凍結(jié)水泥固化土SHPB實(shí)驗(yàn)及其沖擊變形特性*

黃建華，李 宏，李龍真，嚴(yán)耿明，葉劍波

(1.福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，福州 350118；2.地下工程福建高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350118)

濱海地區(qū)地基內(nèi)大范圍沉積著深厚的軟土層，在此地質(zhì)條件下地鐵建設(shè)的聯(lián)絡(luò)通道工程施工過(guò)程，采用水泥攪拌加固等工法經(jīng)常無(wú)法滿(mǎn)足工程安全施工條件，因此常在水泥攪拌樁加固基礎(chǔ)上再進(jìn)行人工凍結(jié)形成凍結(jié)水泥土圍護(hù)體系，保障工程施工安全。目前上述聯(lián)合加固方法已在我國(guó)工程實(shí)踐中得到應(yīng)用[1-3]。

實(shí)際應(yīng)用中，凍結(jié)水泥固化土常常承受爆破地震波、空氣沖擊波及列車(chē)振動(dòng)荷載等引起的沖擊力作用，因此本文主要研究?jī)鼋Y(jié)水泥土沖擊破壞的影響因素及其變形演化規(guī)律。以往專(zhuān)家主要進(jìn)行天然或人工凍土沖擊破壞影響因素研究，認(rèn)為動(dòng)態(tài)破壞時(shí)最大應(yīng)力與沖擊應(yīng)變率成正比，與溫度成反比[4]；凍土破壞強(qiáng)度與振動(dòng)頻率成反比，凍土殘余應(yīng)變與振動(dòng)幅值成正比[5,6]。在變形演化規(guī)律方面則認(rèn)為隨著應(yīng)變率增大,凍土破壞過(guò)程從塑性破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐腫7]；破壞模式由張應(yīng)變破壞向壓剪破壞轉(zhuǎn)變[8,9]；應(yīng)變收斂是凍土SHPB實(shí)驗(yàn)過(guò)程典型變形特征[10]。

上述研究成果為凍土動(dòng)力特性研究及其工程應(yīng)用提供了科學(xué)基礎(chǔ)和依據(jù)，研究對(duì)象主要集中在原狀土凍土，對(duì)凍結(jié)水泥固化土的動(dòng)力特性研究尚未發(fā)現(xiàn)。因此基于現(xiàn)有成果基礎(chǔ)，通過(guò)SHPB實(shí)驗(yàn)研究?jī)鼋Y(jié)水泥固化土沖擊變形特性，分析不同影響因素下的動(dòng)力學(xué)特征，完善其動(dòng)力學(xué)特性研究成果，為凍結(jié)技術(shù)推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 土樣制備與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室的φ80 mm鋼質(zhì)分離式Hopkinson壓桿(SHPB)試驗(yàn)系統(tǒng),主要由發(fā)射腔、沖頭、入射桿、透射桿、能量吸收桿和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。試驗(yàn)開(kāi)始前首先進(jìn)行一次空打，檢測(cè)壓桿是否共軸、入射波形是否滿(mǎn)足要求，試驗(yàn)時(shí)子彈以一定的速度沿軸向沖擊入射桿,在入射桿內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)彈性壓縮應(yīng)力波(入射波)，置于兩桿之間的試件在該脈沖作用下發(fā)生高速變形，當(dāng)入射波到達(dá)試樣時(shí)，一部分將反射一個(gè)波返回到入射桿中(反射波)，另一部分則透過(guò)試樣透射到透射桿中(透射波),最后由阻尼器吸收。SHPB桿的彈性模量為210 GPa,入射桿長(zhǎng)2.4 m,透射桿長(zhǎng)1.2 m,密度為7.8 g/cm3。

