圍壓對膠結碎石土應力-應變關系的影響

彭羅成， 李文濤， 王 琛

(1.四川大學水利水電學院，四川成都 610065； 2.中國三峽建設管理有限公司，四川成都 610017)

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圍壓對膠結碎石土應力-應變關系的影響

彭羅成1， 李文濤2， 王 琛1

(1.四川大學水利水電學院，四川成都 610065； 2.中國三峽建設管理有限公司，四川成都 610017)

文章為研究圍壓對膠結碎石土應力-應變關系和初始切線模量的影響，對膠結碎石土進行了最大圍壓為10 MPa的三軸壓縮試驗。試驗結果表明：膠結碎石土在低圍壓下呈脆性破壞，在高圍壓下呈塑性破壞；隨圍壓的增大，應力-應變曲線由應變軟化型向應變硬化型轉變，存在一界限圍壓；初始切線模量隨圍壓的增大而增大，與圍壓成冪函數關系。

膠結碎石土； 圍壓； 應力-應變關系； 初始切線模量

膠結碎石土是指碎石土混合少量水和膠凝材料拌和而成的一種巖土材料。該材料具有水泥用料省、便于施工、適應軟弱地基以及抗震性能好等特點[1]，又具安全性和經濟性，在壩工[2]、地基[3]和邊坡[4]中應用廣泛。在工程中，如高土石壩局部位置的膠結碎石土可處于高應力水平下，故研究圍壓對膠結碎石土強度和變形的影響是有意義的。

國內外學者對膠凝材料的力學特性進行了研究，其中主要集中在齡期[5-8]以及膠凝摻量[9-11]對膠凝材料力學特性的影響，在圍壓對膠凝材料力學特性的影響方面，孫明權等[13]進行的超貧膠凝材料大型三軸試驗表明峰值強度隨圍壓的增大而明顯增大。Taheri和Tatsuoka[12]進行的最大圍壓為1.5 MPa的膠凝砂礫石三軸壓縮試驗表明，隨圍壓的增大，膠凝砂礫石應力-應變曲線表現為應變軟化向應變硬化轉變，但更高圍壓下的應力-應變關系尚需探討。

本文對膠結碎石土開展了最高圍壓為10 MPa的三軸壓縮試驗，獲得不同圍壓下膠結碎石土的破壞形態，分析膠結碎石土在不同圍壓下的應力-應變關系，并分析圍壓對膠結碎石土初始切線模量的影響。

1 三軸試驗

1.1 試驗儀器與材料

試驗材料包括碎石土、膠凝劑和水。碎石土母巖為微風化灰巖，密度GS=2.78 g/cm3，人工破碎、清洗、風干后作為試驗備用碎石土料。顆粒級配如圖1所示。膠凝劑是普通硅酸鹽水泥和粉煤灰，水泥標號P.O32.5， 28 d抗壓強度為42.8 MPa，粉煤灰是成都某電廠生產的Ⅱ級粉煤灰。試驗用水是成都市自來水。三軸試樣直徑為101 mm，高度為200 mm，試樣干密度為1.98 g/cm3，配合比參數見表1。

圖1 碎石土的級配曲線

試驗儀器采用MTS815巖石力學試驗系統和SJ-1三軸壓縮儀。MTS815巖石力學試驗系統由加載系統、控制器、測量系統等部分組成，最大圍壓140 MPa。三軸壓縮儀為應變控制式，由壓力室、測量系統和加壓系統組成，最大圍壓1.6 MPa。

1.2 試驗

為研究圍壓對膠結碎石土應力-應變關系和初始切線

表1 膠結碎石土配合比參數

模量的影響，對膠結碎石土進行6個不固結不排水三軸壓縮試驗，試驗圍壓分別為0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、2.0 MPa、5.0 MPa、10.0 MPa。為保證試驗精度，試驗圍壓為0.1 ～0.3 MPa時采用適用于低圍壓的應變控制式SJ-1三軸壓縮儀；試驗圍壓為2.0～10.0 MPa時采用適用于高圍壓的MTS815巖石力學試驗系統。

