膠凝堆石料大三軸試驗

膠凝堆石料大三軸試驗蔡新;宋小波;明宇;楊杰【摘要】在大三軸試驗的基礎(chǔ)上，得到不同膠凝體質(zhì)量濃度、不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過試驗數(shù)據(jù)對膠凝堆石料本構(gòu)模型進(jìn)行探討，并求出了模型中的參數(shù)。研究結(jié)果表明：當(dāng)膠凝體質(zhì)量濃度較低時，對膠凝堆石料運用鄧肯-張本構(gòu)模型基本滿足工程精度要求；隨著膠凝體質(zhì)量濃度的增加，從應(yīng)力-應(yīng)變曲線中發(fā)現(xiàn)鄧肯-張本構(gòu)模型已不再適用，但曲線在彈性階段表現(xiàn)出明顯的線性特性，線性模型的彈性模量與膠凝體質(zhì)量濃度、圍壓有關(guān)。通過試驗數(shù)據(jù)，擬合得出線性模型中相關(guān)參數(shù)之間關(guān)系的表達(dá)式。%Basedonlarge-scaletriaxialtests,stress-straincurveswithdifferentcementcontentsanddifferentambientpressureswereobtained.AconstitutivemodelforCSGmaterialswasinvestigatedusingtestdata,andthemodelparameterswerederived.TheresultsshowthattheDuncan-ChangconstitutivemodelforCSGmaterialsmettheengineeringaccuracystandardwhenthecementcontentwaslow.Withtheincreaseofthecementcontent,itcanbeseenfromthestress-straincurvethattheDuncan-Changconstitutivemodelwasnolongerapplicable,butthecurveshowedobviouslinearcharacteristicsintheelasticstage,andtheelasticmodulusofthelinearmodelwasrelatedtothecementcontentandambientpressure.Theexpressionoftheparametersofthelinearmodelwasobtainedbasedonthetestdata.【期刊名稱】《河海大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）》【總頁數(shù)】5頁(P424-428)【關(guān)鍵詞】大三軸試驗;膠凝堆石料;應(yīng)力-應(yīng)變曲線;鄧肯-張本構(gòu)模型【作者】蔡新;宋小波;明宇;楊杰【作者單位】河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇南京210098;河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京210098;河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇南京210098;河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京210098;河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京210098【正文語種】中文【中圖分類】TV321膠凝堆石壩是以壩址附近河床砂礫料及開挖棄渣為骨料，加入水泥等添加劑簡易拌和成壩料進(jìn)行填筑的，眾多學(xué)者都認(rèn)為該壩型具有高安全性、高抗震性和對地基條件要求低的特點，而且施工簡便、快速，造價低廉。而膠凝材料的力學(xué)特性試驗及其本構(gòu)模型研究是膠凝堆石壩相關(guān)問題的關(guān)鍵，目前國內(nèi)對膠凝堆石料本構(gòu)模型的研究還不夠深入，本文結(jié)合大三軸試驗，對不同膠凝體質(zhì)量濃度的本構(gòu)模型進(jìn)行探討。膠凝堆石料的變形模量是碾壓堆石料的10~100倍，使相應(yīng)壩型的壩體變形大幅度減小，有利于改善面板和周邊縫的工作性態(tài)，上游防滲體系能正常工作。但目前對膠凝堆石料的本構(gòu)特性認(rèn)識還不夠深入，多是將膠凝堆石料看作混凝土材料，采用線彈性本構(gòu)關(guān)系來模擬;也有將其按照堆石料進(jìn)行處理，采用鄧肯-張本構(gòu)關(guān)系或?qū)⑵溥M(jìn)行修正來使用［1-2］。筆者對不同膠凝體質(zhì)量濃度的堆石料進(jìn)行大三軸試驗，通過試驗數(shù)據(jù)對膠凝堆石料的本構(gòu)特性進(jìn)行探討。1試驗過程1.1材料配比根據(jù)前人的試驗經(jīng)驗［3-6］，最優(yōu)水灰比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）定為0.6~1.2，最優(yōu)砂率取20%，碎石級配取5~10mm,10-20mm,20-40mm,相應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%,35%,45%。試驗材料用量見表1。表10300mmx700mm試件配料Table1Ingredientsofspecimensof0300mmx700mm試件編號膠凝體質(zhì)量濃度/（kg-m-3）水泥質(zhì)量/kg砂質(zhì)量/kg水質(zhì)量/kgC20200.989121.067830.9C40401.978221.067831.8C60602.967321.067832.8C80803.956421.067833.81.2試件制備按照《水工混凝土試驗規(guī)范》對某膠凝材料的配料進(jìn)行拌和，并用振動碾將拌合物振實。試件成型后，在材料初凝前1~2h需要進(jìn)行抹面，要求沿模口磨平。模量與阻尼比試驗試件要在4種圍壓、1種固結(jié)比下進(jìn)行試驗，也就是每種膠凝體質(zhì)量濃度的試件要制作4個?？