剪切速率对水泥胶结钙质砂强度及变形的影响.pdf

第 卷 第期湘潭大学学报(自然科学版)V o l N o 年月J o u r n a l o fX i a n g t a nU n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n)F e b D O I:/j i s s n X 引用格式:谢永晟,杨果岳,王阳,等剪切速率对水泥胶结钙质砂强度及变形的影响J湘潭大学学报(自然科学版),():C i t a t i o n:X I EY o n g s h e n g,YANGG u o y u e,WAN G Y a n g,e ta l E f f e c to fd i r e c ts h e a rr a t eo ns t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o no f c e m e n t e dc a l c a r e o u ss a n dJ J o u r n a lo fX i a n g t a nU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n),():剪切速率对水泥胶结钙质砂强度及变形的影响谢永晟,杨果岳,王阳,杨少光(湘潭大学 土木工程学院,湖南 湘潭 )摘要:为探究剪切速率对水泥胶结钙质砂强度及变形的影响,对钙质砂展开种剪切速率、种胶结度双变量的直剪试验结果表明:水泥胶结钙质砂随着剪切速率的提升,抗剪强度呈先减后增的趋势随胶结度的增加,抗剪强度呈逐渐上升的趋势,但较低胶结度下的抗剪强度略低于无胶结状态下的抗剪强度在抗剪强度指标方面,随着剪切速率或胶结度的增加,黏聚力都呈上升趋势,内摩擦角呈下降的趋势在变形方面,水泥胶结钙质砂在低法向应力更易呈现先剪缩后剪胀的形式;而在较高的法向应力,易呈现剪缩形式,但随着剪切速率的增大,剪缩程度减弱关键词:水泥胶结钙质砂;直剪试验;剪切速率;胶结度中图分类号:T V 文献标志码:A文章编号:X()E f f e c t o fd i r e c t s h e a rr a t eo ns t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o no f c e m e n t e dc a l c a r e o u s s a n dX I EY o n g s h e n g,Y ANGG u o y u e,WANGY a n g,Y ANGS h a o g u a n g(S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n g,X i a n g t a nU n i v e r s i t y,X i a n g t a n ,C h i n a)A b s t r a c t:A n i n d e p t hs t u d yo f t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n dd e f o r m a t i o no f c e m e n t c e m e n t i t i o u s c a l c a r e o u ss a n da f f e c t e db ys h e a rd i s p l a c e m e n t,s i xr a t e sa n df o u rk i n d so fc e m e n t i t i o u sd e g r e eo fb i v a r i a t es t r a i g h ts h e a r t e s t sw e r ec a r r i e do u to nc a l c a r e o u ss a n d T h e t e s t r e s u l t ss h o wt h a t t h es h e a r s t r e n g t ho f c e m e n t c e m e n t e dc a l c a r e o u ss a n dd e c r e a s e s f i r s t a n dt h e n i n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo f t h er a t e A f t e rc e m e n t a t i o n,c a l c a r e o u ss a n dg r a d u a l l y i n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo f c e m e n