人工膠結(jié)球狀顆粒材料的三軸試驗(yàn)研究

牛麗思, 劉奉銀, 王松鶴, 張　昭

(西安理工大學(xué) 巖土工程研究所, 陜西 西安 710048)

研究表明:結(jié)構(gòu)性土顆粒間的膠結(jié)作用是影響土強(qiáng)度的關(guān)鍵因素之一?；A(chǔ)建設(shè)中,水泥土、干粉砂漿及水泥砂漿等混和膠結(jié)材料已廣泛應(yīng)用于巖土工程[1-4],骨架顆粒與膠結(jié)材料的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度及其產(chǎn)生的改良、加固效果也是研究的焦點(diǎn)之一。

粒間膠結(jié)的研究方法主要有三類:一是細(xì)觀室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，即在自行研制的模型裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)研究,模擬膠結(jié)砂土顆粒間的膠結(jié)作用,如Delenne[5]將二維空間下膠結(jié)顆粒理想化為特定膠結(jié)位置的兩根鋁棒,測(cè)得拉伸、壓縮和剪切簡單應(yīng)力路徑下的強(qiáng)度參數(shù),實(shí)現(xiàn)了膠結(jié)顆粒細(xì)觀作用的宏觀試驗(yàn)研究;Brockel[6]等設(shè)計(jì)了一套測(cè)試雙顆粒粒間膠結(jié)物拉伸的試驗(yàn)裝置;在其基礎(chǔ)上,蔣明鏡等[7-12]研制了一套膠結(jié)顆粒成型模板和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)力下力學(xué)特性的測(cè)試裝置,探討了法向壓力、膠結(jié)厚度和寬度以及膠結(jié)材料等因素的影響,為了使模擬更貼近現(xiàn)實(shí),設(shè)計(jì)了三維空間下半球形理想顆粒膠結(jié)成型及其加載設(shè)備,得到了水泥膠結(jié)顆粒三維空間下的峰值強(qiáng)度包線。

二是人工膠結(jié)土試驗(yàn)研究，即在土(砂)中加入石灰、水泥或礦物材料等膠結(jié)材料制備人工膠結(jié)土(砂),模擬土(砂)的膠結(jié)特性。王庶懋等[13]提出在砂土中摻入水泥和聚苯乙烯(EPS)顆粒制備輕質(zhì)土,發(fā)現(xiàn)水泥和EPS顆粒含量是影響人工制備土結(jié)構(gòu)性的重要因素;蔣明鏡和沈珠江[14]將硅酸鹽水泥和冰粒加到粉質(zhì)黏土和粉狀高齡土的混合料中,利用X射線衍射與掃描電子顯微鏡揭示了人工制備方法能實(shí)現(xiàn)膠結(jié)效應(yīng)和大孔隙組構(gòu),并通過等向固結(jié)、單向壓縮和三軸壓縮試驗(yàn)分析其力學(xué)性狀與規(guī)律;謝定義和齊吉琳[15]在土顆粒中摻入水泥、石膏膠結(jié)劑和一定粒度的冰粒分別實(shí)現(xiàn)聯(lián)結(jié)和排列特性;劉恩龍等[16]在重塑土中加入水泥和鹽粒形成大孔隙組構(gòu)的膠結(jié)顆粒,模擬天然黏土的結(jié)構(gòu)性,其三軸試驗(yàn)表明,低圍壓下試樣變形受膠結(jié)強(qiáng)度的影響較大;王緒民等[17]選用高純度石英砂和氧化鈣經(jīng)過二次摻水制備膠結(jié)砂樣,進(jìn)行三軸試驗(yàn)和碳酸鈣定量化學(xué)試驗(yàn),提出化學(xué)指標(biāo)β,進(jìn)而修正了摩爾-庫倫強(qiáng)度公式;韓學(xué)輝等[18]提出了骨料依次包裹膠結(jié)劑和粘土的骨料覆膜制樣原理,該方法可保證膠結(jié)材料的均勻性且無多余膠結(jié)料對(duì)試驗(yàn)的影響;王來貴等[19]通過激光共焦顯微鏡,對(duì)不同粒徑砂粒與水泥膠結(jié)樣進(jìn)行細(xì)觀觀測(cè),并結(jié)合單軸壓縮試驗(yàn)下力學(xué)響應(yīng),得出多邊形膠結(jié)顆粒接觸模型。

