田林鋼 宗君正 黃虎 霍文龍 巴超

摘要：為了研究膠凝砂礫石料動力特性，采用大型動三軸儀壓縮試驗，分析該材料在動荷載作用下的動應(yīng)力—動應(yīng)變關(guān)系和阻尼比的變化規(guī)律。結(jié)果表明：膠凝砂礫石料的動應(yīng)力—動應(yīng)變關(guān)系曲線呈非線性特征，由包絡(luò)曲線可以將膠凝砂礫石料壓縮過程大致分為壓密、彈性、屈服、應(yīng)變軟化等4個階段，且該材料的峰值強度隨圍壓增加而增大；在同一圍壓作用下，隨動應(yīng)變的增大，阻尼比先減小趨于平緩后增大；在相同應(yīng)變條件下，阻尼比隨著圍壓增加而減小。

關(guān)鍵詞：動三軸試驗；應(yīng)力—應(yīng)變曲線；阻尼比；膠凝砂礫石材料

中圖分類號：TV41 文獻標(biāo)志碼：A Doi：10，3969/j.issn.1000-1379.2018.09.030

近年來出現(xiàn)一種新型筑壩材料，即膠凝砂礫石材料，由它建造而成的大壩叫膠凝砂礫石壩。該材料是將河床砂卵石或者低強度巖石或者其他容易在壩址附近獲得的巖石材料和膠凝材料混合，然后通過簡單的設(shè)備和工藝進行拌和得到一種低強度、低彈性模量的新型筑壩材料。目前，對膠凝砂礫石材料力學(xué)特性的研究大多集中在靜力特性方面，對動力特性的研究較少。如：傅華等[1]通過對不同摻量膠凝材料的靜、動三軸試驗，系統(tǒng)研究了膠凝砂礫石材料的靜、動力學(xué)特性和變形特性；明宇等[2]通過對膠凝摻量為60kg/m3的膠凝砂礫石料進行動力試驗，分析了材料最大彈性模量與圍壓之間的關(guān)系，推導(dǎo)了非線性動彈模量及阻尼比的表達式；李永樂等[3]采用高壓三軸儀對不同膠凝材料、不同圍壓下的超貧膠結(jié)材料進行靜荷載力學(xué)特性試驗研究；彭成山等[4]對不同水泥含量的超貧膠結(jié)材料進行不同圍壓狀態(tài)下的三軸靜荷載壓縮試驗，結(jié)果表明超貧膠結(jié)材料的強度隨膠結(jié)材料含量和試件圍壓的增大，在應(yīng)力應(yīng)變曲線上會出現(xiàn)一個峰值，殘余強度隨膠結(jié)材料含量和圍壓的增大而增大；孫明權(quán)等[5]對不同膠凝摻量的膠凝砂礫石料進行了靜荷載三軸剪切排水試驗，結(jié)果表明膠凝砂礫石料應(yīng)力應(yīng)變曲線具有明顯的非線性特征及軟化特征。為了得到更多的動力特性參數(shù)，筆者采用大型動三軸儀對膠凝砂礫石材料在動荷載作用下單軸、三軸動力特性進行全過程試驗，得到該材料在動荷載作用下的動應(yīng)力—動應(yīng)變曲線以及阻尼比與動應(yīng)變的變化規(guī)律，為膠凝砂礫石料的進一步研究提供參考。

1 試驗原理

1.1 試樣制備

試驗所用試件參照《水工混凝土試驗規(guī)程》（SL352-2006）[6]制樣要求制備，尺寸為Φ150mm×300mm。試件的膠凝材料配合比為40kg/m3的P.C42.5水泥和50kg/m3的二級粉煤灰，砂率為0.2，水膠比為1（見表1）。試件制備儀器有尺寸為Φ150mm×300mm的試模、自落式攪拌機、50Hz±3Hz的振動臺、攪拌機、搗棒，按照試驗規(guī)程進行制備，放置48h后拆模，拆模后的試件按照規(guī)定的養(yǎng)護標(biāo)準(zhǔn)進行養(yǎng)護，養(yǎng)護室溫度應(yīng)控制在20℃±5℃、相對濕度95%以上。試件養(yǎng)護齡期達到28d后，從養(yǎng)護室取出進行試驗。