2 試驗結果及其分析

2.1 圍壓對應力-應變關系的影響

不同圍壓下膠結碎石土的偏應力(σ1-σ3)-軸向應變εa的關系曲線如圖2所示。可知：隨著圍壓增大，應力-應變曲線由應變軟化型向應變硬化型轉變。圍壓σ3=2 MPa 是膠結碎石土應變軟化向應變硬化過渡的圍壓，可稱為界限圍壓。

圖2 膠結碎石土(σ1-σ3)-εa關系曲線

在界限圍壓下，膠結碎石土的應力-應變曲線可分為三個階段。第一階段，軸向應變較小時，偏應力隨軸向應變的增大而增大且呈現較好的線性關系。第二階段，隨著軸向應變的增大，應力-應變曲線逐漸從線性過渡到非線性，試樣發生不可恢復的塑性變形。第三階段，偏應力達峰值后隨軸向應變的增長偏應力趨于一穩定值。

圍壓小于界限圍壓時，應力-應變曲線表現為明顯的應變軟化特征。在小應變下，偏應力增長明顯且很快出現峰值，即材料的峰值強度。隨應變的增長偏應力緩慢降低最后趨近于一定值，即材料的殘余強度。在這種較低圍壓下，膠結作用限制了顆粒的相對移動與調整使得摩擦作用發揮較少，材料的膠結和剪脹作用迅速發揮。土顆粒發生移動和翻越，顆粒的排列有向某種斜面方向運動的趨勢，最后在某一方向的斜面形成局部化剪切帶，膠結碎石土呈現脆性特點(圖3)。

圖3 圍壓為2 MPa的破壞形態

圍壓大于界限圍壓時，隨著軸向應變的增大，偏應力也不斷增大，應力-應變曲線表現出應變硬化趨勢，膠結碎石土呈現出塑性特點。高圍壓下，顆粒位置受高圍壓限制而不易發生調整，顆粒間相互嵌入導致顆粒排列更加緊密，最后試樣呈現出鼓狀破壞，膠結碎石土呈現塑性特點(圖4)。

圖4 圍壓為5 MPa的破壞形態

2.2 圍壓對初始切線模量的影響

初始切線模Ei是表征應力-應變曲線形態的量，反應了材料的變形特性。對不同圍壓σ3下的初始斜率繪制lg(Ei/pa)-lg(σ3/pa)曲線(圖5)，pa為標準大氣壓，R2表示曲線的擬合相似度。lg(Ei/pa) -lg(σ3/pa)曲線可用直線方程擬合，有：

(1)

(2)

式中：n為lg(Ei/pa) -lg(σ3/pa)曲線的斜率，表示初始切線模量隨圍壓的增長速率；lgK為lg(Ei/pa) -lg(σ3/pa)曲線縱坐標的截距，其物理意義為圍壓σ3=100 kPa時的初始切線模量大小。式(2)表示初始切線模量與圍壓成冪函數關系。對本次試驗膠結碎石土，n=0.26，K=3 715。

圖5 lg(Ei/pa) -lg(σ3/pa)曲線

3 結束語

對膠結碎石土進行了不同圍壓下的不固結不排水三軸壓縮試驗，分析了圍壓對膠結碎石土應力-應變曲線特性和初始切線模量的影響，主要結論如下：

(1)膠結碎石土在低圍壓下呈脆性破壞，高圍壓下呈塑性破壞。

(2)隨著圍壓增大，膠結碎石土的應力-應變關系由應變軟化型向應變硬化型轉變，存在一界限圍壓。低于界限圍壓，隨著圍壓增大應變軟化趨勢逐漸減弱；高于界限圍壓，隨 著圍壓增大應變硬化趨勢逐漸增強。

(3)隨圍壓增大初始切線模量增大。與圍壓成冪函數關系。

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彭羅成(1992～)， 男， 碩士研究生，研究方向為巖土工程。

TU411.3

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[定稿日期]2017-03-22