t a t i o nd e g r e e,a n dt h e s h e a r s t r e n g t hg r a d u a l l y i n c r e a s e s,b u t t h es h e a rs t r e n g t ha t l o w e r c e m e n t a t i o n i ss l i g h t l y l o w e r t h a nt h a tw i t h o u t c e m e n t a t i o n I nt e r m so f s h e a rs t r e n g t h i n d e x,w i t ht h e i n c r e a s eo fs h e a rr a t eo rc e m e n t a t i o nd e g r e e,t h ec o h e s i o ns h o w e da nu p w a r d t r e n d,a n d t h e i n t e r n a l f r i c t i o na n g l e s h o w e dad o w n w a r d t r e n d I n t e r m s o f d e f o r m a t i o n,c e m e n t c e m e n t e dc a l c a r e o u ss a n du n d e r l o wv e r t i c a l p r e s s u r e a t d i f f e r e n t s h e a r r a t e s i sm o r e l i k e l y t os h o wt h e f o r mo f f i r s t s h e a r i n ga n d t h e ns h e a r e x p a n s i o n A t h i g h e r v e r t i c a l p r e s s u r e s,i t i s e a s y t os h o wa s h e a r f o r m,b u tt h ed e g r e eo f s h e a r s h r i n k a g ew e a k e n sw i t ht h e i n c r e a s eo f t h er a t e K e yw o r d s:c e m e n t i t i o u sc a l c a r e o u ss a n d;d i r e c t s h e a r t e s t;s h e a r r a t e;d e g r e eo f c e m e n t a t i o n收稿日期:基金项目:湖南省创新型省份建设项目“湖湘高层次人才聚集工程创新团队”(R S )通信作者:杨果岳(),男,湖南长沙人,博士,副教授 E m a l l:y g y c s u c o m引言中国南海海域覆盖有大量的钙质砂,它是一种以碳酸钙为主要成分的特殊介质,具有孔隙多、比重大等特点 且南海岛礁工程中的公路隧道、能源桩以及海上油气田安全建设等项目都与钙质砂密切相关因此,钙质砂的研究逐渐得到重视,钙质砂的破碎特性 、压缩特性 和力学特性 等方面的研究正大力开展天然状态下的钙质砂大多呈胶结状,有着结构性敏感、取样易破坏等特点在研究过程中由于自身特性加上海上获取原状样品困难以及进行原位试验费用高等原因,所能开展的研究十分有限,为此人们开始以人造胶结的方式来进行研究 而在诸多人造胶结方法中,水泥胶结固化法具有应用范围广、提升强度快、使用效率高、成本低廉等特点,并且在砂土地基中,深基础大多会采用注入水泥的方式来改良土地强度特性,因此,选用水泥这种常用胶结剂具有一定工程实用意义此外,在对钙质砂特性的研究中,很多学者发现钙质砂具有率相关性,并由此展开率相关试验如柴维等 控制直剪剪切速率来剪切钙质砂,P o u l等 控制加载剪切速率的不同进行三轴试验,皆得出剪切速率对钙质砂变形及强度有着联系的结论本研究对钙质砂进行研究,先将试样按胶结度分组,再根据剪切速率和法向应力的不同进行直剪试验,着重分析剪切速率和胶结度对水泥胶结钙质砂强度及变形的影响,从而为水泥胶结钙质砂的研究提供参考试验 试验材料试验选用的钙质砂选自南海,整体呈灰白色,颗粒粒径一般大于 mm,对其展开基本物理试验,得到以下基本参数(见表),通过颗粒分析试验获得其颗粒级配(见图)表钙质砂基本物理参数T a b B a s i cp h y s i c a l p a r a m e t e r s o f c a l c a r e o u s s a n d试样尺寸比重最小孔隙比最大孔隙比相对密实度 mm mm 