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第 55 卷第 2 期2024 年 2 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.55 No.2Feb. 2024三轴剪切条件下水泥胶结砂声发射特征信息演化规律研究刘昂1, 2，张尔康1，林文丽3(1. 南京工业大学 交通运输工程学院，江苏 南京，211816；2. 南京智慧岩土工程技术研究院有限公司，江苏 南京，211899；3. 东南大学 交通学院，江苏 南京，211189)摘要：结合声发射(AE)传感装置开展考虑水泥掺入比、围压等条件的水泥胶结砂排水三轴试验。
研究结果表明：水泥胶结砂的AE 特征信息演化规律与应力−应变曲线具有较好的对应性；累计AE 事件随水泥掺入比的增大而减小，这与水化物的增加抑制了砂颗粒间滑移密切相关；随围压增大，累计AE 事件增大，同时促进了AE 信号在介质中的传播和胶结的断裂；随着水泥掺入比增加、围压降低，水泥胶结砂破坏形态由鼓胀破坏逐渐向剪切带破坏过渡。
关键词：声发射；水泥胶结砂；水泥掺入比；三轴剪切；破坏模式中图分类号：TU411 文献标志码：A 文章编号：1672-7207（2024）02-0618-10Evolution of acoustic emission characteristic of cemented sandsubjected to triaxial compression testsLIU Ang 1, 2, ZHANG Erkang 1, LIN Wenli 3(1. College of Transportation Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China;2. Nanjing Intelligent Geotechnical Engineering Technology Research Institute, Nanjing 211899, China;3. School of Transportation, Southeast University, Nanjing 211189, China)Abstract: A series of drained triaxial compression tests, incorporated with acoustic emission(AE) measurement system, were conducted on cemented sands with various cement mixing ratios under different confining stresses. The results show that the evolution of AE characteristic information of cement-bonded sand has a good correspondence with the stress-strain curve. The cumulative AE hits linearly decrease with the increase of cement收稿日期： 2023 −04 −05； 修回日期： 2023 −06 −01基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(42102319)；江苏省自然科学基金资助项目(BK20210259)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2242022k30055) (Project(42102319) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(BK20210259) supported by the Natural Science Foundation of Jiangsu Province; Project (2242022k30055) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities)通信作者：林文丽，博士，副教授，从事岩土材料宏微观力学特性、声发射智能感测技术在岩土工程中的应用等研究；E-mail ：****************.cnDOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2024.02.015引用格式： 刘昂, 张尔康, 林文丽. 三轴剪切条件下水泥胶结砂声发射特征信息演化规律研究[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2024, 55(2): 618−627.Citation: LIU Ang, ZHANG Erkang, LIN Wenli. Evolution of acoustic emission characteristic of cemented sand subjected to triaxial compression tests[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2024, 55(2): 618−627.