測(cè)試圍壓條件下水泥固化海泥應(yīng)力 - 應(yīng)變模型

邊曉亞, 程宇熙

(武漢工程大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

隨著沿海城市的快速發(fā)展，許多沿海城市開展大規(guī)模的河湖淤泥疏浚工作，且力度逐年加大[1]，淤泥的處理也成為沿海城市重大難題之一，給沿海地區(qū)帶來了巨大的環(huán)境問題和經(jīng)濟(jì)壓力[2]。為解決上述問題，日本工程界發(fā)展了一種新的圍海墾地工作模式，即將原狀海泥、水與低劑量固化劑(水泥等)混合形成水泥固化流塑態(tài)填料并通過泵送管道直接澆注到墾地區(qū)域，待海泥 - 水 - 固化劑混合物硬化之后，便形成了滿足一定工程力學(xué)指標(biāo)的建筑場(chǎng)地SDF(Standard Delay Format)技術(shù)。

水泥固化黏土技術(shù)早已受到巖土界的關(guān)注，大量學(xué)者對(duì)其強(qiáng)度影響因素及其特性進(jìn)行了研究，如吳燕開等[3]得出了固化土在不同離子濃度的海水和蒸餾水養(yǎng)護(hù)條件下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律；Pongsivasathi等[4]研究了水泥摻量對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響；Yin等[5]發(fā)現(xiàn)，對(duì)于飽和水泥固化黏土，含水率對(duì)強(qiáng)度有顯著影響。本文以SDF技術(shù)中的“低摻量水泥固化高含水率黏土(HW-CSC,High Water Content-Cement Stabilized Clay)”為對(duì)象開展研究，一些學(xué)者已對(duì)HW-CSC的強(qiáng)度特性開展了研究，如張春雷等[6～8]研究了不同水灰比以及養(yǎng)護(hù)壓力對(duì)HW-CSC試樣強(qiáng)度的影響；章榮軍等[9]研究了養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)HW-CSC強(qiáng)度的影響；李建軍等[10～13]提出了不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間、不同含水量與水泥摻量配合比下HW-CSC的強(qiáng)度發(fā)展情況。上述系列研究成果可認(rèn)為是當(dāng)前水泥固化土強(qiáng)度因素影響研究的代表性成果，但其對(duì)水泥固化黏土的變形特性研究較少。

另外，也有學(xué)者針對(duì)傳統(tǒng)水泥固化土本構(gòu)模型，包括水泥固化黏土應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系開展了研究，Santoso等[14]利用多變量正態(tài)模型對(duì)SDF的強(qiáng)度特性進(jìn)行概率估計(jì)，證明了模型的可行性。朱劍鋒等[15]提出了一個(gè)能涵蓋固化劑摻量影響并能實(shí)現(xiàn)應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系轉(zhuǎn)型的鎂質(zhì)水泥固化土本構(gòu)模型。Mollamahmutoglu等[16]研究了濕養(yǎng)護(hù)和風(fēng)干條件下超細(xì)水泥穩(wěn)定黏性土不同時(shí)間間隔的抗剪強(qiáng)度參數(shù)和應(yīng)力 - 應(yīng)變特性。

由于HW-CSC具有水泥劑量少、攪拌不均等特征，傳統(tǒng)的本構(gòu)模型不適用于HW-CSC材料，而且測(cè)試圍壓的影響，也是應(yīng)用HW-CSC所必須考慮的因素。針對(duì)上述情況，本文擬利用海泥開展室內(nèi)試驗(yàn)研究，通過分析試驗(yàn)結(jié)果，提出適合不同測(cè)試圍壓條件下HW-CSC材料的應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系統(tǒng)一模型，并分析測(cè)試圍壓對(duì)于HW-CSC材料應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系模型的影響，開展這些工作將有助于弄清測(cè)試圍壓對(duì)HW-CSC材料強(qiáng)度和變形的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料及步驟

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)主要材料有海泥、水、水泥，其中海泥取自溫州地區(qū)淺海區(qū)域上層的海泥，其力學(xué)特性指標(biāo)為：比重為2.69、液限為53.7%、塑限為26.5%、有機(jī)質(zhì)含量為4.41%、砂粒含量(0.075～2 mm)為14.9%、粉粒含量(0.002～0.075 mm)為79.5%、黏粒含量(<0.002 mm)為5.6%、USCS(Unified Soil Classification System)土壤分類為可塑性黏土。