1.2 土樣制備

試驗(yàn)淤泥質(zhì)土樣取自福州濱海區(qū)域,孔隙比1.290,天然重度16 g/cm3;具體物理指標(biāo)見(jiàn)表1。水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，土樣制備過(guò)程分為3步:(1)試驗(yàn)采用的是重塑的土壤，為確保試樣加水?dāng)嚢枨熬哂芯鶆虻膬?nèi)部結(jié)構(gòu)和恒定的水分含量，將取的原狀土樣置入溫度為108℃的烘箱中烘干24 h后取出，邊噴灑蒸餾水邊攪拌，制成含水率為25%的重塑土，水泥含量按干土重的0%、9%和18%摻入；(2)使用尺寸為φ70 mm×H35 mm的鋼質(zhì)套筒模具，首先將一層薄凡士林涂于套筒內(nèi)壁，然后用膠帶封住套筒一端，稱(chēng)取規(guī)定質(zhì)量的重塑土放于套筒內(nèi)，分層擊實(shí)，并用切刀將套筒端突出的土壤削平，然后將擊實(shí)完成的土樣和套筒一起移養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)3～4 d;(3)將養(yǎng)護(hù)完成的土樣脫模放入低溫實(shí)驗(yàn)箱中，在-15℃、-25℃和-35℃的不同溫度條件下冷凍24 h。

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)以?xún)鼋Y(jié)水泥土的凍結(jié)溫度、水泥摻量和沖擊氣壓為變量，具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 SHPB試驗(yàn)可靠性分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程規(guī)范科學(xué)，才能提高實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)前將入射桿、撞擊桿和透射桿的軸線(xiàn)調(diào)整在同一直線(xiàn)上，整平樣品邊緣并涂上適量凡士林來(lái)減小摩擦效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響， 然后將試樣夾在透射桿和入射桿之間，并確認(rèn)試樣穩(wěn)固粘附在桿的端面上，試樣與桿端面間無(wú)明顯空隙，保證試樣與兩壓桿同軸時(shí)采集到的典型波形如圖1所示。由圖1可知透射波幾乎平行于x軸，入射波上升段近似平行于y軸，水平段近似平行于x軸，這樣的波形特征有利于提高其應(yīng)力均勻性。

入射桿和透射桿中部貼有應(yīng)變片,按照一維應(yīng)力波理論和均勻性假定，采用“二波法”處理公式，得到試件上的應(yīng)變率ε(t)、應(yīng)變?chǔ)?t)和動(dòng)態(tài)平均應(yīng)力σ(t)分別為[11]

(1)

(2)

(3)

式中:εi為入射波應(yīng)變；εr為反射波應(yīng)變；εt為透射波應(yīng)變；ls、As為試樣的長(zhǎng)度和橫截面積；A、E為壓桿的橫截面積和彈性模量；C0為應(yīng)力波在壓桿中的傳播速度。

表2 濱海凍結(jié)水泥土SHPB試驗(yàn)方案統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of SHPB test plan for coastal frozen cement soil

2.2 破碎特征分析

凍結(jié)水泥土中液態(tài)水的存在形式有自由水和結(jié)合水兩種，圖2(a)中實(shí)驗(yàn)凍結(jié)溫度達(dá)-15℃，自由水在-5℃至-20℃時(shí)可完全轉(zhuǎn)化成冰，而結(jié)合水則仍保持液態(tài)形式游離于試樣的孔隙當(dāng)中，這部分結(jié)合水稱(chēng)為未凍水。自由水凍結(jié)產(chǎn)生的凍脹力為未凍水在孔隙中的游離擴(kuò)散提供便利，使未凍水滲入到新產(chǎn)生的裂紋中，隨著溫度的進(jìn)一步降低，未凍水逐漸凍結(jié)成冰產(chǎn)生凍脹力，再誘發(fā)產(chǎn)生新的裂紋，如此循環(huán)往復(fù)，導(dǎo)致試樣內(nèi)部微裂隙的擴(kuò)展及新裂隙的萌生，宏觀上表現(xiàn)為圖2(b)中試樣強(qiáng)度的劣化。

凍結(jié)水泥土中隨著水泥摻量的增加，如圖3(a)中，水泥水化膠結(jié)作用增強(qiáng)了內(nèi)部微裂隙閉合能力，試樣破壞程度逐漸降低，碎塊破壞幾何尺寸由小變大，碎塊破壞數(shù)量由多變少，破壞形態(tài)由整體壓碎逐漸向張拉剪切破壞過(guò)渡，破碎結(jié)構(gòu)由片狀層裂結(jié)構(gòu)和塊狀碎裂結(jié)構(gòu)逐漸向錐形體劈裂結(jié)構(gòu)發(fā)展。