第 2 期刘昂，等：三轴剪切条件下水泥胶结砂声发射特征信息演化规律研究mixing ratio, attributed to the restraining effect of the hydration products on micromechanical behaviors dominated by the frictional sliding of sand particles. While the cumulative AE events increase with the increase of confining stress, primarily due to the higher confining stress promoting the propagation of the AE signal in the medium and the fracture of the cementation. The failure pattern of cemented sand gradually shifts from bulging failure to shear band failure with the increased cement mixing ratio and decreased confining stress.Key words: acoustic emission; cemented sand; cement mixing ratio; triaxial compression tests; failure pattern国家“一带一路”“海洋强国”等国家重大战略的实施推动了一大批重大工程建设。
33总174期 2023.12 混凝土世界引言混凝土是一种广泛应用于工程结构中的复合材料，其在动态荷载作用下的力学性能与静态荷载作用下的力学性能有显著差异，因此研究混凝土的动态本构关系对于理解和预测混凝土结构在冲击、爆炸等极端条件下的响应和破坏具有重要意义。
为描述混凝土在高应变率下的非线性、各向异性、损伤和孔隙压实等特征，许多学者提出了不同的动态本构模型，如HJC模型、RHT模型、TCK模型等。
其中，RHT模型是由Riedel、Hiermaier和Thoma提出的一种基于损伤力学和孔隙压实理论的混凝土本构模型，其具有形式简单、参数少、适用范围广等优点[1]。
钢渣是一种由高炉冶炼铁或转炉精炼钢时产生的副产品，其主要成分为氧化铁、氧化硅、氧化铝、氧化钙等[2]，具有良好的物理力学性能和耐久性能，可作为混凝土中骨料或水泥的替代材料使用，从而提高混凝土的强度、耐久性和抗渗性，实现钢渣的资源化利用，减少环境污染[3-6]。
然而，目前对钢渣混凝土在动态荷载作用下的力学性能和本构关系的研究还较少，尚缺乏适用于钢渣混凝土的RHT动态本构模型。
因此，本文首先通过力学试验获得不同掺量钢渣混凝土的静态力学性能参数，包括轴心抗压强度、弹性模收稿日期：2023-9-13第一作者：常银会，1997年生，硕士，主要从事固废混凝土的研究与应用相关工作，E-mail：****************项目信息：宁夏回族自治区重点研发计划“煤电与冶金多固废协同高效制备绿色高性能混凝土关键技术与规模化应用”（2022BDE02002）基于RHT本构模型的钢渣混凝土SHPB模拟研究常银会 楚京军 侯 荣 刘亚娟宁夏赛马科进混凝土有限公司 宁夏 银川 750000摘 要：本文采用试验和数值模拟相结合的方法，对钢渣混凝土的静力学性能和冲击动力学性能展开研究。
在试验部分，制备了四种不同钢渣掺量（0%、25%、35%、45%）的混凝土试件，并对其抗压强度和抗拉强度进行测试。
《污染对水泥土影响的力学试验及其损伤本构模型研究》篇一一、引言随着工业化的快速发展，环境污染问题日益突出，尤其是对建筑工程中使用的水泥土材料的影响不容忽视。
水泥土作为常见的建筑材料，其性能的稳定性和持久性直接关系到建筑的安全性和使用寿命。
因此，研究污染对水泥土的力学性能影响及其损伤本构模型具有重要的现实意义。
本文通过力学试验，探讨了污染对水泥土的影响，并建立了相应的损伤本构模型。
二、试验材料与方法1. 试验材料试验所需材料包括水泥、土壤、污染物等。
其中，水泥和土壤的来源、性质和比例需严格控制，以保证试验结果的准确性。
污染物种类包括重金属、有机物等，根据实际需要选择适当的污染物进行试验。
2. 试验方法（1）制备不同污染程度的水泥土试样；（2）进行力学性能测试，包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量等；（3）观察试样在受力过程中的变形、裂纹扩展等情况；（4）建立损伤本构模型，分析污染对水泥土力学性能的影响。
三、试验结果与分析1. 力学性能测试结果通过力学性能测试，发现污染对水泥土的抗压强度、抗拉强度、弹性模量等均有不同程度的影响。
随着污染程度的加重，水泥土的力学性能逐渐降低。
2. 变形与裂纹扩展分析在受力过程中，水泥土试样出现明显的变形和裂纹扩展。
污染会使试样的变形和裂纹扩展速度加快，导致试样破坏的提前发生。
3. 损伤本构模型建立与分析基于试验结果，建立污染条件下水泥土的损伤本构模型。
该模型能够反映污染对水泥土力学性能的影响，为评估建筑物的安全性和使用寿命提供依据。
通过分析发现，污染会导致水泥土的损伤阈值降低，损伤演化速率加快。
四、损伤本构模型研究1. 模型构建根据试验结果，建立污染条件下水泥土的损伤本构模型。
