水泥土力學(xué)性能與聲發(fā)射參數(shù)持續(xù)時(shí)間的關(guān)系研究

孫振國(guó)+李明寶+陳沖+張旭

摘 要：為研究水泥土力學(xué)性能與聲發(fā)射參數(shù)持續(xù)時(shí)間的關(guān)系，利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)水泥土的無(wú)側(cè)限壓縮過(guò)程進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)水泥土力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行分析，得到水泥土在無(wú)側(cè)限壓縮下應(yīng)力隨時(shí)間的變化過(guò)程大致分為四個(gè)階段；同時(shí)對(duì)水泥土試件的聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)持續(xù)時(shí)間進(jìn)行分析，得出水泥土壓縮過(guò)程中各聲發(fā)射特性參數(shù)持續(xù)時(shí)間也大致分為四個(gè)階段，并且通過(guò)對(duì)比力學(xué)曲線和持續(xù)時(shí)間分布圖得出力學(xué)曲線的變化階段與持續(xù)時(shí)間分布圖的變化基本相一致。

關(guān)鍵詞：水泥土；聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)；持續(xù)時(shí)間

中圖分類號(hào)：TU472.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）28-0195-02

引言

水泥土是水泥和土混合在一起形成的一種新的建筑材料，水泥土與土相比結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固，抗壓性能更加良好，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的地基基礎(chǔ)、道路路基中。對(duì)于一些大型水泥土結(jié)構(gòu)，對(duì)其的研究不僅僅停留在加固中，現(xiàn)在更多的研究集中在對(duì)其抗壓性能的研究以及水泥土內(nèi)部破壞機(jī)理的研究。許多學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了一系列的研究。童小東等[1]對(duì)水泥土的彈塑性損傷進(jìn)行了試驗(yàn)研究；王軍等[2]開(kāi)展了水泥土力學(xué)特性的試驗(yàn)研究，而把聲發(fā)射技術(shù)引入水泥土的力學(xué)試驗(yàn)中的研究相對(duì)較少。

許多專家學(xué)者已經(jīng)將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，用來(lái)研究建筑結(jié)構(gòu)的損傷和破環(huán)。以美國(guó)的 R.M.Koerner 為代表學(xué)者們首先將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用到土工領(lǐng)域[4]；張明等[5]利用累積聲發(fā)射數(shù)與損傷變量一致的觀點(diǎn)建立了力學(xué)參數(shù)和聲發(fā)射參數(shù)的關(guān)系；本文通過(guò)對(duì)水泥土進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，將壓縮力學(xué)特性曲線和聲發(fā)射信號(hào)特性參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間能很好的反映水泥土壓縮的不同階段，為聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在水泥土中的應(yīng)用提供了依據(jù)。

1 試件制作與試驗(yàn)方法

本文試驗(yàn)制作水泥土用到的土樣取自黑龍江省哈爾濱市的黏土，試驗(yàn)使用的水泥材料為強(qiáng)度等級(jí)為32.5的天鵝牌普通硅酸鹽水泥，所用水為自來(lái)水。本文試驗(yàn)中將試驗(yàn)用土樣進(jìn)行天然風(fēng)干，通過(guò)人工把試驗(yàn)用土碾碎，之后用5mm的篩子進(jìn)行篩分。試驗(yàn)依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)程并結(jié)合工程實(shí)際情況選取水泥摻入比為18%和水泥漿的水灰比為W/C=0.7。然后稱取適量的土、水泥將其拌合均勻，再加入試驗(yàn)所需的水?dāng)嚢柚辆鶆?，分兩層裝入7.07cm×7.07cm×7.07cm立方體試模內(nèi)并插搗振實(shí)。成型后的立方體試件放在（20±5）℃環(huán)境下靜置48小時(shí)，之后對(duì)試件拆模并放在（20±1）℃水中養(yǎng)護(hù)28天，養(yǎng)護(hù)完成后對(duì)試件進(jìn)行壓縮下聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)采用美國(guó)PAC公司制造的全天候結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)系統(tǒng)和AEwin軟件對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集分析，并采用型號(hào)為TYJ-500KN的電液伺服試驗(yàn)機(jī)加載設(shè)備對(duì)試件進(jìn)行無(wú)側(cè)向抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)設(shè)置單通道對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)聲發(fā)射的持續(xù)時(shí)間參數(shù)進(jìn)行采集。試驗(yàn)采用位移控制加載，勻速單向壓縮，單向壓縮和聲發(fā)射信號(hào)采集同步進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)和聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)，得到圖1水泥土試件壓縮應(yīng)力隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線圖和圖2聲發(fā)射信號(hào)持續(xù)時(shí)間對(duì)時(shí)間的分布圖。

