不同围压下水泥砂浆三轴压缩试验研究.pdf
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第37卷第6期2015年12月三峡大学学报(自然科学版)JofChinaThreeGorgesUniv(Natura1Sciences)VoI37NO6Dec2015不同围压下水泥砂浆三轴压缩试验研究冉少鹏王苏生向志鹏(河海大学岩土工程科学研究所,南京210098)摘要:
对圆柱型水泥砂浆试样进行了不用围压、相同渗压下的三轴压缩试验,并对其强度特征和渗透规律进行了研究结果表明,随着围压的增加,试样的峰值强度增大,围压提高了试样的强度;当偏应力达到临界值后,试样损伤随着偏应力的增大而增加;损伤与渗透率呈指数关系,渗透率随损伤的增大而增加关键词:
水泥砂浆;三轴压缩试验;损伤;渗透率;强度特征中图分类号:
TU5026文献标识码:
A文章编号:
1672948X(2015)06002004ExpermentalStudyofMechanicalCharacteristicsofCementMortarunderDifferentConfiningPressuresRanShaopengWangSushengXiangZhipeng(GeotechnicalResearchInstitute,HohaiUniv,Nanjing210098,China)AbstractInordertostudythemechanicalcharacteristicsofcementmortarthetriaxialcompressiontestsunderdifferentconfiningpressureswereconductedExperimentalresultsshowthatthepeakstrengthofspecimenincreasesastheconfiningpressureincreaseWhendeviatoricstressexceedsthecriticalvalue,thedamageofspecimenincreasesasthedeviatoricstressincreaseTherelationshipbetweendamageandpermeabilitycanbewelldescribedwithanexponentialfunction;andthepermeabilityofspecimenincreasesalongwiththedamageincreaseKeywordscementmortar;triaxialcompressiontests;damage;permeability;strengthcharacteristics水泥砂浆是建筑工程中用量大、用途广的建筑材料,广泛用于隧道、大坝、核电站等大型建筑,在建筑工程中起主体结构和传递应力的作用大型建筑工程所处地质环境复杂,受应力、温度、地下水等多方面因素影响,而建筑工程使用寿命均为几十年甚至上百年,因此开展对水泥砂浆力学特性的研究尤为重要国内相关学者对于水泥砂浆力学特性的研究己经取得了不少的成果常留红等l】进行了水泥砂浆单轴条件下的强度试验,研究了其在不同应变率条件下的本构关系李英华等2采用液压伺服试验机研究了水泥砂浆的动态力学行为,提出了砂浆在冲击荷载下的损失演化规律郑文翔等3通过在水泥砂浆试样中预置铁片,研究了单轴压缩条件下水泥砂浆的力学特性和裂纹扩展规律蒲成志等l_4通过预制多裂隙水泥砂浆试样进行压缩试验,研究了裂隙角度对其强度的影响规律薛云亮等利用液压伺服试验系统和声波监测仪对水泥砂浆混凝土进行了声发射试验研究,研究了其损伤变量和声发射参数之间的函数关系速宝玉等研究了水泥砂浆在水力劈裂条件下的破坏特征薛志刚等_7利用分离式霍普金森压杆讨论了应力加载路径及应变率对水泥砂浆力学性能的影响水泥砂浆可视为一种类岩石材料,其力学特性受应力加载路径影响很大,表现为随着围压的增大,其强度变高本文对水泥砂浆试样进行了应力、渗流条收稿日期:
2O15一O73O基金项目:
国家自然科学基金项目(1l172090)通信作者:
冉少鹏(1988一),男,硕士研究生,主要研究方向为岩石力学与工程Email:
408603872qqcom第37卷第6期冉少鹏,等不同围压下水泥砂浆三轴压缩试验研究21件下三轴压缩试验,研究了不同围压下水泥砂浆力学特性、损伤演化和渗透特性1试验条件及方案11试验方案参考岩石力学试验标准,根据工程岩体试验方法标准(GBT5026699)以及国际岩石力学学会(ISRM)推荐标准,本试验所用试样为上下端面水平,侧面光滑的50mm100mm圆柱样(见图1)图1水泥砂浆试样几何尺寸见表1,试件材料为水泥砂浆,砂子采用普通建筑河砂,经过筛分后取粒径小于10mm的细砂进行配比,水泥采用型号为525MPa硅酸盐水泥砂浆配比为m水泥:
m砂:
水一1:
05:
04,l0一n(a)围压2MPa(d1-d)MPa表1试样基本物理参数12试验设备三轴压缩试验在岩石三轴渗流流变系统上进行该设备由三轴压力室、高压泵伺服系统、轴向应变和侧向应变测量系统,水压系统以及微机处理系统组成其中控制围压、偏压和渗透水压的3个高精度高压泵,可以实现各项压力的伺服控制2试验结果分析21不同围压下试样强度特征对砂浆试样进行了渗压1MPa,围压2MPa,4MPa和6MPa下的常规三轴压缩试验试样的轴向应变和侧向应变。
均由变形测量系统测得,所以,试样的体积应变可由式
(1)计算:
e一e1+2e3
(1)不同围压下类砂浆试样的应力一应变关系曲线如图2所示试样编号:
dw一2(ro,)MPa试样编号:
dw-3(b)围压4MPa一(c)围压6MPa图2应力应变曲线由图2可见,试样开始进行偏压加载后,很快进围压对试样的强度影响显著由表2可见,围压入弹性阶段,其应力一应变曲线成近似直线型随着偏2MPa、4MPa、6MPa下,峰值强度分别为5OO8压继续加载,试样进入屈服阶段,应力一应变曲线斜率MPa、5939MPa和6113MPa峰值强度对应的轴降低并趋于水平,此阶段轴向应变和侧向应变快速增向应变分别是89510一、111410和1404大当试样承载力达到峰值强度后,试样发生破坏,承10_,峰值轴向应变和围压拟合曲线的拟合关系是载力降低根据应力应变曲线可以得到试样的力学参e一1274a。
+628,相关系数R=098,呈良好的线哪嘉性相关性由此可知,试样达到峰值强度破坏时轴向表2类岩石材料强度参数应变随着围压的增大而增大Coulomb准则是岩土工程中应用最广泛的强度理论之一,黏聚力和内摩擦角是反映材料抗剪强度的两个重要参数图3为依据Coulomb准则得到的试样围压2、4、6MPa下三轴压缩的峰值强度分析由图3可见,对322l一峡大学学报(自然科学版)2015年12月组试样的峰值强度进行回归分析,结果为Q(276,4582),相关系数R。
为073,由此计算得到的水泥砂浆类岩石材料黏聚力为13。
79MPa,内摩擦角为2791o图3试样Coulomb准则强度分析22损伤分析损伤是指试样在加载过程中,其内部的微裂纹和微裂隙扩展贯通引起的劣化过程如图2中试样的应力应变曲线所示,在试样达到峰值强度之前,其轴向应变和侧向应变曲线呈非线性假设当试样应力低于某应力阀值时,应力应变曲线属于线弹性,此时试样处于无损状态;当外荷载超过该应力阀值时,试样不断损伤,其弹性模量等参数逐渐劣变8按照材料等价假设,受损材料的应力一应变关系可参照无损材料的应力一应变关系获得:
一Eo(1一D)E
(2)一一P(3)式中,D为损伤变量,D一0对应无损伤状态,Dl对应完全损伤状态,0D1对应材料不同的损伤程度为了研究水泥砂浆试样三轴压缩下的破坏损伤过程,引入裂纹应变的概念,假定水泥砂浆试样的应变是由弹性应变和裂纹应变两部分组成l8,即E1一e1+;e3一3e+e(4)式中,e、e。
分别为轴向应变、环向应变;ei、e;分别为轴向弹性应变、环向弹性应变;e、e分别为损伤演化裂纹扩展引起的轴向应变和环向应变利用广义虎克定理可以求得轴向和环向弹性应变,e、可以从试验实测应变中减去、e;得到,因此可定义损伤变量:
D一;D。