该模型包括损伤变量、应力-应变关系、损伤演化规律等方面。
通过合理的参数设置，使模型能够准确反映污染对水泥土力学性能的影响。
2. 模型验证为验证模型的准确性，进行了一系列的验证试验。
通过对比试验结果与模型预测值，发现该模型能够较好地反映污染条件下水泥土的力学性能。
水泥固化锌离子污染土力学特性试验研究作者：韩环立来源：《装饰装修天地》2019年第09期摘; ; 要：在重金属污染场地，使用水泥固化重金属获得了非常好的处治效果，重金属离子不同，化学性质也具有一定的差别，同时固化物理力学存在的性质也具有差异化。
文章根据锌离子污染土力学特性，通过试验研究了不同浓度下污染物加入土样强度与压缩特点，运用不同的掺量测试了土样强度以及压缩特点，并对其水泥实施了固化处理，来查看其效果。
关键词：污染土;重金属;水泥固化;无侧限抗压强度;压缩特性1; 前言受到工业和人类生产活动的影响，环境问题变的非常严重。
和大气污染、水体污染等一样，土体遇到的重金属污染也逐渐变得严重起来，造成土体污染非常多，是因为工业废水中有许多重金属离子，当土体遭到重金属废料污染之后，将会改变物理力学性质，造成建筑物的破坏。
文章根据施工现场淤泥质土样，配置了重金属污染土，以便掌握好水泥掺量和重金属浓度，查看在试验条件下，锌离子的固化强度与压缩特点。
2; 水泥固化锌污染力学概述当前，我国土体污染非常多，都是由于工业废水中，具有许多重金属离子导致的，土体中遭到重金属离子废料污染之后，被金属污染后的地基会因为土体性质的改变，造成建筑物发生破坏。
在一些老厂房改造中，地基被废液污染之后，会导致建筑物破坏事故[1]。
土体一旦被重金属所污染之后，便会造成桩基等地下结构导致直接被金属离子污染，非常影响地下结构持续性，影响正常使用寿命。
为工程安全和使用带来非常大的隐患，通过研究可以得知，水泥材料和许多废弃物间拥有兼容行，可以导致许多液体废弃和水泥产生化学反应，从而使得水泥固体拥有非常好的结构和力学特性以及较低的渗透性，达到预防污染物扩散的效果。
水泥固化污染土成本低且施工快，在工程中得到了大范围运用。
针对水泥固化污染土的力学研究，我国也系统性地研究了水泥固化重金属Pb离子污染土相应的能力，对Pb离子污染土处治提供了参考。
另外，试验结果都是根据单一变量对某土体性质实施分析，没有将发展规律系统化与定量化。
水泥土强度特性和损伤本构模型研究作者：陈鑫张泽李东庆来源：《湖南大学学报·自然科学版》2020年第07期摘要：为探究围压对水泥土强度特性的影响以及建立不同围压影响下的损伤本构模型，开展室温和冻结状态不同围压下三轴剪切试验. 考察了围压对水泥土力学参数的影响规律，建立能够反映出低围压对冻结水泥土强度的强化作用和高围压的弱化作用的修正Hoek-Brown强度准则. 假设水泥土微元强度的分布规律服从双参数的Weibull函数，基于Hoek-Brown强度准则和其修正形式分别确定室温和冻结状态下水泥土微元强度，建立了考虑围压的统计损伤本构模型. 结果表明，基于Hoek-Brown强度准则和其修正形式建立的损伤本构模型能够较好地描述室温和冻结状态下水泥土应力-应变曲线，且能够反映出冻结状态水泥土低围压下的应变软化现象与高围压下的应变硬化现象. 室温状态时不同围压下损伤变量随轴向应变变化曲线形状相似，均随轴向应变增加呈“S”型单调递增. 冻结状态下低围压抑制水泥土损伤劣化程度;高围压使其损伤劣化程度增加，在轴向应变很小时，损伤变量就达到较大值.关键词：水泥土;强度;应力应变关系;Hoek-Brown强度准则;损伤本构模型中图分类号：TU443 文献标志码：AAbstract：In order to investigate the influence of confining pressure on strength characteristics of cemented soil and establish a damage constitutive model under different confining pressures，triaxial shear tests under different confining pressures at room temperature and freezing state were carried out. The influence of confining pressure on mechanical parameters of cement soil was investigated. A modified Hoek-Brown strength criterion which can reflect the strengthening effect of low confining pressure and the weakening effect of high confining pressure on the strength of frozen cement soil was established. It is assumed that the distribution law of cement soil micro-element strength obeys the two-parameter Weibull function. Based on the Hoek-Brown strength