1010.10.01颗粒粒径/mm1009080706050403020100小于某颗粒质量百分比/%图颗粒级配曲线F i g P a r t i c l ed i s t r i b u t i o nc u r v e试验所采用的胶结材料为P O 级普通硅酸盐水泥,是一种经济且应用广泛的材料,湘潭大学学报(自然科学版)年在工程中应用普遍仪器为应变控制式直剪仪,可设定剪切速率来进行试验,水泥的熟料成分含量见表 表水泥熟料成分含量表T a b C e m e n t c l i n k e rc o m p o s i t i o nc o n t e n t t a b l e成分C a OS i OA lOF eOM g O含量/试验方法前期准备:选取mm以下的钙质砂,并进行洗盐处理,清洗干净后放置烤箱以 恒温至恒重后因需要控制水泥灰的量,将水泥按掺量为,进行称重准备试验流程为:采用二次拌和法进行制作,先将一定量的干砂和水泥灰进行拌和,接着根据指定的水灰比(W/C为 )加入蒸馏水,再次进行拌和制备样品最后采用分层击实法进行制备,将已二次拌和的样品根据设定干密度(d g/c m)导入环刀内分置层依次振实后,加以小力来成型,然后放入水槽中进行饱水养护对于无胶结的钙质砂也采用分层振实的方法,先将上下剪切盒用销钉固定,再依次将透水石和滤纸垫于下部,再将无胶结试样分层置于其中,每放一层振实一下,最终使试样达到指定高度,从而确保初始干密度一致,然后再附上滤纸和上透水石,再放入水槽中进行饱水养护 h 根据胶结度可将试样分成组,每组设有种轴荷载和种剪切速率(见表),故每组需做 个试样,一共做 个试样,此外为降低试验过程的误差,对每组进行平行试验的设计,从而确保数据的可靠性表设计方案T a b D e s i g ns c h e m e胶结度/轴荷载/k P a剪切速率/(mmm i n)结果与讨论 剪切速率对强度的影响 剪应力剪切位移曲线分析下面将在各指定胶结度的组别内分析钙质砂在不同剪切速率下的剪切位移与剪应力关系由于篇幅所限,仅列出各组别下 mm/m i n,mm/m i n和 mm/m i n剪切速率剪应力剪切位移图(见图图)胶结:法向应力较低(k P a和 k P a)时,试样在各剪切速率下呈小幅度的应变软化现象,并且曲线走向表现平稳,在法向应力 k P a下的剪应力趋于 k P a上下,法向应力 k P a下的剪应力趋于 k P a上下而当法向应力上升到 k P a时,试样呈应变硬化,并随着剪切速率的增加逐渐向应变软化转变第期谢永晟,等剪切速率对水泥胶结钙质砂强度及变形的影响剪应力/kPa(a)0.2 mm/min(b)0.8 mm/min(c)2.4 mm/min0123456剪切位移/mm0123456剪切位移/mm0123456剪切位移/mm300250200150100500剪应力/kPa400350300250200150100500剪应力/kPa5004003002001000法向应力50 kPa法向应力100 kPa法向应力200 kPa法向应力400 kPa茛法向应力50 kPa法向应力100 kPa法向应力200 kPa法向应力400 kPa茛法向应力50 kPa法向应力100 kPa法向应力200 kPa法向应力400 kPa茛图无胶结组剪切位移剪应力图F i g S h e a rd i s p l a c e m e n t s h e a r s t r e s sd i a g r a mo fu n c e m e n t e dg r o u p(a)0.2 mm/min(b)0.8 mm/min(c)2.4 mm/min0123456剪切位移/mm0123456剪切位移/mm0123456剪切位移/mm300250200150100500剪应力/kPa250200150100500剪应力/kPa250200150100500剪应力/kPa法向应力50 kPa法向应力100 kPa法向应力200 kPa法向应力400 kPa茛法向应力50 kPa法向应力100 kPa法向应力200 kPa法向应力400 kPa茛法向应力50 kPa法向应力100 kPa法向应力200 kPa法向应力400 kPa茛图胶结组剪切位移剪应力图F i g S h e a rd i s p l a c e m e n t s h e a r s t r e s sd i a g r a mo f c e m e n t g r o u p湘潭大学学报(自然科学版)年胶结:试样处于低法向应力时呈应变软化当法向应力为 k P a时虽也呈应变软化,但随速率的增加,软化现象更加明显在 k P a下,试样大体呈现应变硬化现象(a)0.2 mm/min(b)0.8 mm/min(c)2.4 