单轴压缩下水泥土剪切破坏宏观试验研究

郭尧顺

【摘 要】为研究水泥土在压缩过程中破坏形态,对单轴压缩条件下水泥土的破坏性状进行试验研究.结果表明:水泥土主要呈现单一剪切带脆性破坏型、双剪切带脆性破坏型、鼓胀剪切破坏型3种破坏形态.非均匀性变形是水泥土剪切破坏的主要特征,破坏仅在一个较小的区域内发生,破坏阶段该区域内变形急速增大,在宏观上表现出软化性状.纵观所有的破坏试样,在宏观上剪切带出现的区域并无明显的规律. 【期刊名称】《能源与环境》 【年(卷),期】2019(000)002 【总页数】3页(P4-5,10) 【关键词】水泥土;破坏;性状;试验 【作 者】郭尧顺

【作者单位】福建省华厦能源设计研究院有限公司 福建福州 350003 【正文语种】中 文 【中图分类】TU471

岩土体在荷载作用下常常产生局部不均匀变形，当这种变形发展到一定程度就会产生应力集中，进而产生局部变形带，局部变形带在荷载作用下会继续发展、贯通，最终形成1条狭长的剪切带。剪切带的形成会引起岩土体强度的明显降低甚至破坏，在工程中便会引起灾害性的后果。所以从上个世纪八十年代以来，岩土体局部

变形带的研究就已经引起了学者的高度重视。董建国［1］对黏性土进行了不排水平面应变压缩试验研究。王学滨、杜亚志等［2］利用基于粒子群优化的数字图像相关方法，开展了最大剪切应变场的观测研究。左永振［3］等对千枚岩碎屑土进行了固结排水剪切试验，并在试验过程中采用CT可视化技术进行了实时监测扫描，得到同一断面位置不同应变条件下的系列CT切片，从CT切片中可观测到试样随应变的增加而出现的明显的剪切带。黄翔等［4］基于红黏土不排水三轴试验，首先观测了红黏土剪切破坏形态，分析其应力－应变曲线特性，讨论了红黏土剪切带形成条件，并对剪切带倾角进行测试与计算。而工程中为了加固软弱土层常常会加入水泥浆液或水泥形成水泥土，对水泥土剪切破坏形态的研究可对实际工程的处理提供参考依据。本文对不同水泥掺量下的不同压实度水泥土试样进行了单轴试验，对水泥土的破坏形态进行了研究。 1 试验参数及方法

为了使试验的成果更具代表性，在制作试样时水泥掺量分别设定为10%、15%、20%、25%；同时，为了使试验具有可比性，试样的质量分别与黏性土压实度达到80%、85%、90%、95%、100%的试样质量相同（为了论述方便，下文水泥土用黏性土的压实度来表示其质量）。为了研究在相同水泥掺量和压实度条件下，不同初始状态的水泥土剪切破坏细观结构变化规律，制作了龄期为7天的试样。试验中剪切速率取0.8mm/min，龄期为7天的各试样详细情况如表1所示。另外还制备了40个备用试样。试验是在南京宁曦土壤仪器公司生产的TSZ-2.0应变控制式三轴仪上进行。该三轴仪具有数据自动采集，并可自动记录应力应变，人为影响因素较少，精度较高等特点。

在连续荷载作用下，不同初始状态下的水泥土颗粒及其集聚体间胶结强度不同，其表现出的破坏形式也不相同。为了探讨水泥土在荷载作用下表现出的不同宏观力学特性，运用土体剪切破坏试验系统进行单轴压缩条件下的水泥土剪切破坏性状试验。

同时为了后续对剪切带细观结构试验具有指导性，试样的制备采用半圆柱样［10］（Ф=39.1mm，H=80mm）。试验的目的主要是观测单轴压缩条件下，水泥土的剪切破坏性状，以及剪切破坏过程中的力学行为特点，以大致的掌握试样连续荷载下的峰值强度，以及应力应变进入非线性阶段时对应的应力应变值。这些特征值可作为确定土体剪切破坏细观结构试验加载步长的依据。

表1 试样详细参数表试样编号质量/g水灰比无量纲掺灰量/%试样编号质量/g水灰比无量纲掺灰量/%1 153．72 1∶2 10 11 153．92 1∶2 20 2 163．10 1∶2 10 12 163．51 1∶2 20 3 173．31 1∶2 10 13 173．79 1∶2 20 4 183．12 1∶2 10 14 183．03 1∶2 20 5 192．75 1∶2 10 15 192．98 1∶2 20 6 153．82 1∶2 15 16 153．41 1∶2 25 7 163．20 1∶2 15 17 163．56 1∶2 25 8 173．11 1∶2 15 18 173．65 1∶2 25 9 183．22 1∶2 15 19 183．48 1∶2 25 10 192．85 1∶2 15 20 192．14 1∶2 25 2 试验成果

对水泥土剪切破坏试验进行研究的目的在于今后进一步分析水泥土剪切破坏的细观机理，而不同的破坏形式和力学行为特点是土体内部不同的细观结构变化的宏观表现。故此次试验中主要研究水泥土表现出的剪切破坏形式和力学行为特点。 2.1 力学行为特点

这里的力学行为特点，主要研究的是试验过程中试样的应力应变变化关系及试样的强度变化情况。限于篇幅，仅给出具有代表性的、压实度为80%和压实度为100%的应力应变曲线，如图1、图2。

从图1、图2中可以看出，水泥土在单轴压缩条件下的应力应变曲线均呈应变软化型，即随着应变的增大，应力不断的增大，当到达峰值后，随着应变的增大，应力迅速减小，且没有明显的残余强度。试样的破坏以破损软化作用为主。 图1 压实度为80%的试样应力应变曲线