criterion and its modified form， the micro-element strength of cement soil at room temperature and frozen state is determined， respectively， and the statistical damage constitutive model considering the influence of confining pressure is established. The results show that the damage constitutive model based on Hoek-Brown strength criterion and its modified form can describe the stress-strain curves of cement soil at room temperature and freezing state， and can reflect the strain softening phenomenon under low confining pressure and strain hardening phenomenon under high confining pressure. Under different confining pressures at room temperature， the damage variables change with the axial strain in a similar shape， showing a monotonic "S" pattern as the axial strain increases. Low confining pressure inhibits the damage and deterioration of cement soil under freezing condition. High confining pressure increases the degree of damage deterioration， and the damage variable reaches a larger value when the axial strain is very small.Key words：cement soil;strength;stress-strain relationship;Hoek-Brown strengthcriterion;damage constitutive model地层改良是冻结法施工中防治冻胀融沉的重要措施[1-2]，如港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道口岸暗挖段采用管幕冻结作为预支护时，对管幕周边采用预先注浆土体改良法来控制冻土帷幕的冻胀融沉[3]. 改良土体在冻结法实施期间处于冻结状态. 此外，地层改良广泛应用于季节冻土区和多年冻土区的路基工程和深基础工程中[4-5].寒区地表存在着一层冬冻夏融的冻结-融化层，改良土暴露于自然环境下，每年都有很长的时间处于冻结状态. 为促进地层改良在控制冻胀融沉和寒区工程建设中的推广应用，就有必要深入系统研究改良土的力学特性，尤其是对处于冻结状态下的改良土力学特性的研究.水泥是地层改良中广泛使用的固化剂，把水泥掺加到地基中，使水泥与地基土发生物理、化学反应，从而使地基土得到固化形成水泥土. 国内谭丽华[6]最先对冻结水泥土的单轴抗压强度进行研究，考察了土性、水泥掺量、温度对冻结水泥土单轴抗压强度、弹性模量和泊松比的影响. 随后胡俊等学者[7-9]也对冻结水泥土的单轴抗压强度进行了研究，考察的因素主要有土性、水泥掺量、温度、养护龄期、水灰比. 已有研究结果均表明水泥土的单轴抗压强度随温度降低和水泥掺量增加而增大，随养护龄期的增加也呈增大趋势，王许诺等[10]还对各影响因素的重要性进行了研究，指出温度对水泥土力学特性影响最大. 于学敏[11]通过室内直剪试验研究了含水量、水灰比、养护时间、温度对注浆、冻结后粉细砂抗剪强度的影响，给出了各因素与试样抗剪强度值之间的关系. 游小锋等[12]通过一系列低温三轴剪切试验研究了冻结温度、水灰比、含水量、养护时间、围压对冻结水泥土抗剪强度及割线模量的影响，结果表明抗剪强度与割线模量均随冻结温度降低而增大，与水灰比、含水量、养护时间呈正比关系. 张向东等[13]首先通过室内单轴压缩试验及冻胀量确定出风积砂中最优水泥掺量，通过动力循环试验研究了水泥改良风积砂在负温下的动力参数. 牛亚强等[14]对黄土、水泥改良黄土及石灰改良黄土进行了-6 ℃下的三轴压缩试验，围压取1～15 MPa，研究了围压对冻结黄土和冻结改良黄土的强度和变形特性的影响，建立了能够描述冻结黄土及冻结改良黄土的强度随围压变化的非线性莫尔-库仑强度准则.从以上研究可以看出，目前关于冻结状态下水泥土强度的研究主要集中在单轴抗压强度方面，对其三轴抗剪强度的研究较少，且同样是考察归纳各因素对其强度的影响规律，研究深度不足. 岩土材料的变形破坏过程就是损伤不断累积的过程. 张土乔[15]考虑到水泥土的应力-应变关系受水泥掺量、养护龄期、围压的影响表现出不同特征，基于连续介质损伤力学建立了能够反映水泥土加工软化、加工硬化和脆性三种应力-应变特征的损伤本构模型和损伤变量演化方程. 