mm/min0123456剪切位移/mm0123456剪切位移/mm0123456剪切位移/mm300250200150100500剪应力/kPa300250200150100500剪应力/kPa300250200150100500剪应力/kPa法向应力50 kPa法向应力100 kPa法向应力200 kPa法向应力400 kPa茛法向应力50 kPa法向应力100 kPa法向应力200 kPa法向应力400 kPa茛法向应力50 kPa法向应力100 kPa法向应力200 kPa法向应力400 kPa茛图胶结 组剪切位移剪应力图F i g S h e a rd i s p l a c e m e n t s h e a r s t r e s sd i a g r a mo f c e m e n t e d g r o u p(a)0.2 mm/min(b)0.8 mm/min(c)2.4 mm/min0123456剪切位移/mm0123456剪切位移/mm0123456剪切位移/mm300250200150100500剪应力/kPa350300250200150100500剪应力/kPa350300250200150100500剪应力/kPa法向应力50 kPa法向应力100 kPa法向应力200 kPa法向应力400 kPa茛法向应力50 kPa法向应力100 kPa法向应力200 kPa法向应力400 kPa茛法向应力50 kPa法向应力100 kPa法向应力200 kPa法向应力400 kPa茛图胶结 组剪切位移剪应力图F i g S h e a rd i s p l a c e m e n t s h e a r s t r e s sd i a g r a mo f c e m e n t e d g r o u p第期谢永晟,等剪切速率对水泥胶结钙质砂强度及变形的影响 胶结:试样在低法向应力下,整体呈应变硬化,随速率的增加趋势有所减弱,而当处于较高的法向应力(k P a和 k P a)下,先呈应变硬化后随着剪切速率的提升向应变软化转变抗剪强度/kPa250200150100500剪切速率/（mmmin-1）0.10.20.40.81.62.4050100150200250300350400450轴向压力/kPa图轴向压力抗剪强度图F i g N o r m a l s t r e s s s h e a r s t r e s sd i a g r a m 胶结:试样在低法向应力下的剪应力出现阶梯状爬升趋势,随剪切速率的增加现象逐渐消失当法向应力上升至 k P a和 k P a时,应变软化现象更加明显,并随剪切速率的增加软化程度加剧水泥胶结钙质砂中水泥与水发生水化反应生成胶结水化产物,胶结度高时,形成的胶结水化物较多,就强度方面而言,水化物的强度稍大于剪切面,由此推测当剪切位移不断增大,水化物发生滚动或逐渐碎裂,这就导致平台后剪应力有所下降而当法向应力大时,水化物易破碎,曲线难以出现阶梯状 抗剪强度指标整理已得数据并进行处理,绘制出抗剪强度包线,篇幅所限,在此仅列出胶结下的轴向压力抗剪强度图(见图)饱水处理后的钙质砂黏聚力几乎没有,与钙质砂的普遍认知基本相同,无胶结的钙质砂随着速率的不断提升,表现出内摩擦角先减后增的变化趋势而胶结后的钙质砂随着胶结度的不断提升,黏聚力呈先快后慢的上升趋势,内摩擦角则表现为先快速下降随后延缓下降的趋势胶结后的钙质砂随着速率的不断提高呈现出黏聚力上升、内摩擦角下降的趋势探究原因,当钙质砂与水泥胶结后,水泥不断发生水化反应形成凝胶产物,包裹填充钙质砂颗粒的胶结水化物也随之增多,进而黏聚力得到提升,内摩擦有所下降,并且当胶结度不断提升,黏聚力会持续增强当胶结度一定时,试样在较低的剪切速率下,破坏时长有所增加,颗粒与水化物之间的有效接触点变多,内摩擦角由此上升,而当剪切速率较大时,试样要克服水化物错位和翻滚等带来的阻力,因此,在剪切速率较高时黏聚力有所增强 峰值应力相同胶结度下的试样的峰值应力随着剪切速率的增大呈先减后增的趋势而相同剪切速率下的试样峰值应力随胶结度的提高而逐步提升,但在较低胶结度下,试样的峰值应力略低于无胶结的试样峰值应力(见图)处于较低法向应力下的试样除体现以上趋势外,在较高的胶结度下对峰值应力提升较大,最终在胶结度 时表现出峰值应力高于胶结度的峰值应力当法向应力 k P a以上时,无胶结与低胶结的峰值应力差距较为明显湘潭大学学报(自然科学版)年由上述可知在较低胶结度时,黏聚力会随着胶结度的提高而小幅提升,但内摩擦角下降明显,法向应力较高时,胶结钙质砂以颗粒破碎成主要特征,导致峰值应力有所下降,而后随着胶结度的提高,黏聚力逐步提升,颗粒间的黏结作用成主导,峰值应力随之上升(a)0.2 mm/min(b)0.4 mm/min(d)2.4 mm/min(c)1.6 mm/min法向应力50 kPa法向应力100 kPa法向应力300 