1.2 試驗設(shè)備及試驗方法

本次試驗采用的是大型動三軸儀器，該儀器由液壓站、壓力/體積控制器、荷載架和三軸壓力室、通用數(shù)字信號調(diào)節(jié)控制單元、CATS軟件等組成。該試驗系統(tǒng)最大荷載可提供300kN的軸向應(yīng)力，三軸壓力室可以承受最大1mPa的壓力，軸向荷載波形可為常數(shù)波、方波、正弦波和三角波，荷載方式可為軸向壓力、圍壓及孔隙壓力等的任意組合。

本次試驗采用軸向壓力和圍壓兩種形式組合。圍壓采用固定值進行加載，加載頻率為1Hz，試驗中施加圍壓分別為0、200、400、600kPa；軸向荷載施加方式為正弦波且大小隨循環(huán)次數(shù)以100kPa/次的增長速率逐步增大，直至試件破壞。試驗過程采用應(yīng)變控制，控制應(yīng)變6%為終止條件，試驗中通過傳感器裝置測量試件的縱向變形、軸向應(yīng)力。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 單軸、三軸壓縮試驗結(jié)果分析

對膠凝砂礫石試件在動荷載作用下進行單軸、三軸壓縮試驗，得到試件的峰值強度和殘余強度，見表2。

由表2可知，圍壓由0mPa增加至0.6mPa時，膠凝砂礫石材料的峰值強度提高了123.59%，殘余強度提高了14.1倍，即隨著圍壓的增大，膠凝砂礫石材料的峰值強度、峰值應(yīng)變和殘余強度均有明顯的增大。由圖1可見，峰值強度、殘余強度和圍壓大致成線性增長關(guān)系。原因主要是其本身包含了不均勻的顆粒接觸面和孔隙等內(nèi)部缺陷，而這些缺陷的分布完全是隨機的，施加的圍壓對試件產(chǎn)生側(cè)向約束，從而使試件的孔隙、裂隙等被擠壓密實，因而提高了膠凝砂礫石的峰值強度和殘余強度。

2.2 動應(yīng)力—動應(yīng)變曲線特征分析

圖2為不同圍壓下的動應(yīng)力—動應(yīng)變關(guān)系曲線，它是膠凝砂礫石材料內(nèi)部性質(zhì)的外在反映。包絡(luò)線是指沿著循環(huán)加卸載作用下膠凝砂礫石動應(yīng)力—動應(yīng)變曲線的外輪廓描繪的光滑曲線，又稱為骨架線。通過室內(nèi)試驗得到的膠凝砂礫石材料動應(yīng)力—動應(yīng)變曲線，可以計算該材料的強度、彈性模量、阻尼比等參數(shù)，同時根據(jù)包絡(luò)線將膠凝砂礫石壓縮過程大致劃分為壓密、彈性、屈服、應(yīng)變軟化等4個階段。

（1）壓密階段（OA段，也可作為彈性階段的一部分）。試件本來存在的缺陷（孔隙、裂隙等）在荷載作用下經(jīng)歷了受壓的過程，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙、裂隙進一步壓縮，該階段曲線呈現(xiàn)凹型特征。曲線斜率隨應(yīng)力增大呈增大趨勢，且增大的速率加快。

（2）彈性階段（AB段）。該階段應(yīng)力應(yīng)變曲線近似呈直線關(guān)系，認(rèn)為膠凝砂礫石發(fā)生了彈性變形，這時材料被視為線彈性材料，而且在很大程度上表現(xiàn)為可恢復(fù)的彈性變形，試件不產(chǎn)生裂縫。