童小东等[16]基于连续介质损伤力学和不可逆热力学理论建立了水泥土弹塑性正交各向异性损伤本构模型，陈慧娥[17]在此基础上考虑有机质的影响，建立了耦合有机质作用的损伤变量演化方程. 王立峰等[18]在应力主轴与材料主轴重合且在加载过程中保持不变的假定前提下建立了损伤本构模型，通过单轴加卸载試验确定了模型中参数.以上关于水泥土损伤本构模型的研究均是基于室温状态，考虑到目前对冻结状态下水泥土受荷损伤特征研究较少，本文首先进行了室温和冻结状态时不同围压下水泥土三轴剪切试验（室温状态作为对照），考察了围压对水泥土力学参数影响规律，建立了能够反映出低围压对冻结水泥土强度的强化作用和高围压的弱化作用的修正Hoek-Brown强度准则. 之后假设水泥土微元强度的分布规律服从双参数的Weibull函数，基于非线性的Hoek-Brown强度准则和其修正形式分别确定室温和冻结状态下水泥土微元强度F，损伤本构模型中的参数通过室温和冻结状态下三轴试验数据确定，最后利用围压对Weibull函数中的形状参数和尺度参数进行修正，建立了考虑围压的统计损伤本构模型，通过与试验曲线对比讨论其适用性. 最后讨论了损伤变量随轴向应变和围压的演化规律.1 三轴剪切试验方案1.1 试样制备试验用土取自兰州市，其基本物理性质指标：最优含水量为16.2%，最大干密度为1.74 g/cm3，塑限wP = 15.6%，液限wL = 27.7%，塑性指数IP = 12.1. 土样的颗粒级配曲线如图1所示.试验所用水泥为青海水泥有限公司生产的昆仑山PC32.5. 将试验所用土样风干、碾压、过2 mm筛，测定过筛后土样的含水率. 根据《水泥土配合比设计规程》（JGJ/T233—2011）中规定的水泥掺量范围3%～25%[19]，同时参考相关文献研究取值[20]，试验设计水泥土中水泥掺量取15%，初始含水量为22.2%，初始干密度为1.6 g/cm3. 制样时先根据水泥掺量计算出所需的干土和水泥质量，然后充分搅拌均匀，最后加入所需的去离子水后再搅拌. 严格控制整个制样过程在30 min内完成. 将制好的试样用保鲜膜包裹，放入恒温箱中养护7 d. 随后将试样装模，放入饱和缸进行抽真空饱和，确保试样饱和度在95%以上.1.2 试验方法试验设定室温（+20 ℃）和负温（-5 ℃）两种温度，分别研究室温和冻结状态下水泥土三轴压缩强度. 试验仪器采用冻土工程国家重点实验室的MTS-810低温材料试验机，其最大轴向荷载为50 kN，最大围压为20 MPa，温度控制范围为-25 ℃～ 40 ℃. 将饱和后的部分试样直接在室温状态下进行不同围压下的三轴剪切试验，考虑到地层改良实际施工扰动的影响，如采用注浆改良地层时的压密作用，将围压设定为0.25、0.5、0.75、1.0 MPa共4个水平. 将其余试样和模具置于-25℃的恒温箱中迅速冻结48 h，然后拆模将试样两端用环氧树脂垫片固定，外层套乳胶膜，最后放入-5 ℃恒温箱静置12 h使试样达到设定温度. 考虑到冻结过程中冻胀应力的影响，冻结状态下围压设定为0.5、1.0、1.5、2.5、3.5、5.0、7.0 MPa共7个水平. 施加围压后的试样在设定条件下固结2 h，随后以0.125 mm/min的加载速度施加轴向荷载. 应力-应变曲线出现峰值时继续加载一段时间结束试验;无峰值时，试样产生20%应变结束试验.地层改良是冻结法施工中防治冻胀融沉的重要措施[1-2]，如港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道口岸暗挖段采用管幕冻结作为预支护时，对管幕周边采用预先注浆土体改良法来控制冻土帷幕的冻胀融沉[3]. 改良土体在冻结法实施期间处于冻结状态. 此外，地层改良广泛应用于季节冻土区和多年冻土区的路基工程和深基础工程中[4-5].寒区地表存在着一层冬冻夏融的冻结-融化层，改良土暴露于自然环境下，每年都有很长的时间处于冻结状态. 为促进地层改良在控制冻胀融沉和寒区工程建设中的推广应用，就有必要深入系统研究改良土的力学特性，尤其是对处于冻结状态下的改良土力学特性的研究.水泥是地层改良中广泛使用的固化剂，把水泥掺加到地基中，使水泥与地基土发生物理、化学反应，从而使地基土得到固化形成水泥土. 国内谭丽华[6]最先对冻结水泥土的单轴抗压强度进行研究，考察了土性、水泥掺量、温度对冻结水泥土单轴抗压强度、弹性模量和泊松比的影响. 随后胡俊等学者[7-9]也对冻结水泥土的单轴抗压强度进行了研究，考察的因素主要有土性、水泥掺量、温度、养护龄期、水灰比. 已有研究结果均表明水泥土的单轴抗压强度随温度降低和水泥掺量增加而增大，随养护龄期的增加也呈增大趋势，王许诺等[10]还对各影响因素的重要性进行了研究，指出温度对水泥土力学特性影响最大. 于学敏[11]通过室内直剪试验研究了含水量、水灰比、养护时间、温度对注浆、冻结后粉细砂抗剪强度的影响，给出了各因素与试样抗剪强度值之间的關系. 游小锋等[12]通过一系列低温三轴剪切试验研究了冻结温度、水灰比、含水量、养护时间、围压对冻结水泥土抗剪强度及割线模量的影响，结果表明抗剪强度与割线模量均随冻结温度降低而增大，与水灰比、含水量、养护时间呈正比关系. 张向东等[13]首先通过室内单轴压缩试验及冻胀量确定出风积砂中最优水泥掺量，通过动力循环试验研究了水泥改良风积砂在负温下的动力参数. 