kPa法向应力400kPa茛法向应力50 kPa法向应力100 kPa法向应力300 kPa法向应力400 kPa茛法向应力50 kPa法向应力100 kPa法向应力300 kPa法向应力400 kPa茛法向应力50 kPa法向应力100 kPa法向应力300 kPa法向应力400 kPa茛法向应力50 kPa法向应力100 kPa法向应力300 kPa法向应力400 kPa茛-20246810121416胶结度/%300250200150100500峰值应力/kPa-20246810121416胶结度/%300250200150100500峰值应力/kPa-20246810121416胶结度/%350300250200150100500峰值应力/kPa-20246810121416峰值应力/kPa350300250200150100500胶结度/%图不同剪切速率下胶结度峰值应力图F i g C e m e n t a t i o n p e a ks t r e s sm a p s a td i f f e r e n t s h e a rr a t e s 剪切速率对变形的影响不同剪切速率下,处于较低法向应力下的试样更易呈现先剪缩后剪胀的现象;而处于较高法向应力的样品,易呈现出剪缩现象,并随着剪切速率的不断提升,剪缩程度也相应减弱因篇幅所限,仅列出胶结钙质砂在 mm/m i n下种胶结度情况的剪切位移垂直变形图(见图)胶结时:试样在法向应力较低时,呈现先剪缩后剪胀的现象,当法向应力达到 k P a时,大体呈剪缩现象,但剪缩程度随着剪切速率增大而减弱胶结时:试样在 k P a和 k P a除了呈大体趋势外,在较低剪切速率下的变形量表现较为连贯,略呈线性趋势,并且最大变形量不及处于高剪切速率下的情况试样在较高剪切速率情况下,曲线曲率增大,先呈现出快速剪胀随后减弱的趋势 胶结时:处于 k P a下的试样变形量随着剪切位移的增大而逐渐趋于稳定,即随着位移增大垂直变形不变,并且随着剪切速率增大,达到这个最大垂直变形的所需剪切位移不断减小 胶结时:处于低法向应力下的试样呈先剪缩后剪胀的趋势,但随着剪切速率增大,剪胀量先增后减试样在 k P a下变形特征由剪缩转向剪胀当法向应力 k P a时,试样表现剪缩特性上述现象是由胶结水化物错位和破坏共同形成,当法向应力较低时,水化物不容易破坏,第期谢永晟,等剪切速率对水泥胶结钙质砂强度及变形的影响并在较大的剪切速率下会更易于错位、翻滚等而当法向应力较大时,水化物不易翻滚与错位,并且当剪切速率较大时水化物易破碎,以颗粒破碎现象为主(a)0.2 mm/min(b)0.4 mm/min(d)2.4 mm/min(c)1.6 mm/min0123456剪切位移/mm法向应力100 kPa法向应力200 kPa法向应力300 kPa法向应力400 kPa茛0123456剪切位移/mm0123456剪切位移/mm0123456剪切位移/mm法向应力100 kPa法向应力200 kPa法向应力300 kPa法向应力400 kPa茛法向应力100 kPa法向应力200 kPa法向应力300 kPa法向应力400 kPa茛法向应力100 kPa法向应力200 kPa法向应力300 kPa法向应力400 kPa茛0.300.250.200.150.100.050.00-0.05-0.10垂直变形/mm垂直变形/mm0.40.30.20.10.0-0.1-0.2-0.3垂直变形/mm0.40.30.20.10.0-0.1-0.2垂直变形/mm0.50.40.30.20.10.0-0.1-0.2图 mm/m i n下不同胶结度的剪切位移垂直变形图F i g S h e a rd i s p l a c e m e n t s v e r t i c a l d i s p l a c e m e n t s a td i f f e r e n t c e m e n t a t i o n l e v e l s a t mm/m i n结论)水泥胶结钙质砂在相同胶结度下,随着剪切速率增大,抗剪强度先减后增黏聚力随剪切速率的增加呈上升的趋势,内摩擦角呈现为下降趋势)水泥胶结钙质砂在相同剪切速率下,较低的法向应力抗剪强度随胶结度的提高,提升有限,而较高法向应力下的抗剪强度随胶结度提高,提升更为显著黏聚力随胶结度的上升而上升,内摩擦角呈下降趋势)水泥胶结钙质砂在低法向应力下,更易呈现先剪缩后剪胀的形式;而在较高的法向应力下,易呈现出剪缩形式,但随着剪切速率的增大剪缩程度减弱参考文献刘崇权,杨志强,汪稔钙质土力学性质研究现状与进展J岩土力学,():朱长歧,陈海洋,汪稔钙质砂颗粒内孔隙的结构特征分析J岩土力学,():张家铭,蒋 国盛,汪稔颗 粒 破碎 及 剪 胀 对 钙 质 砂 抗 剪 强 度 影 响 研 究 J岩 