從圖1可知，水泥土壓縮變形基本上可分為四個(gè)階段：第一階段（OA段）：該階段曲線走勢(shì)不平穩(wěn)，先出現(xiàn)一段近似平線階段，隨后呈現(xiàn)出彎曲線，斜率逐漸增大，這是由于水泥土在荷載作用下內(nèi)部空隙縮小，水泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到壓密，水泥土結(jié)構(gòu)基本上沒(méi)有遭到破壞，且曲線A點(diǎn)所處時(shí)刻大約為50s；第二階段（AB段）：該階段應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系近似呈直線，水泥土出現(xiàn)硬化，B點(diǎn)的應(yīng)力可以作為水泥土的比例極限，B點(diǎn)所處時(shí)刻大約為100s；第三階段（BC段）：該階段關(guān)系曲線開(kāi)始發(fā)生偏離，不再呈現(xiàn)直線狀態(tài)，隨著應(yīng)力的增加應(yīng)變變化增大，水泥土出現(xiàn)軟化，水泥土的應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力，峰值應(yīng)力C點(diǎn)所處時(shí)刻大約為150s；第四階段（CD 段）：該階段為水泥土破壞的后階段，過(guò)了峰值應(yīng)力后，水泥土在應(yīng)變變化很小的情況下，應(yīng)力發(fā)生較大的衰減。

從圖2聲發(fā)射信號(hào)持續(xù)時(shí)間對(duì)時(shí)間的分布圖可以看出，在試件壓縮的開(kāi)始至50s聲發(fā)射信號(hào)的持續(xù)時(shí)間分布較少，甚至沒(méi)有；在50s-200s之間，聲發(fā)射信號(hào)的持續(xù)時(shí)間分布增大，并多次達(dá)到較大峰值，說(shuō)明水泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu)正在發(fā)生破壞，釋放大量的聲發(fā)射信號(hào)；在200s以后持續(xù)時(shí)間的分布逐漸減少，并且持續(xù)時(shí)間的大小也在不斷減小，說(shuō)明材料已經(jīng)發(fā)生破壞。對(duì)比圖1和圖2可以看出，聲發(fā)射信號(hào)持續(xù)時(shí)間對(duì)時(shí)間的分布和受荷下應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系相對(duì)應(yīng)，即聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間分布和應(yīng)力值隨著時(shí)間先增大后減小，并且在出現(xiàn)變化和轉(zhuǎn)折的時(shí)間也大致相對(duì)應(yīng)，這為利用聲發(fā)射技術(shù)預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)破壞的發(fā)生和破壞的程度提供了依據(jù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)水泥土的聲發(fā)射信號(hào)持續(xù)時(shí)間進(jìn)行了詳細(xì)研究，通過(guò)對(duì)水泥土試件壓縮過(guò)程中采集的聲發(fā)射信號(hào)持續(xù)時(shí)間的分析，得到以下結(jié)論：通過(guò)對(duì)水泥土力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行分析，得到水泥土在無(wú)側(cè)限壓縮下應(yīng)力隨時(shí)間的變化過(guò)程大致分為四個(gè)階段；同時(shí)對(duì)水泥土試件的聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)持續(xù)時(shí)間進(jìn)行分析，得出水泥土壓縮過(guò)程中各聲發(fā)射特性參數(shù)持續(xù)時(shí)間也大致分為四個(gè)階段，并且通過(guò)對(duì)比力學(xué)曲線和持續(xù)時(shí)間分布圖得出力學(xué)曲線的變化階段與持續(xù)時(shí)間分布圖的變化基本相一致，并且在出現(xiàn)變化和轉(zhuǎn)折的時(shí)間也大致相對(duì)應(yīng)，這為利用聲發(fā)射技術(shù)預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)破壞的發(fā)生和破壞的程度提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]童小東，龔曉南，蔣永生.水泥土的彈塑性損傷試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2002，35（4）：82-85.

[2]王軍，丁光亞，潘林有，等.靜三軸試驗(yàn)中水泥土力學(xué)特性及本構(gòu)模型研究[J].巖土力學(xué)，2010，31（5）：1407-1412.

[3]Juan José González dela Rosa， Agustín Agüera Pérez. A novel measurement method fortransient detection based in wavelets entropy and the spectral kurtosis： An application to vibrations and acoustic emission signals from termite activity[J]. Measurement， 2015，4（68）： 58-69.

[4]R.M.Koerner， A.E.Lord， Jr.Acoustic emission in medium plasticity clay silt[J].Journal of the Soil Mecanicas and Foundations Division，Proceedings of the American Society of Civil Engineering， Vol.98，NO.SM1，1972.

[5]張明，李仲奎，楊強(qiáng).準(zhǔn)脆性材料聲發(fā)射的損傷模型及統(tǒng)計(jì)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25（12）：2493-2495.endprint