牛亚强等[14]对黄土、水泥改良黄土及石灰改良黄土进行了-6 ℃下的三轴压缩试验，围压取1～15 MPa，研究了围压对冻结黄土和冻结改良黄土的强度和变形特性的影响，建立了能够描述冻结黄土及冻结改良黄土的强度随围压变化的非线性莫尔-库仑强度准则.从以上研究可以看出，目前关于冻结状态下水泥土强度的研究主要集中在单轴抗压强度方面，对其三轴抗剪强度的研究较少，且同样是考察归纳各因素对其强度的影响规律，研究深度不足. 岩土材料的变形破坏过程就是损伤不断累积的过程. 张土乔[15]考虑到水泥土的应力-应变关系受水泥掺量、养护龄期、围压的影响表现出不同特征，基于连续介质损伤力学建立了能够反映水泥土加工软化、加工硬化和脆性三种应力-应变特征的损伤本构模型和损伤变量演化方程. 童小东等[16]基于连续介质损伤力学和不可逆热力学理论建立了水泥土弹塑性正交各向异性损伤本构模型，陈慧娥[17]在此基础上考虑有机质的影响，建立了耦合有机质作用的损伤变量演化方程. 王立峰等[18]在应力主轴与材料主轴重合且在加载过程中保持不变的假定前提下建立了损伤本构模型，通过单轴加卸载试验确定了模型中参数.以上关于水泥土损伤本构模型的研究均是基于室温状态，考虑到目前对冻结状态下水泥土受荷损伤特征研究较少，本文首先进行了室温和冻结状态时不同围压下水泥土三轴剪切试验（室温状态作为对照），考察了围压对水泥土力学参数影响规律，建立了能够反映出低围压对冻结水泥土强度的强化作用和高围压的弱化作用的修正Hoek-Brown强度准则. 之后假设水泥土微元强度的分布规律服从双参数的Weibull函数，基于非线性的Hoek-Brown强度准则和其修正形式分别确定室温和冻结状态下水泥土微元强度F，损伤本构模型中的参数通过室温和冻结状态下三轴试验数据确定，最后利用围压对Weibull函数中的形状参数和尺度参数进行修正，建立了考虑围压的统计损伤本构模型，通过与试验曲线对比讨论其适用性. 最后讨论了损伤变量随轴向应变和围压的演化规律.1 三轴剪切试验方案1.1 试样制备试验用土取自兰州市，其基本物理性质指标：最优含水量为16.2%，最大干密度为1.74 g/cm3，塑限wP = 15.6%，液限wL = 27.7%，塑性指数IP = 12.1. 土样的颗粒级配曲线如图1所示.试验所用水泥为青海水泥有限公司生产的昆仑山PC32.5. 将试验所用土样风干、碾压、过2 mm筛，测定过筛后土样的含水率. 根据《水泥土配合比设计规程》（JGJ/T233—2011）中规定的水泥掺量范围3%～25%[19]，同时参考相关文献研究取值[20]，试验设计水泥土中水泥掺量取15%，初始含水量为22.2%，初始干密度为1.6 g/cm3. 制样时先根据水泥掺量计算出所需的干土和水泥质量，然后充分搅拌均匀，最后加入所需的去离子水后再搅拌. 严格控制整个制样过程在30 min内完成. 将制好的试样用保鲜膜包裹，放入恒温箱中养护7 d. 随后将试样装模，放入饱和缸进行抽真空饱和，确保试样饱和度在95%以上.1.2 试验方法试验设定室温（+20 ℃）和负温（-5 ℃）两种温度，分别研究室温和冻结状态下水泥土三轴压缩强度. 试验仪器采用冻土工程国家重点实验室的MTS-810低温材料试验机，其最大轴向荷载为50 kN，最大围压为20 MPa，温度控制范围为-25 ℃～ 40 ℃. 将饱和后的部分试样直接在室温状态下进行不同围压下的三轴剪切试验，考虑到地层改良实际施工扰动的影响，如采用注浆改良地层时的压密作用，将围压设定为0.25、0.5、0.75、1.0 MPa共4个水平. 将其余试样和模具置于-25℃的恒温箱中迅速冻结48 h，然后拆模将试样两端用环氧树脂垫片固定，外层套乳胶膜，最后放入-5 ℃恒温箱静置12 h使试样达到设定温度. 考虑到冻结过程中冻胀应力的影响，冻结状态下围压设定为0.5、1.0、1.5、2.5、3.5、5.0、7.0 MPa共7个水平. 施加围压后的试样在设定条件下固结2 h，随后以0.125 mm/min的加载速度施加轴向荷载. 应力-应变曲线出现峰值时继续加载一段时间结束试验;无峰值时，试样产生20%应变结束试验.地层改良是冻结法施工中防治冻胀融沉的重要措施[1-2]，如港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道口岸暗挖段采用管幕冻结作为预支护时，对管幕周边采用预先注浆土体改良法来控制冻土帷幕的冻胀融沉[3]. 改良土体在冻结法实施期间处于冻结状态. 此外，地层改良广泛应用于季节冻土区和多年冻土区的路基工程和深基础工程中[4-5].寒区地表存在着一层冬冻夏融的冻结-融化层，改良土暴露于自然环境下，每年都有很长的时间处于冻结状态. 为促进地层改良在控制冻胀融沉和寒区工程建设中的推广应用，就有必要深入系统研究改良土的力学特性，尤其是对处于冻结状态下的改良土力学特性的研究.水泥是地层改良中广泛使用的固化剂，把水泥掺加到地基中，使水泥与地基土发生物理、化学反应，从而使地基土得到固化形成水泥土. 国内谭丽华[6]最先对冻结水泥土的单轴抗压强度进行研究，考察了土性、水泥掺量、温度对冻结水泥土单轴抗压强度、弹性模量和泊松比的影响. 随后胡俊等学者[7-9]也对冻结水泥土的单轴抗压强度进行了研究，考察的因素主要有土性、水泥掺量、温度、养护龄期、水灰比. 已有研究结果均表明水泥土的单轴抗压强度随温度降低和水泥掺量增加而增大，随养护龄期的增加也呈增大趋势，王许诺等[10]还对各影响因素的重要性进行了研究，指出温度对水泥土力学特性影响最大. 