V o l.4 8N o.3J u n.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 1-2 9;修订日期:2 0 2 3-0 3-2 1 基金资助:国家自然科学基金项目(5 2 0 7 4 0 0 5)通讯作者:朱杰(1 9 8 1),男,安徽淮南人,安徽理工大学副教授,博士;E-m a i l:z h u j i e_6 61 2 6.c o m。
2、引文格式:刘拥华,朱杰,赵明喆,等.冻结水泥改良粉质黏土的损伤力学特性研究J.广西大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 8(3):5 2 9-5 3 7.D O I:1 0.1 3 6 2 4/j.c n k i.i s s n.1 0 0 1-7 4 4 5.2 0 2 3.0 5 2 9冻结水泥改良粉质黏土的损伤力学特性研究刘拥华1,朱杰2,3*,赵明喆1,张焕明1,周宗注1,高珍珍2(1.中交一公局厦门工程有限公司,福建 厦门3 6 1 0 2 1;2.安徽理工大学 土木建筑学院,安徽 淮南2 3 2 0 0 1;3.矿山地下工程教育部工程研究中心,安徽 淮南2 3 2 0 0 1
3、)摘要:为了探究滨海粉质黏土经水泥改良后的冻土力学特性,进行了不同冻结温度、含水率、水泥浆掺量及养护龄期条件下的单轴压缩试验,根据其应力 应变曲线特征,分析了水泥改良冻土的强度与各因素之间的内在联系。结果表明,水泥改良土的强度随冻结温度和含水率的降低而增加,且对冻结温度的敏感度较大。水泥浆掺量的增加会导致冻土的强度提高,但增长幅度随掺量的增加有所减缓。养护龄期对水泥改良土的强度影响显著,在养护2 8d以后强度仍有缓慢增长。根据水泥改良冻土的应力 应变特征,结合损伤力学理论,以轴向应变表征微元强度,并假定服从W e i b u l l分布,建立了水泥改良冻土的统计损伤本构模型,经试验验证,此模型
4、能较好地描述土体的损伤演化规律。关键词:冻土;冻结温度;水泥改良;强度;损伤模型中图分类号:TU 4 4 5 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1-7 4 4 5(2 0 2 3)0 3-0 5 2 9-0 9S t u d yo nd a m a g em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ff r o z e nc e m e n t-i m p r o v e ds i l t yc l a yL I UY o n g h u a1,Z HUJ i e2,3*,Z HAO M i n g z h e1,Z HANG H u a n m i
5、n g1,Z HOUZ o n g z h u1,GAOZ h e n z h e n2(1.C h i n aC o mm u n i c a t i o n sC o n s t r u c t i o nC o m p a n yF i r s tH i g h w a yX i a m e nE n g i n e e r i n gC o.,L t d.,X i a m e n3 6 1 0 2 1,C h i n a;2.S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e,A n h u
6、 iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,H u a i n a n2 3 2 0 0 1,C h i n a;3.E n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro fU n d e r g r o u n dM i n eC o n s t r u c t i o n,M i n i s t r yo fE d u c a t i o n,H u a i n a n2 3 2 0 0 1,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r
7、t oe x p l o r et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ff r o z e ns o i lo fc o a s t a ls i l t yc l a yi m p r o v e db yc e m e n t,u n i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t sw e r ec a r r i e do u tu n d e rd i f f e r e n tf r e e z i n gt e m p e r a t u r e s,m o i s t u r ec o n t