一(5)OE1CIE3根据水泥砂浆试样三轴试验结果,利用上式损伤计算公式得出了不同围压下的轴向和侧向损伤,并绘制出损伤变量与轴向应变、环向应变之间的关系曲线,如图4所示由图4可以看出,水泥砂浆试样在三轴压缩状态下,其轴向和环向表现出损伤的程度是不同的,围压2MPa下试样环向损伤变量约为轴向损伤变量的178倍,围压4MPa下试样环向损伤变量约为轴向损伤变量的l-l1倍,6MPa下试样环向损伤变量约为轴向损伤变量的112倍1mU|u善一64202468101214l6应变10图4三轴压缩试验损伤过程曲线从不同围压下的损伤变量可以看出,在加载过程中,试样的轴向损伤和侧向损伤均随着应变的增大而增加;而比较不同围压下可知,高围压下的轴向损伤要比低围压下的轴向损伤大,2MPa下试样达到峰值破坏时轴向损伤为034,4MPa下损伤为051,6MPa下损伤为O54;说明围压越大,试样峰值破坏时损伤越大23围压对渗透率的影响为了便于研究不同围压条件下试样的渗透特性,试样视为连续介质试样渗透压力为1MPa,试验过程中实时采集每一时刻通过试样的渗流量根据达西定律可以推导出渗透率计算公式为k一)式中,k为试样的渗透率(m);V为时刻渗流流体流人体积(m。
);为水的动力粘滞系数,一110PaS(T一20);L为试样的高度(m);At为时间(s);A为试样的横截面面积(m。
);P为试样两端渗透压差(Pa)试验得出的不同围压下应变一渗透率曲线如图5所示目堡图5渗透率和偏应力与轴向应变的关系g;宝斛蝴斑第37卷第6期冉少鹏,等不同围压下水泥砂浆三轴压缩试验研究23可以看出,在1MPa渗透水压作用下,随着围压的增加,渗透率明显降低这是由于围压越大,试样内部的裂隙压密程度越大,而裂隙主要提供流动通道,所以围压越大,渗透率越低3个围压下试样随着偏应力的加载,渗透率先减少后增大;这是因为未充分压密的微裂隙在偏应力作用下进一步压密闭合,试样渗透率降低而随着偏应力的继续增加,试样内部开始损伤,裂纹萌生扩展成为裂隙,试样内部出现大量的连通裂隙,试样渗透率增加裂隙是渗流的通道,裂隙是试样内部损伤的结果,随着荷载的增加,试样不断发生损伤对于渗流过程来讲,损伤的结果使得试样的渗透性增加在二者之间建立适当的关系,对于研究渗流应力耦合有重要Q斓3结论10O8岛2蛐06X蟊薰o髓02O0意义当前,渗流应力耦合研究主要集中在建立渗透系数与应力一应变之间的关系方程m谢兴华等。
人基于损伤理论,推导了类岩石材料损伤与渗透率之间的关系方程,可以用来描述材料损伤过程中的渗透率变化类岩石材料损失过程中的渗透率演化方程为K=K。
(DO)(7)K一K0(10J+10。
)(0D1)(8)式中,K。
为初始渗透率,D,D,为轴向和侧向损伤根据上文已经推导出的试样损伤量,利用式(7)和式(8)进行理论渗透率计算,得到了试样的计算渗透率曲线从图6中可以看出,通过公式计算的到的渗透率曲线和实际试验曲线具有一定的吻合度,说明渗透率和损伤符合上述关系O轴向应变lO轴向应变lO图6三轴压缩试验损伤过程曲线研究EJ水利学报,2007
(2):
217220本文进行了围压2、4、6MPa,渗压1MPa下的水泥砂浆三轴压缩试验,以试验结果为基础,对试样的强度特征、损伤、渗透特性进行了研究,得到以下主要结论:
1)通过绘制出试样在三轴压缩过程中的应力一应变曲线,得出了弹性模量、峰值强度、黏聚力和内摩擦角等力学参数;随着围压的增加,试样破坏时的强度和应变均增大2)当偏应力达到临界值后,试样损伤随着应变的增大而增加;而随围压的增大,高围压下的轴向损伤要比低围压下的轴向损伤大3)试样的渗透率与损伤呈指数关系,渗透率随损伤的增大而增加参考文献:
1常留红,陈建康单轴压缩下水泥砂浆本构关系的试验2李英华脆性材料水泥砂浆多轴应力下的动态响应分析J振动与冲击,2011(10):
2162203郑文翔,赵延林,王敏单轴压缩条件下预制裂隙类岩石材料实验研究J湖南科技大学学报:
自然科学版,2013(4):
16E4蒲成志单轴压缩下多裂隙类岩石材料强度试验与数值分析EJ岩土力学,2010(11):
36613666E5薛云亮类岩石材料声发射参数与应力和应变耦合本构关系J北京科技大学学报,2Ol1(6):
6646706速宝玉,谢兴华,王国庆水泥砂浆水力劈裂试验研究J岩石力学与工程学报,2006(S1):
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336338E9谢兴华,郑颖人,张茂峰岩石变形与渗透性变化关系研究J岩石力学与工程学报,2009(S1):
26572661Elo朱泽奇,盛谦,张占荣脆性岩石侧向变形特征及损伤机理研究J岩土力学,2008(8):
21372143责任编辑周文凯日鞲目0_【、瓣熠驰m
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