于学敏[11]通过室内直剪试验研究了含水量、水灰比、养护时间、温度对注浆、冻结后粉细砂抗剪强度的影响，给出了各因素与试样抗剪强度值之间的关系. 游小锋等[12]通过一系列低温三轴剪切试验研究了冻结温度、水灰比、含水量、养护时间、围压对冻结水泥土抗剪强度及割线模量的影响，结果表明抗剪强度与割线模量均随冻结温度降低而增大，与水灰比、含水量、养护时间呈正比关系. 张向东等[13]首先通过室内单轴压缩试验及冻胀量确定出风积砂中最优水泥掺量，通过动力循环试验研究了水泥改良风积砂在负温下的动力参数. 牛亚强等[14]对黄土、水泥改良黄土及石灰改良黄土进行了-6 ℃下的三轴压缩试验，围压取1～15 MPa，研究了围压对冻结黄土和冻结改良黄土的强度和变形特性的影响，建立了能够描述冻结黄土及冻结改良黄土的强度随围压变化的非线性莫尔-库仑强度准则.从以上研究可以看出，目前关于冻结状态下水泥土强度的研究主要集中在单轴抗压强度方面，对其三轴抗剪强度的研究较少，且同样是考察归纳各因素对其强度的影响规律，研究深度不足. 岩土材料的变形破坏过程就是损伤不断累积的过程. 张土乔[15]考虑到水泥土的应力-应变关系受水泥掺量、养护龄期、围压的影响表现出不同特征，基于连续介质损伤力学建立了能够反映水泥土加工软化、加工硬化和脆性三种应力-应变特征的损伤本构模型和损伤变量演化方程. 童小东等[16]基于连续介质损伤力学和不可逆热力学理论建立了水泥土弹塑性正交各向异性损伤本构模型，陈慧娥[17]在此基础上考虑有机质的影响，建立了耦合有机质作用的损伤变量演化方程. 王立峰等[18]在应力主轴与材料主轴重合且在加载过程中保持不变的假定前提下建立了损伤本构模型，通过单轴加卸载试验确定了模型中参数.以上关于水泥土损伤本构模型的研究均是基于室温状态，考虑到目前对冻结状态下水泥土受荷损伤特征研究较少，本文首先进行了室温和冻结状态时不同围压下水泥土三轴剪切试验（室温状态作为对照），考察了围压对水泥土力学参数影响规律，建立了能够反映出低围压对冻结水泥土强度的强化作用和高围压的弱化作用的修正Hoek-Brown强度准则. 之后假设水泥土微元强度的分布规律服从双参数的Weibull函数，基于非线性的Hoek-Brown强度准则和其修正形式分别确定室温和冻结状态下水泥土微元强度F，损伤本构模型中的参数通过室温和冻结状态下三轴试验数据确定，最后利用围压对Weibull函数中的形状参数和尺度参数进行修正，建立了考虑围压的统计损伤本构模型，通过与试验曲线对比讨论其适用性. 最后讨论了损伤变量随轴向应变和围压的演化规律.1 三轴剪切试验方案1.1 试样制备试验用土取自兰州市，其基本物理性质指标：最优含水量为16.2%，最大干密度为1.74 g/cm3，塑限wP = 15.6%，液限wL = 27.7%，塑性指数IP = 12.1. 土样的颗粒级配曲线如图1所示.试验所用水泥为青海水泥有限公司生产的昆仑山PC32.5. 将试验所用土样风干、碾压、过2 mm筛，测定过筛后土样的含水率. 根据《水泥土配合比设计规程》（JGJ/T233—2011）中规定的水泥掺量范围3%～25%[19]，同时参考相关文献研究取值[20]，试验设计水泥土中水泥掺量取15%，初始含水量为22.2%，初始干密度为1.6 g/cm3. 制样时先根据水泥掺量计算出所需的干土和水泥质量，然后充分搅拌均匀，最后加入所需的去离子水后再搅拌. 严格控制整个制样过程在30 min内完成. 将制好的试样用保鲜膜包裹，放入恒温箱中养护7 d. 随后将试样装模，放入饱和缸进行抽真空饱和，确保试样饱和度在95%以上.1.2 试验方法试验设定室溫（+20 ℃）和负温（-5 ℃）两种温度，分别研究室温和冻结状态下水泥土三轴压缩强度. 试验仪器采用冻土工程国家重点实验室的MTS-810低温材料试验机，其最大轴向荷载为50 kN，最大围压为20 MPa，温度控制范围为-25 ℃～ 40 ℃. 将饱和后的部分试样直接在室温状态下进行不同围压下的三轴剪切试验，考虑到地层改良实际施工扰动的影响，如采用注浆改良地层时的压密作用，将围压设定为0.25、0.5、0.75、1.0 MPa共4个水平. 将其余试样和模具置于-25℃的恒温箱中迅速冻结48 h，然后拆模将试样两端用环氧树脂垫片固定，外层套乳胶膜，最后放入-5 ℃恒温箱静置12 h使试样达到设定温度. 考虑到冻结过程中冻胀应力的影响，冻结状态下围压设定为0.5、1.0、1.5、2.5、3.5、5.0、7.0 MPa共7个水平. 施加围压后的试样在设定条件下固结2 h，随后以0.125 mm/min的加载速度施加轴向荷载. 应力-应变曲线出现峰值时继续加载一段时间结束试验;无峰值时，试样产生20%应变结束试验.地层改良是冻结法施工中防治冻胀融沉的重要措施[1-2]，如港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道口岸暗挖段采用管幕冻结作为预支护时，对管幕周边采用预先注浆土体改良法来控制冻土帷幕的冻胀融沉[3]. 改良土体在冻结法实施期间处于冻结状态. 此外，地层改良广泛应用于季节冻土区和多年冻土区的路基工程和深基础工程中[4-5].寒区地表存在着一层冬冻夏融的冻结-融化层，改良土暴露于自然环境下，每年都有很长的时间处于冻结状态. 为促进地层改良在控制冻胀融沉和寒区工程建设中的推广应用，就有必要深入系统研究改良土的力学特性，尤其是对处于冻结状态下的改良土力学特性的研究.水泥是地层改良中广泛使用的固化剂，把水泥掺加到地基中，使水泥与地基土发生物理、化学反应，从而使地基土得到固化形成水泥土. 国内谭丽华[6]最先对冻结水泥土的单轴抗压强度进行研究，考察了土性、水泥掺量、温度对冻结水泥土单轴抗压强度、弹性模量和泊松比的影响. 随后胡俊等学者[7-9]也对冻结水泥土的单轴抗压强度进行了研究，考察的因素主要有土。