如圖4(a)當(dāng)凍結(jié)水泥土沖擊氣壓較低，沖擊速度較小時(shí)，動(dòng)力沖擊波僅僅能夠激活試樣內(nèi)部較大缺陷處的微裂紋，激活后的微裂紋尖端出現(xiàn)應(yīng)力集中進(jìn)一步加速了缺陷的增長(zhǎng)演變，隨后演變?yōu)閺埨罅鸭y，宏觀上表現(xiàn)為試樣破碎成若干較大碎塊，破裂面平行于壓桿軸線(xiàn)，其破壞為裂紋面的張拉破壞。但隨著沖擊氣壓的增加，沖擊速度的增大，如圖4(b)，動(dòng)力沖擊波不僅限于激活較大缺陷處延伸擴(kuò)展速度有限的微裂紋，其他小的缺陷或者亞缺陷處微裂紋來(lái)不及阻止就被激活，宏觀上破碎區(qū)域由外圍逐漸向巖樣中心擴(kuò)散，破碎更為明顯，試樣破裂形成的碎塊數(shù)量越來(lái)越多，幾何尺寸越來(lái)越小，破碎的形態(tài)從塊體狀到碎末狀，屬于整體壓碎破壞。

2.3 動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分析

取3種不同變量中對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)其中的3條，其余的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)離散程度類(lèi)似，這是材料本身的特殊性和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)決定的，為了避免離散性，將3組平行試驗(yàn)下得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，對(duì)平均后數(shù)據(jù)形成的曲線(xiàn)特征進(jìn)行分析研究。

2.3.1 沖擊速度對(duì)沖擊動(dòng)力學(xué)特性的影響

當(dāng)Wp=18%，T=-15℃，沖擊氣壓分別為0.2 MPa、0.3 MPa和0.4 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的沖擊速度分別為8.55 m/s、13.86 m/s和18.44 m/s，對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力分別為6.17 MPa、8.66 MPa和9.08 MPa，最大應(yīng)變分別為0.0220、0.0210、0.0150；沖擊速度為13.86 m/s和18.44 m/s的凍結(jié)水泥土峰值應(yīng)力分別為沖擊速度8.55 m/s試樣的1.40倍和1.47倍，增幅分別為40.35%和47.16%。當(dāng)Wp=18%，T=-25℃，沖擊氣壓分別為0.2 MPa、0.3 MPa和0.4 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的沖擊速度分別為8.53 m/s、14.50 m/s和18.05 m/s，對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力分別為5.71 MPa、9.13 MPa和20.79 MPa，最大應(yīng)變分別為0.0215、0.0231、0.0230。

在Wp=18%和T=-15℃的狀態(tài)下，沖擊速度在18.44 m/s時(shí)的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度分別為8.55 m/s的1.47 倍和13.86 m/s的1.05 倍；在Wp=18%和T=-25℃的狀態(tài)下，沖擊速度在18.05 m/s時(shí)的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度分別為8.53 m/s的3.64倍和14.50 m/s的2.28倍，由圖可知凍結(jié)水泥土的峰值強(qiáng)度隨沖擊速度即應(yīng)變率的增大而增加，表明凍結(jié)水泥土有較強(qiáng)的應(yīng)變率效應(yīng)。

當(dāng)Wp=18%，T=-15℃時(shí)，沖擊速度18.44 m/s的峰值應(yīng)力是沖擊速8.55 m/s峰值應(yīng)力的1.47倍，當(dāng)Wp=18%，T=-25℃時(shí)，沖擊速度18.05 m/s的峰值應(yīng)力是沖擊速度8.53 m/s峰值應(yīng)力的3.64倍。由于T=-25℃時(shí)試樣凍結(jié)溫度更低，硬度顯著提高，表現(xiàn)為試樣脆性特征更突出，峰值應(yīng)力隨加載速率增加而增大的趨勢(shì)越明顯，此時(shí)增大沖擊振幅試樣破壞更快；相反T=-15℃時(shí)試樣硬度較小、塑性較強(qiáng)，隨加載速率的增加峰值應(yīng)力的增長(zhǎng)不明顯，此時(shí)增加沖擊頻率試樣破壞更快。