图2 压实度为100%的试样应力应变曲线

素土中掺入水泥后，土体内部结构整体上得到了加强。土体在荷载作用下，初始一小段时间内，表现出了一定的弹性特征，即应力应变关系曲线呈线性关系；而后土体结构开始受到扰动，应力应变曲线不再呈线性关系，土体的塑性特征逐步表现出来。该阶段中，土体不断受到轴向的挤压作用，所受应力作用不断增强，土体结构不断地遭受破坏。但相比而言，压密使得试样强度的增大比土体结构的破损导致的强度减小，更占优势。因此，表现出应力随着应变的增大而不断增大。然后，到了峰值应力后，土体结构大量破损，轴向挤压使得土体强度增大的作用远小于结构破坏致使土体强度减弱的作用。故应力随着应变的增大，急速减小，直至试样整体坍塌失稳。同时，由于进行的是单轴压缩试验，在剪切带贯通后没有侧限压力的限制，而轴向应变又不断的增大，使得剪切带上部土体沿着剪切带不断的向下滑动，直至塌落，所以并没有明显的残余强度出现，部分曲线下降过程中出现了一个小台阶，可能是在轴向压力所用下，剪切带上下两盘之间具有一定的摩擦力。为了使两盘发生相互错动，就必须克服该摩擦力，这就出现了一段时间内，应变增大而应力保持不变，具有类似于残余强度的性质，但该阶段维持的时间极短。

对比两幅应力应变曲线还发现，随着水泥土掺入量的增大，峰值强度也不断的增大。同时，压实度大的峰值强度也较大。这2种因素对土体强度的影响实际上都可以归结为，土体的结构性增强所引起的。 2.2 水泥土破坏形式

水泥土的破坏形态与试验的条件及其初始结构等有关。张土乔［11］通过三轴试验将水泥土的破坏形态分成了脆性张裂破坏、塑性剪切破坏和脆性剪切破坏三种。而从本次水泥土剪切破坏试验成果上来看，破坏形态均属于脆性剪切破坏。由于本章中水泥土剪切试验是在无侧限的条件下进行，若根据剪切带的形态来分，可将其再做一更为细化的分类。通过比较分析所采集的水泥土剪切破坏形态图片，将单轴

压缩条件下水泥土的破坏形式大致分为以下3类：单剪切带破坏型、双剪切带破坏型和鼓胀剪切破坏型。其具体的实物图，如图3所示。 图3 水泥土剪切破坏形态图

（1）单剪切带破坏型：在破坏时，剪切带向某个方向倾斜，如图3中的（a）所示，该类破坏形式较多的出现于压实度较低，水泥掺量较少的试样中，即整体结构性较弱的试样中。

（2）双剪切带破坏型：在破坏时，试样中存在2条较为明显的剪切带，如图3中（b）所示，该类破坏形式主要出现于相对（1）和（3）中的试样来说结构强度中等的试样中，试样的水泥掺量和压实度也处于中等状态。

（3）鼓胀剪切破坏型：在破坏时，试样的上部或者下部出现较为明显的鼓胀现象，剪切带在观测面上一般为横向切割试样型，如图3中（c）所示。该类破坏形式主要出现与水泥掺量较高，压实度较大的试样中，试样的整体结构性较强。 从图3中可以看出，不论哪种破坏形式，非均匀性变形是水泥土剪切破坏的主要特征，破坏仅在1个较小的区域内发生，破坏阶段该区域内变形急速增大，在宏观上表现出软化性状。纵观所有的破坏试样，在宏观上剪切带出现的区域并无明显的规律。在压实度较大的情况下，裂隙的破碎程度有所减弱，这主要是由于压实度的增大能使颗粒之间的胶结作用加强，使得剪切带两边与破碎的颗粒的黏结力相对较大，颗粒相对不易塌落。而掺灰量的大小对裂隙的形态也有一定的影响，仅从图1和图2来看，随着掺灰量的增大，土颗粒及其集聚体之间的胶结作用明显加强，使得剪切带内土体的破碎程度减小，但相对压实度来说其影响较小。龄期对水泥土的破坏形态也会产生一定的影响，随着龄期的增大，水泥土的水化作用不断增加，水化产物自身有胶结加强的作用，同时水化反应生成的Ca（OH）2还能与土中活性物质发生硬凝反应，其产物也可增强土颗粒之间的胶结作用，胶结作用的增大必然使得土体强度的增大，且使得剪切带土颗粒的塌落数也相对较少。在破坏形态图

中的表现即为剪切带破碎程度较弱。 3 结论

单轴压缩条件下水泥土的破坏形式大致分为：单剪切带破坏型、双剪切带破坏型和鼓胀剪切破坏型三类。不论哪种破坏形式，非均匀性变形是水泥土剪切破坏的主要特征。应力应变曲线均呈应变软化型，随着水泥土掺入量的增大，峰值强度也不断的增大。同时，压实度大的峰值强度也较大。 参考文献

【相关文献】

1 董建国，李蓓.黏性土剪切带的形成与其屈服的内在联系的探索［J］.岩土力学，2007（5）：851-854.

2 王学滨，杜亚志，潘一山，等.基于数字图像相关方法的等应变率下不同含水率砂样剪切带观测［J］.岩土力学，2015，36（3）：625-632.

3 左永振，程展林，赵娜.千枚岩碎屑土三轴试验剪切带扩展性状的CT 研究［J］.岩土工程学报，2015，37（8）：1524-1531.

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10 方庆军，王笃波，洪宝宁.基于数字图像的土体剪切带细观结构试验研究［J］.华北水利水电大学学报（自然科学版），2014，35（2）：60-63

11 张土乔.水泥土的应力应变关系及搅拌桩破坏特性研究.杭州：浙江大学，1992.