第44卷增刊2011年土木工程学报CHINA CIVIL ENGINEERING JOURNALVol．442011基金项目：国家自然科学基金（50878052，40972173），江苏省科技支撑计划（BK2010060）和教育部新世界优秀人才计划（NCET-09-0286）作者简介：魏明俐，博士研究生收稿日期：2011-07-05水泥固化锌污染黏土的压缩特性试验研究魏明俐杜延军张帆（东南大学岩土工程研究所，江苏南京210096）摘要：通过压缩试验对不同水泥掺量、不同锌离子浓度的水泥固化污染土的压缩特性进行研究，分析水泥固化锌污染土的固结屈服应力p y '、压缩指数C c 与水泥掺量和锌离子浓度的关系；引入评价天然重塑黏土固有压缩特性的孔隙指数I v ，对压缩试验结果进行正规化处理，进一步探讨不同水泥掺量下不同锌离子浓度污染土的压缩特性。
结果表明，锌离子浓度对于水泥固化污染土的压缩特性和结构性具有显著影响。
锌离子浓度越高，水泥固化锌污染土的结构性越差，固结屈服应力p y '和压缩指数C c 越低。
关键词：固化稳定；压缩；固结屈服应力中图分类号：TU442文献标识码：A文章编号：1000-131X （2011）S2-0165-04Compressibility of cement solidified /stabilized zinc contaminated claysWei MingliDu YanjunZhang Fan（Institute of Geotechnical Engineering ，Southeast University ，Nanjing 210096，China ）Abstract ：To investigate the compressibility of cement solidified /stabilized zinc contaminated clays ，a series of oedometer tests were performed．The effects of zinc concentration and cement content on yield stress and compression index were investigated．The results were analyzed using the generalized state parameter void index I v ，which was used to characterize the intrinsic properties of remolded sedimentary natural clays．It is found that zinc concentration has considerable influence on the structure of cement solidified zinc contaminated clays．The structure of the clays degraded with increasing zinc concentration．Keywords ：solidification /stabilization ；compression ；yield stress E-mail ：duyanjun@seu．edu．cn引言压缩变形特性是土体力学性质的重要方面，经过固化/稳定法（solidification /stabilization ）处理后的水泥固化重金属污染土作为地基使用时需考虑其压缩特性。
水泥固化锌污染黄土力学特性试验研究
陈汉江;崔素丽;张登飞;李世雄;李治嘉;辜超颖
【期刊名称】《西北大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2024(54)1
【摘要】聚焦于重金属污染黄土而劣化的实际工程问题,探究水泥固化重金属污染黄土的强度、应力-应变特性,以水泥固化锌离子污染黄土为研究对象,考虑水泥掺量和养护龄期的影响,进行无侧限抗压强度的系列试验,分析其应力-应变曲线、无侧限抗压强度、破坏应变、变形模量的变化规律,进而构建水泥固化锌离子污染黄土在无侧限条件下的应力-应变本构模型。
研究表明,经水泥固化后的锌离子污染黄土应力-应变曲线为强软化型,试样呈脆性破坏,可分为弹性、弹塑性、应力下降、残余稳定4个阶段;随着养护龄期、水泥掺量的增加,无侧限抗压强度增大,破坏应变基本呈现减小趋势;变形模量与无侧限抗压强度呈现非线性关系;构建的考虑养护龄期、水泥掺量影响的应力-应变本构模型,可准确描述水泥固化锌离子污染黄土单轴压力下的变形全过程。
【总页数】9页(P33-41)
【作者】陈汉江;崔素丽;张登飞;李世雄;李治嘉;辜超颖
【作者单位】西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TU411.6
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