當(dāng)Wp=18%，T=-35℃，P=0.3 MPa時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)分為4個(gè)階段，分別為壓密階段、彈性階段、塑性階段和應(yīng)變軟化階段。壓密階段試樣內(nèi)部原有張開(kāi)性結(jié)構(gòu)面或微裂隙緩慢壓密閉合，宏觀上呈現(xiàn)出早期非線(xiàn)性變形，曲線(xiàn)呈上凹型，此階段試樣橫向膨脹較小，試樣體積隨動(dòng)荷載增大而減小，此階段變形對(duì)裂隙化試樣來(lái)說(shuō)較明顯，而對(duì)堅(jiān)硬少裂隙的試樣則不明顯；彈性階段曲線(xiàn)近似直線(xiàn)型，反映試樣內(nèi)部孔隙進(jìn)一步被壓密；隨后應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)試樣進(jìn)入塑性階段，屈服點(diǎn)是試樣從彈性變形轉(zhuǎn)為塑形的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，相應(yīng)于該點(diǎn)的應(yīng)力為屈服應(yīng)力，進(jìn)入此階段后凍結(jié)水泥土材料發(fā)生不可逆的塑性變形，微裂隙量變的發(fā)展引發(fā)了試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)質(zhì)的變化，破裂結(jié)構(gòu)面不斷產(chǎn)生并演化直至試樣完全破壞，伴隨著體積應(yīng)變率的急速增大，試樣宏觀變形上由體積壓縮轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)容；塑性階段結(jié)束時(shí)達(dá)到峰值應(yīng)力，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，但試樣基本保持整體狀，此階段稱(chēng)為應(yīng)變軟化階段，本階段裂隙發(fā)展率增大到峰值，破壞結(jié)構(gòu)面交錯(cuò)、穿插且彼此聯(lián)結(jié)形成宏觀斷裂面，隨后試樣主要表現(xiàn)為宏觀斷裂面的塊體滑移，應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)呈負(fù)相關(guān)且斜率迅速增大，但應(yīng)變不斷增加的情況下應(yīng)力并未降到零，說(shuō)明試樣仍能保持一定的承載能力。見(jiàn)圖5。

2.3.2 凍結(jié)溫度對(duì)沖擊動(dòng)力學(xué)特性的影響

當(dāng)Wp=18%，P=0.3 MPa，凍結(jié)溫度-35℃、-25℃和-15℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力分別為8.73 MPa、24.85 MPa、37.44 MPa，最大應(yīng)變分別為0.0197、0.0197、0.0238。當(dāng)Wp=9%，P=0.4 MPa，凍結(jié)溫度-35℃、-25℃和-15℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力分別為7.24、19.65、19.95 MPa，最大應(yīng)變分別為0.0219、0.0251、0.0258。當(dāng)Wp=0%，P=0.3 MPa，凍結(jié)溫度-35℃、-25℃和-15℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力分別為2.03 MPa、5.34 MPa、9.22 MPa，最大應(yīng)變分別為0.0291、0.0286、0.0275。

當(dāng)Wp=0%，P=0.3 MPa，T=-15℃時(shí)試樣動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)經(jīng)歷彈性階段、塑形階段、應(yīng)變軟化階段和破壞階段，彈性階段試樣初始模量較大，抗變形能力較強(qiáng)，塑性階段內(nèi)部微裂隙由穩(wěn)定擴(kuò)展過(guò)度至失穩(wěn)擴(kuò)展，最終在峰值應(yīng)力點(diǎn)處發(fā)生宏觀破壞，隨后應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)經(jīng)歷一段很短的應(yīng)變軟化過(guò)程后快速下降，表明低溫狀態(tài)下水泥土由延脆性向脆性轉(zhuǎn)變。