紤]到試驗失敗等不良因素的影響，備用試件為6個。3種試件總計18個，備用試件共20個。在試驗前將準(zhǔn)備好的止水橡膠模套在試件上。1.3試驗方法試件養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行分組，每組試驗4個試件，分別在恒定圍壓300kPa,600kPa,900kPa,1200kPa下飽和固結(jié)（固結(jié)比K均為1）,固結(jié)完成后以0.02mm/s的加荷速度進(jìn)行三軸排水（CD）剪切，并記錄軸向壓力、軸向位移和排水量。當(dāng)軸向應(yīng)變值達(dá)到15%或試樣完全破壞時停止試驗。2試驗數(shù)據(jù)分析不同膠凝體質(zhì)量濃度、不同圍壓下的膠凝堆石料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線即。1-。3~如曲線見圖1（01為軸向應(yīng)力，。3為圍壓，。1-。3為偏應(yīng)力，￡a為軸向應(yīng)變）。由圖1(a)可知:當(dāng)膠凝體質(zhì)量濃度為20kg/m3時，曲線沒有明顯的應(yīng)力峰值和應(yīng)變軟化現(xiàn)象，試樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線近似于雙曲線。由圖1(b)(c)(d)可知:(a)當(dāng)膠凝體質(zhì)量濃度大于20kg/m3時，膠凝堆石料試樣具有明顯的應(yīng)力峰值，。1-。3達(dá)到峰值前隨￡a的增加而增長，存在明顯的線性初始段，而且圍壓對該直線段斜率的影響不明顯，表現(xiàn)出類似混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變特征但隨著如的增長，梯度逐漸變緩，表現(xiàn)出非線性的應(yīng)力-應(yīng)變特征。的。1-。3達(dá)到峰值后，如繼續(xù)增大，而。1-。3逐漸減小，表現(xiàn)出應(yīng)變軟化的特征°(c)隨著￡a的繼續(xù)增大，。1-。3逐步趨于一個定值，即材料的殘余強度。(d)峰值強度和殘余強度隨著圍壓的增大而增長。膠凝體質(zhì)量濃度大于20kg/m3時，曲線的峰值強度和初始模量隨著膠凝體質(zhì)量濃度的增長而增長，峰值強度對應(yīng)的sa比較小。膠凝體質(zhì)量濃度越大，應(yīng)變軟化現(xiàn)象越明顯。與純堆石料相比，膠凝堆石料的強度和初始變形模量都有大幅度提高。2.2鄧肯-張本構(gòu)模型的適用性當(dāng)膠凝體質(zhì)量濃度為20kg/m3時，試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線近似于雙曲線。采用修正鄧肯-張本構(gòu)模型進(jìn)行驗證，其表達(dá)式［7-8］如下：式中:Et——切線彈性模量;Ei——初始彈性模量沖一一內(nèi)摩擦角;c―聚力;Rf—模型參數(shù)。由于膠凝堆石料有一定的抗拉能力，故對原有的表達(dá)式進(jìn)行修正［9］:圖1三軸試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1Stress-straincurvesforspecimensintriaxialtests得到修正模型的表達(dá)式如下：切線彈性模量切線體積模量式中:K,n——模型參數(shù);pa——大氣壓強;。t——膠凝堆石料的抗拉強度;Kb,m——模型參數(shù)。利用試驗數(shù)據(jù)擬合［10-11］,最終得到參數(shù)c=174.4kPa，中=40.6。，K=1196.74,n=0.207,Rf=0.79,Kb=407.72,m=0.36。當(dāng)膠凝體質(zhì)量濃度大于20kg/m3時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線和擬合的試驗數(shù)據(jù)表明鄧肯-張本構(gòu)模型已經(jīng)不再適用，對其本構(gòu)模型還要進(jìn)行深入的探討。3本構(gòu)模型探討從應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線中可以看到:當(dāng)膠凝體質(zhì)量濃度大于20kg/m3時曲線在初始彈性階段表現(xiàn)出明顯的線性特征;隨著軸向應(yīng)變的增長，梯度逐漸變緩，表現(xiàn)出非線性的應(yīng)力-應(yīng)變特征。然而通過圖1可以看到曲線在應(yīng)變軟化之前非線性部分基本接近于曲線峰值點，此時應(yīng)已脫離彈性階段而達(dá)到了屈服階段。因此，在彈性階段內(nèi)認(rèn)為應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以用線彈性模型來描述［12］。3.1彈性模量的計算從應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線中可以發(fā)現(xiàn)彈性模量的大小與膠凝體質(zhì)量濃度、圍壓有關(guān)，為此可以列出表達(dá)式：式中:Ej——彈性模量;f(o3,H)——彈性模量隨圍壓與膠凝體質(zhì)量濃度增長的函數(shù);H——膠凝體質(zhì)量濃度。要得出彈性模量的表達(dá)式，先要通過試驗得出材料在不同膠凝體質(zhì)量濃度和圍壓下的Ei。所得結(jié)果見圖2。對圖2曲線進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)用指數(shù)函數(shù)擬合效果較好，擬合結(jié)果見表2。可以看出，擬合方程的一般式為y=aekx，k值變化不大(在0.0016左右)，參數(shù)a隨圍壓的增大而增大，二者基本呈線性關(guān)系。擬合的o3~a的關(guān)系線見圖3，擬合方程為y=49.74x+94.23。圖2初始彈性模量與膠凝體質(zhì)量濃度關(guān)系曲線Fig.2RelationshipbetweeninitialelasticmodulusandCSGcontent表2擬合方程Table2Fittingequations膠凝體質(zhì)量濃度/(kg-m-3)a3/系數(shù)200.3y=110.53e0.00164xMPa直線方程擬合相關(guān)0.991400.6y=123.69e0.00158x0.994600.9y=135.59e0.00161x0.993801.2y=156.3e0.00167x0.998綜上，可以得到圖3。