水泥土力學性能與聲發射參數持續時間的關系研究

孫振國+李明寶+陳沖+張旭

摘 要：為研究水泥土力學性能與聲發射參數持續時間的關系，利用聲發射技術對水泥土的無側限壓縮過程進行全程監測。通過對水泥土力學特性參數進行分析，得到水泥土在無側限壓縮下應力隨時間的變化過程大致分為四個階段；同時對水泥土試件的聲發射信號參數持續時間進行分析，得出水泥土壓縮過程中各聲發射特性參數持續時間也大致分為四個階段，并且通過對比力學曲線和持續時間分布圖得出力學曲線的變化階段與持續時間分布圖的變化基本相一致。

關鍵詞：水泥土；聲發射信號參數；持續時間

中圖分類號：TU472.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）28-0195-02

引言

水泥土是水泥和土混合在一起形成的一種新的建筑材料，水泥土與土相比結構更加堅固，抗壓性能更加良好，已經被廣泛的應用于建筑結構的地基基礎、道路路基中。對于一些大型水泥土結構，對其的研究不僅僅停留在加固中，現在更多的研究集中在對其抗壓性能的研究以及水泥土內部破壞機理的研究。許多學者也對此進行了一系列的研究。童小東等[1]對水泥土的彈塑性損傷進行了試驗研究；王軍等[2]開展了水泥土力學特性的試驗研究，而把聲發射技術引入水泥土的力學試驗中的研究相對較少。

許多專家學者已經將聲發射技術應用于建筑領域，用來研究建筑結構的損傷和破環。以美國的 R.M.Koerner 為代表學者們首先將聲發射技術應用到土工領域[4]；張明等[5]利用累積聲發射數與損傷變量一致的觀點建立了力學參數和聲發射參數的關系；本文通過對水泥土進行壓縮試驗，將壓縮力學特性曲線和聲發射信號特性參數進行對比分析，發現聲發射持續時間能很好的反映水泥土壓縮的不同階段，為聲發射檢測技術在水泥土中的應用提供了依據。

1 試件制作與試驗方法

本文試驗制作水泥土用到的土樣取自黑龍江省哈爾濱市的黏土，試驗使用的水泥材料為強度等級為32.5的天鵝牌普通硅酸鹽水泥，所用水為自來水。本文試驗中將試驗用土樣進行天然風干，通過人工把試驗用土碾碎，之后用5mm的篩子進行篩分。試驗依據設計規程并結合工程實際情況選取水泥摻入比為18%和水泥漿的水灰比為W/C=0.7。然后稱取適量的土、水泥將其拌合均勻，再加入試驗所需的水攪拌至均勻，分兩層裝入7.07cm×7.07cm×7.07cm立方體試模內并插搗振實。成型后的立方體試件放在（20±5）℃環境下靜置48小時，之后對試件拆模并放在（20±1）℃水中養護28天，養護完成后對試件進行壓縮下聲發射檢測試驗。試驗采用美國PAC公司制造的全天候結構健康檢測系統和AEwin軟件對聲發射信號進行采集分析，并采用型號為TYJ-500KN的電液伺服試驗機加載設備對試件進行無側向抗壓強度試驗。本實驗通過設置單通道對信號進行采集，對聲發射的持續時間參數進行采集。試驗采用位移控制加載，勻速單向壓縮，單向壓縮和聲發射信號采集同步進行。

2 試驗結果及分析

通過單軸壓縮試驗和聲發射檢測試驗，得到圖1水泥土試件壓縮應力隨時間變化的關系曲線圖和圖2聲發射信號持續時間對時間的分布圖。

從圖1可知，水泥土壓縮變形基本上可分為四個階段：第一階段（OA段）：該階段曲線走勢不平穩，先出現一段近似平線階段，隨后呈現出彎曲線，斜率逐漸增大，這是由于水泥土在荷載作用下內部空隙縮小，水泥土內部結構得到壓密，水泥土結構基本上沒有遭到破壞，且曲線A點所處時刻大約為50s；第二階段（AB段）：該階段應力-應變關系和應力-時間關系近似呈直線，水泥土出現硬化，B點的應力可以作為水泥土的比例極限，B點所處時刻大約為100s；第三階段（BC段）：該階段關系曲線開始發生偏離，不再呈現直線狀態，隨著應力的增加應變變化增大，水泥土出現軟化，水泥土的應力達到峰值應力，峰值應力C點所處時刻大約為150s；第四階段（CD 段）：該階段為水泥土破壞的后階段，過了峰值應力后，水泥土在應變變化很小的情況下，應力發生較大的衰減。

從圖2聲發射信號持續時間對時間的分布圖可以看出，在試件壓縮的開始至50s聲發射信號的持續時間分布較少，甚至沒有；在50s-200s之間，聲發射信號的持續時間分布增大，并多次達到較大峰值，說明水泥土內部結構正在發生破壞，釋放大量的聲發射信號；在200s以后持續時間的分布逐漸減少，并且持續時間的大小也在不斷減小，說明材料已經發生破壞。對比圖1和圖2可以看出，聲發射信號持續時間對時間的分布和受荷下應力-時間關系相對應，即聲發射持續時間分布和應力值隨著時間先增大后減小，并且在出現變化和轉折的時間也大致相對應，這為利用聲發射技術預報結構破壞的發生和破壞的程度提供了依據。

3 結束語

本文對水泥土的聲發射信號持續時間進行了詳細研究，通過對水泥土試件壓縮過程中采集的聲發射信號持續時間的分析，得到以下結論：通過對水泥土力學特性參數進行分析，得到水泥土在無側限壓縮下應力隨時間的變化過程大致分為四個階段；同時對水泥土試件的聲發射信號參數持續時間進行分析，得出水泥土壓縮過程中各聲發射特性參數持續時間也大致分為四個階段，并且通過對比力學曲線和持續時間分布圖得出力學曲線的變化階段與持續時間分布圖的變化基本相一致，并且在出現變化和轉折的時間也大致相對應，這為利用聲發射技術預報結構破壞的發生和破壞的程度提供了依據。

參考文獻：

[1]童小東，龔曉南，蔣永生.水泥土的彈塑性損傷試驗研究[J].土木工程學報，2002，35（4）：82-85.

[2]王軍，丁光亞，潘林有，等.靜三軸試驗中水泥土力學特性及本構模型研究[J].巖土力學，2010，31（5）：1407-1412.

[3]Juan José González dela Rosa， Agustín Agüera Pérez. A novel measurement method fortransient detection based in wavelets entropy and the spectral kurtosis： An application to vibrations and acoustic emission signals from termite activity[J]. Measurement， 2015，4（68）： 58-69.

[4]R.M.Koerner， A.E.Lord， Jr.Acoustic emission in medium plasticity clay silt[J].Journal of the Soil Mecanicas and Foundations Division，Proceedings of the American Society of Civil Engineering， Vol.98，NO.SM1，1972.

[5]張明，李仲奎，楊強.準脆性材料聲發射的損傷模型及統計分析[J].巖石力學與工程學報，2006，25（12）：2493-2495.endprint