凍結(jié)水泥土是一種非均質(zhì)的四相復(fù)合材料，由固體顆粒，液態(tài)水，氣體和冰組成，呈現(xiàn)出明顯的各向異性。隨著溫度的降低試樣未凍水含量逐漸減小，土體內(nèi)部顆粒之間凍脹力逐漸增大，水泥水化熱反應(yīng)減弱，試樣峰值應(yīng)力隨溫度的降低而逐漸減小，表現(xiàn)出較強(qiáng)的溫度效應(yīng)，土樣隨著溫度降低而變脆，破壞形態(tài)由塑性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈?。?jiàn)圖6。

2.3.3 水泥摻量對(duì)沖擊動(dòng)力學(xué)特性的影響

當(dāng)P=0.3 MPa，T=-15℃，水泥摻量分別為0%、9%、18%時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力分別為4.67 MPa、5.97 MPa、8.69 MPa，最大應(yīng)變分別為0.0272、0.0263、0.0258，水泥摻量分別為9%和18%時(shí)，此條件下凍結(jié)水泥土的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)均可分為彈性階段、塑性階段和破壞階段；摻水泥凍結(jié)土試樣的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度均高于不摻水泥的凍結(jié)土試樣，呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)力強(qiáng)化特征，土樣動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加而增大；但是最終的壓縮應(yīng)變不會(huì)隨水泥摻量的增加而變化，并且不同水泥摻量的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)都顯示出明顯的應(yīng)變匯聚現(xiàn)象。

當(dāng)P=0.4 MPa，T=-25℃，水泥摻量分別為0%、9%、18%時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力分別為8.69 MPa、15.63 MPa、18.47 MPa，最大應(yīng)變分別為0.0104、0.0186、0.0234，水泥摻量為9%和18%的凍結(jié)水泥土最大應(yīng)力分別為水泥摻量為0%的1.8倍和2.12倍，增幅分別為79.86%和112.54%。當(dāng)P=0.3 MPa，T=-35℃，水泥摻量分別為0%、9%、18%時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力分別為13.69 MPa、20.27 MPa、31.41 MPa，最大應(yīng)變分別為0.0182、0.0165、0.0180，水泥摻量為9%和18%的凍結(jié)水泥土最大應(yīng)力分別為水泥摻量為0%的1.49倍和2.29倍，增幅分別為48.06%和129.43%。這是因?yàn)樗?、水及土中礦物質(zhì)發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)生成的膠結(jié)體填充了土樣微裂隙，土體骨架間的咬契力和摩擦力增大，凍結(jié)水泥土試樣在動(dòng)荷載下的抗變形能力增強(qiáng)，試樣峰值強(qiáng)度增大。見(jiàn)圖7。

3 結(jié)論

通過(guò)凍結(jié)水泥固化土SHPB沖擊力學(xué)實(shí)驗(yàn)及其各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)分析，重點(diǎn)研究?jī)鼋Y(jié)水泥土動(dòng)態(tài)破壞影響因素與變形演化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

(1)隨著溫度降低、沖擊速度和水泥摻量增加，凍結(jié)水泥土黏塑性破壞特征逐漸減弱，破壞形態(tài)由張拉剪切破壞逐漸向整體壓碎過(guò)渡，破碎結(jié)構(gòu)由錐形體劈裂結(jié)構(gòu)逐漸向片狀層裂結(jié)構(gòu)和塊狀碎裂結(jié)構(gòu)發(fā)展。

(2)在凍結(jié)溫度和水泥摻量確定的情況下，隨著沖擊速度增加，凍結(jié)水泥土破壞峰值應(yīng)力逐漸增大，且溫度越低凍結(jié)水泥土硬度越大、脆性越高，峰值應(yīng)力隨加載速率增長(zhǎng)越明顯。

(3)在沖擊速度和水泥摻量一定時(shí)，凍結(jié)水泥土隨著溫度的降低，破壞狀態(tài)由塑性破壞逐漸向脆性破壞轉(zhuǎn)變，其峰值應(yīng)力也隨溫度降低而逐漸減小，表現(xiàn)出較強(qiáng)的溫度效應(yīng)。

(4)當(dāng)沖擊速度和凍結(jié)溫度確定時(shí)，凍結(jié)水泥土的破壞強(qiáng)度均高于原狀土凍土，且破壞強(qiáng)度與水泥摻量成正比例關(guān)系，呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)力強(qiáng)化特征。