（3）屈服階段（BC段）。該階段應(yīng)力應(yīng)變曲線的切線斜率逐漸減小，曲線呈現(xiàn)凸型特征，表明膠凝砂礫石試件產(chǎn)生的微裂縫在不斷地發(fā)展并出現(xiàn)質(zhì)的變化。試件承載力在該階段達到最大值，此應(yīng)力最大值點稱為峰值強度，其大小反映膠凝砂礫石對外部動荷載的最大抵抗力，并且以此峰值點為界分為破壞前階段和破壞后階段。

（4）應(yīng)變軟化段（CD段）。在峰值強度之后，試件整體性破壞越來越嚴(yán)重，隨著承載能力下降即外部動荷載的下降，應(yīng)變繼續(xù)增大，試件發(fā)生應(yīng)變軟化。裂縫快速擴展、交叉且相互連通形成宏觀斷裂面，軸向壓力使試件破裂，從而形成塊體的脫落，試件強度降低，應(yīng)變增大。

膠凝砂礫石料的動應(yīng)力—動應(yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)非線性特征，試件達到峰值強度后均會呈現(xiàn)應(yīng)變軟化特征，且圍壓越大峰值強度越高；在同一配合比下，圍壓越小，試件的軟化形態(tài)越明顯（圖2）。

2.3 阻尼比與應(yīng)變的關(guān)系分析

計算阻尼比的公式借鑒文獻[7-9]：式中：λ為阻尼比；AR為滯回環(huán)ABCDfl的面積；As為三角形EDA的面積（圖3）。

根據(jù)試驗得到的加卸載動應(yīng)力—動應(yīng)變曲線，分別計算不同圍壓下試樣的阻尼比，得到不同圍壓下的咬凝砂礫石試件阻尼比與動應(yīng)變的關(guān)系曲線，見圖4。結(jié)果表明，在加卸載過程中，隨著動應(yīng)變的增大，阻尼比先減小后增大，即與動應(yīng)變呈非線性關(guān)系。在低應(yīng)力和圍壓的作用下，試件內(nèi)部原有的缺陷逐漸減少，而隨著循環(huán)次數(shù)增加動應(yīng)力變大，試件的損傷隨著動應(yīng)變的增大而逐漸增大，從而導(dǎo)致阻尼比先減小后增大。阻尼比是材料動力特性的一個重要參數(shù)，其大小反映的是膠凝砂礫石試件加卸載過程中消耗能量的多少，故阻尼比后增加的原因是隨著動應(yīng)力的增大，不可逆變形的增大即消耗能量增多，導(dǎo)致阻尼比增大。

三軸動荷載加卸載過程中，在有圍壓情況下，當(dāng)應(yīng)變一定時，隨著圍壓的增大，阻尼比減小。原因在于：圍壓作用對膠凝砂礫石試件產(chǎn)生側(cè)向約束，使膠凝砂礫石內(nèi)部顆粒連接更加緊密，而密實的膠凝砂礫石能夠增加其內(nèi)部波的傳播路徑，減少傳播過程中能量的耗散；而阻尼比的本質(zhì)就是反映能量耗損多少的參數(shù)，因而隨之減小。

3 結(jié)論

大型動三軸試驗得到了膠凝砂礫石材料的動應(yīng)力—動應(yīng)變關(guān)系曲線和該材料的阻尼比與動應(yīng)變的變化規(guī)律。

（1）圍壓由0mPa增加至0.6mPa時，膠凝砂礫石的抗壓強度提高123.59%、殘余強度提高14.1倍。

（2）由膠凝砂礫石材料的動應(yīng)力—動應(yīng)變關(guān)系曲線可以看出，該曲線呈現(xiàn)彈塑性變形規(guī)律，可將該曲線大致分為壓密、彈性、屈服、應(yīng)變軟化等4個階段。

（3）在加卸載過程中，同一圍壓情況下，隨著動應(yīng)變的增大，阻尼比先減小趨于平緩后增加，即與動應(yīng)變呈非線性關(guān)系，而在相同應(yīng)變條件下，阻尼比隨著圍壓的增加而減小。

參考文獻：

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