試驗(yàn)所用水泥是工程上常用的早強(qiáng)復(fù)合硅酸鹽水泥，即PC 32.5R水泥。

1.2 試驗(yàn)步驟

(1)將內(nèi)徑36 mm的塑料管分割成80 mm一段，內(nèi)壁抹上凡士林，一端用透明膠帶封住，作為HW-CSC的模具。

(2)按照?qǐng)D1所示的配合比分布范圍及海泥的天然含水量計(jì)算出所需水泥和水的質(zhì)量。

(3)將計(jì)算確定的水和水泥按次序加入海泥中，并將水泥土攪拌均勻。

(4)分3～4層用抹刀將HW-CSC裝入塑料管中，每層經(jīng)充分震動(dòng)排出管內(nèi)空氣后，再裝下一層，重復(fù)直至裝滿，裝滿后將上表面用抹刀刮平。

(5)將裝好的模具放入自封袋中，排出袋內(nèi)空氣封口，將自封袋放入裝滿水的桶中浸沒，放置于實(shí)驗(yàn)室[溫度20±3 ℃，濕度>80%]養(yǎng)護(hù)，待其達(dá)到設(shè)計(jì)齡期，進(jìn)行脫模。

(6)將脫模后的試樣兩端用切土刀修整，使試樣兩端面垂直于軸線，高度為直徑的兩倍。

(7)將脫模后的試樣放入三軸儀中，設(shè)置相應(yīng)測(cè)試圍壓(擬設(shè)置4種情況圍壓：20，40，60，80 kPa)，開始測(cè)試其抗壓強(qiáng)度。

(8)操作過程嚴(yán)格按照規(guī)范JIS A1216：2009執(zhí)行[17]。

圖1 試樣配合比分布范圍

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 HW-CSC試樣的應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系基本規(guī)律

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中選取有代表性的95組HW-CSC應(yīng)力 - 應(yīng)變的數(shù)據(jù)，其應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系如圖2所示。

圖2 95組HW-CSC應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系

由圖2分析可得，HW-CSC極限強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的極限應(yīng)變有一些在2%左右(大致分布于1%～3%之間)，也有很多大于3%，這與沒有施加測(cè)試圍壓的HW-CSC試樣有所不同。當(dāng)HW-CSC強(qiáng)度較大時(shí)，其在達(dá)到屈服強(qiáng)度前的增長(zhǎng)速率非?？欤瑯O限應(yīng)變也非常小。在達(dá)到屈服強(qiáng)度之后，強(qiáng)度迅速下降，從測(cè)試完畢試樣的破壞形式來看，大部分表現(xiàn)為脆性破壞。

當(dāng)HW-CSC的強(qiáng)度較小時(shí)，其應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)龃蟮乃俾屎苈?，極限應(yīng)變也變得很大。在達(dá)到極限強(qiáng)度之后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線在極限強(qiáng)度附近處于類波動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)其破壞試樣的形式來看，低強(qiáng)度的HW-CSC表現(xiàn)為一種延性破壞。

從上述試樣應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系曲線的特性來分析，施加不同測(cè)試圍壓所得到的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線趨勢(shì)基本相同，可以定性推斷，能夠找到一個(gè)統(tǒng)一形式的函數(shù)來描述HW-CSC屈服之前的應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系。

2.2 不同測(cè)試圍壓下HW-CSC試樣的應(yīng)力-應(yīng)變模型比較

2.2.1 擬合分析

篩選出擬合程度較理想的模型，有利于后期比選出一個(gè)適合所有測(cè)試圍壓條件下的應(yīng)力 - 應(yīng)變函數(shù)模型。

將4種測(cè)試圍壓的HW-CSC應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線進(jìn)行模型擬合分析，最終篩選出了4種擬合度較高的模型，如表1所示。

表1 四種擬合模型

2.2.2 擬合效果比較

對(duì)選出的4種模型進(jìn)行模型比對(duì)，篩選出最合適的函數(shù)模型。模型對(duì)比時(shí)，只需要比較兩個(gè)模型AIC值的大小，AIC值越小表示模型擬合越好，正確的可能性也就越高。例如，如果模型2的擬合效果比模型3的擬合效果好，將結(jié)果記為2>3。重復(fù)上述步驟，得出4種測(cè)試圍壓下，4種模型對(duì)于HW-CSC應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線模擬的比較結(jié)果如表2所示。