三是數(shù)值模擬研究。Christian等[20]基于Particle Flow Code(PFC)自身的膠結(jié)模型,將其擴(kuò)展為膠結(jié)顆粒漸進(jìn)破壞的Discrete Element Method(DEM)模型,模擬了花崗巖的單軸壓縮試驗(yàn);蔣明鏡[21，22]通過類比法構(gòu)造出抗轉(zhuǎn)動(dòng)無厚度的水泥微觀膠結(jié)模型,將其植入到Particle Flow Code in 2 Dimensions(PFC 2D)中,通過模擬結(jié)果與巖石的單軸壓縮和單軸拉伸試驗(yàn)類比,確定了平行粘結(jié)模型微觀參數(shù)的范圍,并針對(duì)該微觀參數(shù)不能滿足巖石宏觀抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的問題,分析并提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法。

采用球狀顆粒模擬土顆粒,來探究土的力學(xué)性質(zhì)已有一定基礎(chǔ)。董啟朋等[23]用鋼珠和玻璃珠模擬粗粒土的三軸試驗(yàn),探究粒徑、孔隙比和圍壓對(duì)強(qiáng)度和變形的影響;孔德志等[24]用鋼珠模擬堆石料的三軸排水試驗(yàn),探究了不破碎堆石體顆?；谱冃螜C(jī)理及其對(duì)強(qiáng)度特性的影響,表明在出現(xiàn)峰值強(qiáng)度之后,修正的Rowe剪脹方程適用性更強(qiáng);張成朋等[25]通過動(dòng)三軸試驗(yàn)表明用玻璃珠可以很好地模擬堆石料的動(dòng)彈性模量變化規(guī)律;魏巍等[26]通過人工制備粒徑為2cm、不同水泥含量的球顆粒試樣進(jìn)行三軸試驗(yàn),表明堆石料顆粒破碎的分形維數(shù)能較好地表征試樣級(jí)配情況。

本文采用鋼珠和玻璃珠作為骨架顆粒,分別以蠟和膨潤土兩種材料按一定體積比例混合作為膠結(jié)材料制備試樣,進(jìn)行常規(guī)三軸試驗(yàn),探究不同骨架材料、膠結(jié)材料和圍壓等對(duì)膠結(jié)試樣強(qiáng)度和變形特性的影響。

1　試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用鋼珠和玻璃珠兩種材料作為骨架顆粒,將蠟和膨潤土作為顆粒間的膠結(jié)材料,模擬結(jié)構(gòu)性土中的膠結(jié),進(jìn)行常規(guī)三軸試驗(yàn)。試樣直徑D=39.1 mm,允許骨架顆粒粒徑d<0.1D,本文所用骨架顆粒粒徑均為3 mm;試驗(yàn)所用蠟為常溫固態(tài)白蠟,熔點(diǎn)45～55 ℃;本文試驗(yàn)用膨潤土產(chǎn)自山東,是以蒙脫石為主要礦物成分的黏性土。由于膨潤土中黏粒含量多,土的比表面積大,親水性大的礦物含量高,黏性強(qiáng),同時(shí)吸濕性很強(qiáng),具有吸水膨脹失水干縮的性質(zhì)。試樣中各材料的基本物理指標(biāo)如表1所示。

表1　制樣材料基本物理指標(biāo)Tab.1　Physical property of component material

表1中,試樣理論顆?？紫侗戎冈嚇又泄羌茴w粒的孔隙體積占骨架顆粒體積的比值,考慮到試樣制備難易且便于膠結(jié),經(jīng)多次試制,試樣理論顆粒孔隙比e1通常為1.2～1.5,常規(guī)三軸試樣體積為96.06 cm3,通過e1=1.2確定骨架顆粒數(shù)量為3 089顆,進(jìn)一步可知骨架的孔隙體積為52.395 cm3?？紫短畛渎蔖為膠結(jié)材料體積占孔隙體積的比值,試驗(yàn)中由P=0.9確定所需膠結(jié)材料的體積為47.2 cm3。