3~a曲線Fig.3o3-acurve4結(jié)語通過試驗數(shù)據(jù)總結(jié)得出結(jié)論:膠凝堆石料在膠凝體質(zhì)量濃度較低時符合鄧肯-張本構(gòu)模型。在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出切線彈性模量Et與切線體積模量Bt表達(dá)式中的參數(shù)值。隨著膠凝體質(zhì)量濃度的增加，由應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出鄧肯-張本構(gòu)模型已不再適用，但曲線初始段表現(xiàn)出明顯的線性特征，非線性部分基本都接近于曲線峰值點。因此，認(rèn)為在彈性階段內(nèi)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以用線彈性模型來描述，它是圍壓。3與膠凝體質(zhì)量濃度H的函數(shù)。通過試驗數(shù)據(jù)擬合得出了該函數(shù)的表達(dá)式。目前工程界對于膠凝堆石料的拌和方式還沒有較一致的認(rèn)識，文中介紹的試驗是在室內(nèi)較理想條件下進(jìn)行的，試驗采用的膠凝材料摻量、最大料徑、拌和方式和抽樣方法與工程實際有較大出入，得出的結(jié)果距工程實際應(yīng)用有差距，今后還有大量的工作要做。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】[1]蔡新，武穎利，李洪煊，等.膠凝堆石料本構(gòu)模型研究[J].巖土工程學(xué)報，2010,32(9):1340-1344.(CAIXin,WUYingli,LIHongxuan,etal.ConstitutiveequationforCSGmaterials[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering,2010,32(9):1340-1344.(inChinese))[2]孫明權(quán)，楊世峰，張鏡劍，等.超貧膠結(jié)材料本構(gòu)模型[J].水利水電科技進(jìn)展，2007,27(3):35-37.(SUNMingquan,YANGShifeng,ZHANGjingjian,etal.Studyonconstitutivemodelforoverleancementedmaterial[J].AdvancesinScienceandTechnologyofWaterResources,2007,27(3):35-37.(inChinese))[3]李永樂，侯進(jìn)凱，孫明權(quán)，等.超貧膠結(jié)混凝土的力學(xué)特性試驗研究[J].人民黃河，2007,29(3):59-60.(LIYongle,HOUJinkai,SUNMingquan,etal.Testandstudyonmechanicalpropertyofsuper-shortcementconcrete[J].YellowRiver,2007,29(3):59-60.(inChinese))[4]孫明權(quán)，彭成山，李永樂，等.超貧膠結(jié)材料三軸試驗[J].水利水電科技進(jìn)展，2007,27⑷:46-49.(SUNMingquan,PENGChengshan,LIYongle,etal.Triaxialtestofoverleancementedmaterial[J].AdvancesinScienceandTechnologyofWaterResources,2007,27(4):46-49.(inChinese))[5]彭成山，張學(xué)菊，孫明權(quán).超貧膠結(jié)材料特性研究[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2007,28(2):26-29.(PENGChengshan,ZHANGXueju,SUNMingquan.Researchofsuperpoorcementedmaterialcharacteristic[J].JournalofNorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower,2007,28(2):26-29.(inChinese))[6]唐新軍，陸述遠(yuǎn).膠結(jié)堆石料的力學(xué)性能初探[J].武漢水利電力大學(xué)學(xué)報，1997,30(6):15-18.(TANGXinjun,LUShuyuan.Preliminaryresearchonmechanicalbehaviorsofcementedrockfillmaterial[J].EngineeringJournalofWuhanUniversity,1997,30(6):15-18.(inChinese))[7]朱俊高，周建方鄧肯E-v模型與E-B模型的比較[J].水利水電科技進(jìn)展，2008,28(1):4-7.(ZHUJungao,ZHOUJianfang.ComparisonofDuncanE-vandE-Bmodels[J].AdvancesinScienceandTechnologyofWaterResources,2008,28(1):4-7.(inChinese))[8]錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算[M].北京:中國水利水電出版社，1996:220-265.宿輝，黨承華.鄧肯-張非線性模型研究及其在ANSYS中的實現(xiàn)[J].中國農(nóng)村水利水電，2010(3):76-79.(SUHui,DANGChenghua.Duncan-ChangnonlinearelasticmodelandrealizationinANSYS[J].ChinaRuralWaterAndHydropower,2010(3):76-79.(inChinese))吳文峰，來妙法.堆石材料鄧肯模型參數(shù)