表2 四種模型對(duì)95組HW-CSC應(yīng)力 - 應(yīng)變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)的擬合比較結(jié)果

從表2分析得出，4種模型的擬合程度準(zhǔn)確性從大到小為：Extreme>Gaussian>Giddings>Gauss。經(jīng)過上述分析可以得出，Extreme模型的準(zhǔn)確性在4種模型里面是最高的，而且Extreme模型形式比較簡(jiǎn)單，是合適的擬合函數(shù)。

上述結(jié)果表明，Extreme模型精度高且形式較為簡(jiǎn)單，宜選用Extreme模型來擬合HW-CSC的應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系。因此，可以將HW-CSC的應(yīng)力 - 應(yīng)變函數(shù)關(guān)系模型表述為：

(1)

2.3 HW-CSC應(yīng)力 - 應(yīng)變擬合模型中各參數(shù)分布特征

為研究模型Extreme中4個(gè)參數(shù)對(duì)HW-CSC應(yīng)力和應(yīng)變的影響，將模型Extreme下，95組數(shù)據(jù)的參數(shù)y0，xc，w，A提取出來，并將95組數(shù)據(jù)的極限強(qiáng)度和極限應(yīng)變一一列出。根據(jù)列出的數(shù)據(jù)，給出4個(gè)模型參數(shù)的分布特征圖(圖3)。進(jìn)一步將95組數(shù)據(jù)按極限強(qiáng)度大小排序畫出參數(shù)y0，xc，w，A的分布圖(圖3a)。再按照極限應(yīng)變大小排序，給出4個(gè)參數(shù)的分布圖(圖3b)。

圖3 模型參數(shù)散點(diǎn)分布特征

將95組試樣分別按極限強(qiáng)度和極限應(yīng)變大小排序，圖3a和圖3b分別給出了4個(gè)模型參數(shù)的散點(diǎn)分布情況(橫坐標(biāo)序號(hào)與相應(yīng)極限強(qiáng)度和極限應(yīng)變大小順序一致)。由圖3a和圖3b可以得知：參數(shù)y0隨著HW-CSC應(yīng)力的增大而增大，隨著應(yīng)變的增大也基本呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，但增長(zhǎng)速度緩慢；參數(shù)xc和w在隨應(yīng)力增長(zhǎng)圖像中沒有明顯規(guī)律，趨于平緩；而在隨著應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)的時(shí)候，基本呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)；參數(shù)A大致隨著應(yīng)力與應(yīng)變的增加而減小。

由上述分析可知，4個(gè)參數(shù)對(duì)于HW-CSC應(yīng)力 - 應(yīng)變的影響為：

(1)分析式(1)和圖3可知，參數(shù)xc和w主要控制著函數(shù)達(dá)到峰值時(shí)所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)，即為HW-CSC試樣的極限應(yīng)變值。

(2)參數(shù)y0和A主要控制著函數(shù)的縱坐標(biāo)，即為試樣所對(duì)應(yīng)的極限應(yīng)力的值。

(3)參數(shù)y0，xc，w，A基本都對(duì)函數(shù)的極限應(yīng)變有影響，其中影響最大的是參數(shù)xc和w，極限應(yīng)變隨著這兩個(gè)參數(shù)的增大而快速增加。參數(shù)y0對(duì)于極限應(yīng)變的影響很小，但基本呈現(xiàn)斜率較小的正比例關(guān)系。參數(shù)A與極限應(yīng)力呈現(xiàn)負(fù)斜率的正比例關(guān)系。所以極限應(yīng)力隨y0的增加而增加，隨A的減小而增加。

2.4 測(cè)試圍壓對(duì)模型參數(shù)的影響

圖4～圖7分別給出了20 kPa(共23組數(shù)據(jù))、40 kPa(共24組數(shù)據(jù))、60 kPa(共24組數(shù)據(jù))、80 kPa(共24組數(shù)據(jù))等4種測(cè)試圍壓下參數(shù)y0，xc，w，A的分布情況。