8、e n t s,c e m e n ts l u r r yc o n t e n t sa n dc u r i n ga g e s.O nt h eb a s i so f广西大学学报(自然科学版)第4 8卷t h es t r e s s s t r a i nc u r v ec h a r a c t e r i s t i c s,t h ei n t e r n a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t r e n g t ho fc e m e n t-i m p r o v e df r o z e ns o i la
9、n dv a r i o u sf a c t o r sw a sa n a l y z e d.T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t r e n g t ho fc e m e n t-i m p r o v e d s o i li n c r e a s e s w i t h t h e d e c r e a s e o ff r e e z i n gt e m p e r a t u r ea n dm o i s t u r ec o n t e n t,a n dt h es e n s i t i v i t yt of r e
10、 e z i n gt e m p e r a t u r e i sg r e a t e r.T h e i n c r e a s eo fc e m e n t s l u r r yc o n t e n t c a nl e a dt ot h e i n c r e a s eo f t h es t r e n g t ho f f r o z e ns o i l,b u t t h eg r o w t hr a t ed r o p sw i t ht h e i n c r e a s eo fs l u r r yc o n t e n t.T h ec u r i
11、n ga g eh a sas i g n i f i c a n te f f e c to nt h es t r e n g t ho fc e m e n t-i m p r o v e ds o i l,a n dt h es t r e n g t hs t i l l i n c r e a s e ss l o w l ya f t e r2 8d a y so fc u r i n g.A c c o r d i n gt ot h e s t r e s ss t r a i n c h a r a c t e r i s t i c s,c o m b i n e d w
12、 i t h t h et h e o r y o fd a m a g em e c h a n i c s,t h es t a t i s t i c a l d a m a g ec o n s t i t u t i v em o d e l o f c e m e n t-i m p r o v e df r o z e ns o i li se s t a b l i s h e db y u s i n gt h ea x i a ls t r a i nt oc h a r a c t e r i z et h e m i c r o-e l e m e n ts t r e
13、 n g t ha n da s s u m i n gt h a t i to b e y sW e i b u l ld i s t r i b u t i o n.T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e lc a nd e s c r i b e t h ed a m a g ee v o l u t i o nl a wo f s o i lw e l l.K e yw o r d s:f r o z e ns o i l;f r e e z i n g t e m p e r a t u
14、r e;c e m e n t i m p r o v e m e n t;s t r e n g t h;d a m a g em o d-e l0 引言人工冻结法是在冻结壁的保护下进行地下工程施工的有效方法,具有良好的稳定性、隔水性等优点,因此广泛应用于地铁联络通道、进出洞口及新旧结构的交叉穿越工程中。为了保证工程安全,常采用水泥改良和人工冻结相结合的方法对土层进行加固,一方面抑制了冻胀融沉作用对地下结构的危害1,另一方面也提高了岩土体的密实性和强度。本文以福州市地铁轨道交通4号线工程为背景,即将施工的4号线城门站位于已运营的1号线下方,需采用暗挖法施工,工程中采用注浆加固土体,同时通过人
15、工冻结形成冻结帷幕,以保证穿越段安全施工,因此,有必要对水泥改良后的土体在低温条件下的强度和变形等性质进行深入研究,为工程的顺利实施提供科学依据。目前,国内外针对水泥改良土的冻结性质已有一定的研究成果。H o r p i b u l s u k等2通过对富含水的天然软土进行改良,发现冻土强度受水泥浆的水灰比的影响,其值随水灰比的减小而增大。B a h a r等3研究发现水泥土养护在7d内强度增长的幅度比超过7d以后养护的增长幅度更快,强度约能达到2 8d强度的7 0%。尹振华等4研究发现,硫铝酸盐水泥改良冻土比普通硅酸盐水泥改良冻土强度明显更高并具有显著的早强特性。鲍俊安等5进行了不同水泥掺入