以蠟和膨潤土兩種膠結(jié)材料的不同體積比例混合制備試樣,兩種膠結(jié)材料體積比(VL∶VP)分別取1∶0、2∶1、1∶1和1∶2,其中膠結(jié)材料體積比為1∶0時(shí)即為純蠟。膨潤土提前過篩烘干備好,根據(jù)膠結(jié)材料體積比得出對(duì)應(yīng)比例下所需蠟和膨潤土的體積,稱出兩種材料對(duì)應(yīng)質(zhì)量,將稱好的固態(tài)蠟先放入烘箱進(jìn)行熔化,待熔為蠟液后取出,并將稱好的膨潤土和顆粒倒入,均勻攪拌混合,常溫下自然冷卻到可塑態(tài)時(shí),分五層壓樣。同骨架顆粒材料,同一體積比下各制備三組試樣,分別在50 kPa、100 kPa和200 kPa低圍壓下進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn),試驗(yàn)固結(jié)時(shí)間統(tǒng)一為1.5 h,剪切速率為0.08 mm/min。

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1　應(yīng)力-應(yīng)變曲線

當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變曲線有峰值時(shí),將峰值強(qiáng)度作為破壞強(qiáng)度;當(dāng)曲線無峰值時(shí),則選取軸應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)相應(yīng)的強(qiáng)度作為破壞強(qiáng)度。圖1和圖2為相同含蠟率(VL/V)、不同圍壓下,試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。其中含蠟率指試樣中蠟體積占膠結(jié)材料總體積的百分比,ε1為軸應(yīng)變,σ1-σ3為主應(yīng)力差。由圖可以看出,在同一含蠟率VL/V下,玻璃珠和鋼珠試樣的峰值強(qiáng)度都隨著圍壓σ3增加而增大。VL/V分別為100%、66.7%和50%時(shí),隨圍壓的變化,強(qiáng)度曲線為軟化和弱硬化型;而VL/V為33.3%時(shí),曲線均為軟化型。

對(duì)比圖1和圖2可知,當(dāng)VL/V=100%(即單純蠟),同一圍壓下,鋼珠試樣強(qiáng)度比玻璃珠大;當(dāng)VL/V分別為66.7%、50%和33.3%時(shí),σ3=50 kPa和σ3=100 kPa下的鋼珠試樣強(qiáng)度比玻璃珠大,而σ3=200 kPa時(shí)則相反。相同含蠟率下,玻璃珠試樣在σ3=50 kPa和σ3=100 kPa下的強(qiáng)度相近,在σ3=200 kPa時(shí)強(qiáng)度明顯增大。此現(xiàn)象可能是由于玻璃珠顆粒相對(duì)密度與膠結(jié)材料的差異小,而鋼珠顆粒相對(duì)密度與膠結(jié)材料的差異大。低圍壓下,顆粒相對(duì)密度差異越小,鋼珠試樣峰值強(qiáng)度就越大；當(dāng)σ3=200 kPa時(shí),玻璃珠試樣強(qiáng)度增加幅度較大。

此外,從圖1、圖2可見,強(qiáng)度曲線會(huì)有上下波動(dòng)的現(xiàn)象,這可能是由于在剪切過程中,剪切帶上存在一定的主抗顆粒(即對(duì)強(qiáng)度起關(guān)鍵作用的顆粒)。試樣主要是依靠主抗顆粒之間的相互摩擦、滾動(dòng)、錯(cuò)位、重新排列來抵抗剪切應(yīng)力。剪切過程中,一旦主抗顆粒間產(chǎn)生較大滑移或滾動(dòng),應(yīng)力轉(zhuǎn)移,抗力會(huì)減小,隨著剪切繼續(xù),顆粒滾動(dòng)重新排列,再次形成新的主抗顆粒,抗力增加,此過程在試樣內(nèi)部反復(fù)循環(huán),因此,試樣在剪切過程中,應(yīng)力-應(yīng)變曲線會(huì)發(fā)生上下波動(dòng)。

圖2　不同圍壓下鋼珠試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2　Stress-strain curves of steel balls specimen under different confining pressures

2.2　含蠟率對(duì)強(qiáng)度的影響

圖3為不同圍壓下試樣的強(qiáng)度和含蠟率的關(guān)系。由圖3可知,在相同圍壓下,玻璃珠和鋼珠試樣的強(qiáng)度隨含蠟率VL/V的減小即膨潤土含量的增加而增大,粘結(jié)強(qiáng)度增加,試樣的整體穩(wěn)定性提高,所以試樣的強(qiáng)度增大。

比較圖3(a)和(b)可知,不同圍壓下,玻璃珠在含蠟率為66.7%和100%時(shí)的強(qiáng)度比值為1.2～1.6,而鋼珠的只有1～1.25,由此可知,在純蠟中摻入膨潤土后,玻璃珠比鋼珠的強(qiáng)度增加幅度大。