圖4 四種測(cè)試圍壓下參數(shù)y0的分布

圖5 四種測(cè)試圍壓下參數(shù)xc的分布

圖6 四種測(cè)試圍壓下參數(shù)w的分布

圖7 四種測(cè)試圍壓下參數(shù)A的分布

由圖4～7可知：參數(shù)y0隨著測(cè)試圍壓的增大而增加；參數(shù)xc隨著測(cè)試圍壓的增加先增加后減小，40 kPa測(cè)試圍壓時(shí)，xc值最大，40 kPa之后逐漸減小；參數(shù)w與xc趨勢(shì)相同；A隨著測(cè)試圍壓的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

2.5 測(cè)試圍壓對(duì)HW-CSC試樣應(yīng)力 - 應(yīng)變模型的影響

通過分析應(yīng)力 - 應(yīng)變模型參數(shù)y0，xc，w，A的分布特征以及圍壓對(duì)參數(shù)y0，xc，w，A的影響，可以得出圍壓對(duì)應(yīng)力 - 應(yīng)變模型的影響，即：

(1)參數(shù)y0和參數(shù)A主要是控制HW-CSC的極限應(yīng)力，參數(shù)xc和參數(shù)w主要控制HW-CSC的極限應(yīng)變。

(2)測(cè)試圍壓通過影響參數(shù)y0和A從而間接影響模型中HW-CSC的極限應(yīng)力，測(cè)試圍壓越高，極限應(yīng)力越大。

(3)測(cè)試圍壓通過影響參數(shù)xc和w來間接影響模型中HW-CSC的極限應(yīng)變，測(cè)試圍壓在小于40 kPa的時(shí)候，對(duì)試樣的極限應(yīng)變有促進(jìn)作用；測(cè)試圍壓在大于40 kPa時(shí)，對(duì)試樣的極限應(yīng)變有抑制作用。xc和w兩個(gè)參數(shù)與含水率對(duì)HW-CSC的強(qiáng)度影響基本相同。而40 kPa測(cè)試圍壓的時(shí)候，參數(shù)xc和w達(dá)到最大值。因此隨著測(cè)試圍壓的增加，極限應(yīng)變先增加后減小。

(4)測(cè)試圍壓的增大可以使得參數(shù)y0增大，A減小，從而提高HW-CSC的極限應(yīng)力。因此y0與水泥摻量和齡期對(duì)HW-CSC極限應(yīng)力變化的影響是一致的；而A與含水率一樣都對(duì)HW-CSC極限應(yīng)力變化起消極作用。同時(shí)測(cè)試圍壓的增大使得xc和w先增大后減小，但從總的分析結(jié)果來看，測(cè)試圍壓的增大導(dǎo)致HW-CSC強(qiáng)度增加。

(5)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，施加測(cè)試圍壓對(duì)HW-CSC試樣強(qiáng)度有促進(jìn)作用，而測(cè)試圍壓在小于40 kPa時(shí)，對(duì)試樣的強(qiáng)度促進(jìn)效果較低，而測(cè)試圍壓大于40 kPa時(shí)，測(cè)試圍壓對(duì)HW-CSC試樣強(qiáng)度促進(jìn)效果較高。因此，施加測(cè)試圍壓大于40 kPa對(duì)HW-CSC試樣的強(qiáng)度促進(jìn)效果更好。

3 結(jié) 論

(1)基于室內(nèi)三軸試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)HW-CSC試樣的應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行研究，通過定性與定量分析，最終確定了精度較高、形式較為簡(jiǎn)單的Extreme函數(shù)模型來擬合HW-CSC的應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系。

(2)Extreme函數(shù)存在4個(gè)參數(shù)y0，xc，w，A，通過進(jìn)一步研究得出每個(gè)參數(shù)具體對(duì)應(yīng)力 - 應(yīng)變模型的影響，經(jīng)過分析，參數(shù)y0增大，A減小會(huì)使HW-CSC的極限應(yīng)力增大；參數(shù)xc和w增大，HW-CSC的極限應(yīng)變會(huì)增大。

(3)隨著測(cè)試圍壓的增加，極限應(yīng)力不斷增大。而隨著測(cè)試圍壓的增大，極限應(yīng)變是先增大后減小，其峰值出現(xiàn)在圍壓為40 kPa的時(shí)候。因此，建議在實(shí)驗(yàn)中對(duì)HW-CSC試樣施加的測(cè)試圍壓大于40 kPa。