16、比的黏土与砂土的冻胀试验,得到2种水泥土的冻胀率与水泥含量、含水率等因素之间的关系,确定了最佳掺入比。胡莫珍等6开展了水泥改良软黏土的压缩试验,研究了冻融循环对改良土压缩性能的影响,得到了压缩系数随冻融循环次数的增加而增大的结论。储鹏7探讨了在不同温度、水泥掺入比等条件下的无侧限抗压强度发展规律。尽管目前水泥土的研究成果众多;但现阶段针对滨海黏性土在水泥改良后的冻土性质方面的研究仍存在不足,因此,本文以福州地铁4号线城门站粉质黏土为对象,基于不同的冻结温度、含水率、水泥浆掺量及养护龄期,研究各因素对冻土强度的影响规律。1 冻结水泥改良粉质黏土的单轴压缩试验1.1 试样制备试验过程严格按照 人工
17、冻土物理力学性能试验 第1部分:人工冻土试验取样及试样制备方法(MT/T5 9 3.12 0 1 1)8和 土工试验方法标准(G B5 0 1 2 32 0 1 9)9的规定,试样采用重塑土,将粉质035第3期刘拥华,等:冻结水泥改良粉质黏土的损伤力学特性研究黏土烘干碾碎后过孔径为2mm筛,按要求配置好后密封静置2 4h备用。为了符合实际工程条件,土样和水泥浆分别单独制备,然后混合搅拌均匀,依次将水泥改良土倒入模具击实后脱模。水泥采用普通硅酸盐水泥(P.O4 2.5),水灰比为0.81。试样为直径为5 0mm、高度为1 0 0mm的圆柱体。冻土单轴强度试验在自行研制的WD T 1 0 0型冻土
18、试验机上进行,试验机最大竖向加载能力为1 0 t,精度为1%。1.2 试验方案本次试验考虑冻结温度、含水率、水泥浆掺量及养护龄期4种影响因素,进行多因素多水平条件下的单轴压缩试验,水泥改良土的单轴压缩试验方案见表1。表1 水泥改良土的单轴压缩试验方案T a b.1 U n i a x i a l c o m p r e s s i o nt e s t s c h e m eo f c e m e n t-i m p r o v e ds o i l编号水泥浆质量分数/%冻结温度/含水率/%养护龄期/d123453 5-1 32 71372 85 667893 5-1 32 02 32 73
19、071 01 11 21 33 5-5-1 0-1 3-1 72 771 401 52 01 62 51 73 01 83 51 94 0-1 32 77 试验前,样品须在试验温度下冻结2 4h以上,以确保样品内外温度一致。试验按应变控制加载方式进行,应变速率控制在1%/m i n。1.3 试验结果及分析1.3.1 冻结温度对水泥改良冻土的影响通过不同冻结温度下的水泥改良粉质黏土的单轴压缩试验,得到水泥改良土在不同冻结温度下的应力 应变曲线如图1所示。由图可以看出,在单轴荷载作用下,应力 应变曲线一般均呈现三阶段特征。第1个阶段为弹性阶段,应力 应变之间基本呈线性关系,弹性模量保持不变,水泥改
20、良土颗粒胶结性较好,受冻后土体结构致密,主要表现为压密作用。少量温度较高的冻土初始曲线有一定的上凹,应与水泥土原始孔隙的压缩有关。第2个阶段为损伤演化阶段,应力 应变曲线呈下凹趋势,且斜率逐渐减小,直至峰值强度。这一阶段由于外荷载不断提高,冻结水泥土颗粒间及其中的冰晶体出现错动及破裂,冻土内部微缺陷逐渐增加,但土体进一步压密,使应力继续升高。第3个阶段为塑性软化阶段,冻土微缺陷扩展并部分贯通,出现一定幅度的应力降,冻土抵抗外力的能力降低,而后逐渐达到残余强度。135广西大学学报(自然科学版)第4 8卷试验后的水泥改良冻结土样如图2所示,由图可见,试验后土样发生较明显的塑性变形,土柱表面微裂隙发
21、育,随荷载增加其微裂隙逐步追索连通,并在局部形成贯通的斜裂面,造成冻土破坏,因此可用损伤理论对其应力 应变过程进行描述。24681012141601234567/MPa/%-5 -10 -13 -17 图1 水泥改良土在不同冻结温度下的应力 应变曲线F i g.1 S t r e s s s t r a i nc u r v e so f c e m e n t-i m p r o v e ds o i la td i f f e r e n t f r e e z i n g t e m p e r a t u r e s(a)未掺水泥土样(b)水泥改良土图2 试验后的水泥改良冻结土样F i
22、 g.2 C e m e n t-i m p r o v e df r o z e ns o i l s a m p l e sa f t e r t e s t s单轴抗压强度与温度的关系如图3所示。由图可知,水泥土强度随温度降低而增加,且基本呈线性关系,通过回归分析得到了冻土强度与温度的关系式如图3所示,其中c为水泥改良冻土的单轴抗压强度。-20-15-10-534567c/MPaT/c=2.346-0.240TR2=0.994图3 单轴抗压强度与温度的关系F i g.3 R e l a t i o n s h i pb e t w e e nu n i a x i a l c o m p
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