相同顆粒材料和圍壓下,VL/V=66.7%和VL/V=50%時(shí)的強(qiáng)度相差不大,在比率為50%的基礎(chǔ)上,再增加膠結(jié)材料蠟的摻量,對(duì)混合試樣強(qiáng)度影響不大,或者說對(duì)顆粒材料強(qiáng)度影響最大的是膨潤土。

圖3　強(qiáng)度和含蠟率的關(guān)系Fig.3　Relationships between strength and wax content

2.3　含蠟率對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的影響

通過不同體積比、不同圍壓下試驗(yàn)得到的峰值主應(yīng)力差,計(jì)算平均應(yīng)力p=(σ1+σ3)/2和廣義剪應(yīng)力q=(σ1-σ3)/2,繪制在p-q平面,得到不同條件下的Kf線,如圖4所示。

由圖4可知,含蠟率VL/V分別為66.7%、50%和33.3%時(shí),玻璃珠(或者鋼珠)試樣的三條Kf線幾乎平行,隨著含蠟率的減小,Kf線向右上方移動(dòng),說明膠結(jié)材料中膨潤土量的增加使材料強(qiáng)度增大,內(nèi)摩擦角變化很小;當(dāng)含蠟率VL/V=100%時(shí),Kf線的斜率明顯降低,表明其內(nèi)摩擦角降低。由此證實(shí),蠟在膠結(jié)材料中主要起粘結(jié)作用,而且還會(huì)增加顆粒之間的光滑性,降低試樣的內(nèi)摩擦角。此外,VL/V為66.7%和50%的直線幾乎重合,故如前文所述,在VL/V=50%的基礎(chǔ)上增加蠟的摻量對(duì)強(qiáng)度影響不大。

圖4　p-q平面內(nèi)的Kf線Fig.4　Kf lines on p-q plane

由圖4可知,相同含蠟率下的試驗(yàn)結(jié)果在p-q坐標(biāo)平面上近似為一條直線Kf(即極限應(yīng)力圓頂點(diǎn)的連線),其與縱坐標(biāo)的截距為a,傾角為θ,由土的極限平衡理論得知,當(dāng)試樣破壞時(shí)有:

(1)

式中,σ1為大主應(yīng)力;(σ1-σ3)f為破壞剪應(yīng)力;c為黏聚力;φ為內(nèi)摩擦角。

Kf線的表達(dá)式:

q=a+ptanθ

(2)

比較兩式可得:

φ=arcsin(tanθ)

(3)

(4)

將式(3)和式(4)確定的強(qiáng)度參數(shù)值繪制成圖5,在同一含蠟率下,鋼珠試樣的黏聚力比玻璃珠大。由圖5(a)可知,鋼珠和玻璃珠試樣的黏聚力隨含蠟率的增大而減小,但在含蠟率為50%和66.7%時(shí)變化較小,純蠟試樣的黏聚力僅次于含蠟率為33.3%時(shí)的試樣;由圖5(b)可知,含蠟率對(duì)玻璃珠試樣內(nèi)摩擦角的影響比鋼珠試樣大。

圖5　含蠟率與強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系Fig.5　Relationships between wax content and strength parameters

3　結(jié)　論

1) 相同含蠟率下,玻璃珠和鋼珠試樣的強(qiáng)度都隨圍壓的增大而增大,較低圍壓下鋼珠試樣強(qiáng)度較高,圍壓為200 kPa情況下,純蠟?zāi)z結(jié)鋼珠試樣強(qiáng)度高于玻璃珠試樣,其余含蠟率下鋼珠試樣強(qiáng)度略低。

2) 相同圍壓下,玻璃珠和鋼珠試樣強(qiáng)度都隨含蠟率的減小而增大,膠結(jié)試樣的強(qiáng)度主要取決于膨潤土的量,其中含蠟率在66.7%到50%之間時(shí),強(qiáng)度增長較緩。

3) 試樣的黏聚力隨含蠟率的增大先減小后增大,且隨含蠟率的變化存在最小值,同一含蠟率下,鋼珠試樣黏聚力較大,內(nèi)摩擦角一般較小,且含蠟率對(duì)玻璃珠試樣內(nèi)摩擦角的影響比鋼珠試樣大。

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