土 力 学,():孙越,肖杨,周伟钙质砂和石英砂压缩下的颗粒破碎与形状演化J岩土工程学报,():湘潭大学学报(自然科学版)年王刚,查京京,魏星循环三轴应力路径下钙质砂颗粒破碎演化规律J岩土工程学报,():S HAHNA Z A R IH,R E Z VAN IR E f f e c t i v ep a r a m e t e r sf o rt h ep a r t i c l eb r e a k a g eo fc a l c a r e o u ss a n d s:A ne x p e r i m e n t a l s t u d yJ E n g i n e e r i n gg e o l o g y,:HYUNWO OKC,M I NHYUK K,L AM I A T,e ta l C r e e po fc a l c a r e o u ss a n di nt u n i s i a:e f f e c to fp a r t i c l eb r e a k a g ea t l o ws t r e s s l e v e lJ I n t e r n a t i o n a l j o u r n a l o fg e o e n g i n e e r i n g,():吕亚茹,王冲,黄厚旭珊瑚砂细观颗粒结构及破碎特性研究J岩土力学,():王逸杰,蒋宁俊原位激发微生物成矿加固钙质砂的剪切与压缩特性研究J高校地质学报,():田朝阳,兰恒星,刘鑫考虑形貌特征和级配影响的钙质砂压缩破碎力学特性研究J工程地质学报,():YA S E RJ,HAME DJ D y n a m i cp r o p e r t i e so f c a l c a r e o u s s a n d f r o mt h ep e r s i a ng u l f i nc o m p a r i s o nw i t hs i l i c e o u ss a n d sd a t a b a s eJ I n t e r n a t i o n a l j o u r n a l o f c i v i l e n g i n e e r i n g,():L I UL,L I U HL,S TU E D L E I NA W,e t a l S t r e n g t h,s t i f f n e s s,a n dm i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fb i o c e m e n t e dc a l c a r e o u ss a n dJ C a n a d i a ng e o t e c h n i c a l j o u r n a l,():陈宾,邓坚,胡杰铭,等钙质砂一维蠕变分形破碎特性宏微观试验研究J岩土力学,():,朱长歧,周斌,刘海峰天然胶结钙质土强度及微观结构研究J岩土力学,():王丽,鲁晓兵,王淑云,等钙质砂的胶结性及对力学性质影响的试验研究J实验力学,():李昊,唐朝生,刘博,等模拟海水环境下M I C P固化钙质砂的力学特性J岩土工程学报,():I S MA I LM A,J O E RH A,R AN D O L P H MF S a m p l ep r e p a r a t i o nt e c h n i q u e f o r a r t i f i c i a l l yc e m e n t e ds o i l sJG e o t e c h n i c a l t e s t i n g j o u r n a l,():方祥位,申春妮,楚剑,等微生物沉积碳酸钙固化珊瑚砂的试验研究J岩土力学,():刘汉龙,肖鹏,肖杨,等M I C P胶结钙质砂动力特性试验研究J岩土工程学报,():曾召田,付慧丽,吕海波,等水泥胶结钙质砂热传导特性及微观机制J岩土工程学报,():柴 维,龙 志 林,旷 杜 敏,等直 剪 剪 切 速 率 对 钙 质 砂 强 度 及 变 形 特 征 的 影 响 J岩 土 力 学,(增刊):P OU L V L,L I G G I O C D,J UNGMAN N S t r a i nr a t e,c r e e p,a n ds t r e s sd r o p c r e e pe x p e r i m e n t so nc r u s h e dc o r a l s a n dJJ o u r n a l o fg e o t e c h n i c a l a n dg e o e n v i r o n m e n t a l e n g i n e e r i n g,():(责任编辑:夏金玉)第期谢永晟,等剪切速率对水泥胶结钙质砂强度及变形的影响