高常辉， 马芹永,2， 马冬冬

(1. 安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001； 2. 安徽理工大学 矿山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001)

水泥土以其施工方便、价格低廉以及稳定的力学性质等优势，被广泛地应用于软土地基加固中[1-2]。我国沿海地区广泛分布着深厚的软弱土层，由于这部分软土地基的工程性质极差，无法满足机场跑道、高速铁路和高速公路等高标准工程的施工要求，所以需要对其进行加固处理，软土地基加固的常用方法是水泥土搅拌法。对于水泥土，工程应用中不仅承受静荷载作用，经常还要承受瞬时动荷载作用。如将水泥土应用于机场跑道基层[3]，飞机以60 m/s速度降落时，瞬时应力将会对跑道表面及水泥土路基造成强大的冲击作用[4]；在水泥土加固地基周围进行机械开挖或者爆破施工，也会对已加固的地基产生冲击作用。目前国内外对水泥土的研究较多，然而这些研究大部分集中在静态荷载的条件下[5-13]，关于水泥土在冲击荷载作用下的动态力学特性研究却鲜见报道。冲击荷载作用下材料的特性与静态条件下有着较大差别[14]，因此有必要对水泥土的冲击压缩特性进行研究。

地基处水泥土受冲击作用影响的实质是水泥土在围压状态下动态力学特性的体现，开展主动围压下水泥土的SHPB试验与冲击压缩特性研究显得尤为重要，对水泥土加固地基工程具有一定的参考价值。

1 试验概述

1.1 SHPB试验装置与原理

试验采用安徽理工大学冲击动力学实验室的Φ50 mm钢质分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验系统，撞击杆、入射杆和透射杆的长度分别为0.6 m、2.4 m和1.2 m，钢质杆的弹性模量210 GPa，密度7.8 g/cm3，纵波波速5 190 m/s。主动围压装置如图1所示，围压应力依靠液压产生，当入射杆高速冲出并推动试样变形时，围压装置内壁会对其径向变形产生限制作用，使试样处于三向压缩状态[15]。

图1 主动围压装置Fig.1 Confining pressure device

1.2 试样制作与试验设计

试验土样为粉质黏土，取自淮河岸边某工地基坑内，液限35.40%，塑限23.82%，最优含水率22.40%，最大干密度1.69 g/cm3；粉质黏土的颗粒级配见表1；水泥采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥。

原状粉质黏土烘干粉碎过2 mm筛，加水配制成含水率为22.4%的土样，搅拌均匀后用保鲜袋密封并静置24 h。水泥按干土重的15%掺入，水灰比为0.5，制样采用分层击实法，试样尺寸为Φ50 mm×H25 mm。将制作完成的水泥粉质黏土试样装入自封袋，移至养护室养护28天，养护温度为(20±2)℃，养护湿度为95%。

待水泥粉质黏土养护结束后，进行不同围压和不同应变率条件下水泥土的SHPB冲击压缩试验，每组试验准备3个平行试样，共计60个试样。具体试验方案见表2。

表2 水泥粉质黏土SHPB试验方案

2 主动围压下水泥粉质黏土SHPB试验结果与分析

2.1 水泥粉质黏土SHPB试验结果与可靠性分析

SHPB试验技术是以应力均匀性假设为基础的[16]，本试验解决应力均匀性问题的措施主要有以下三点：①采用波形整形器对入射波进行整形；②在水泥粉质黏土试样表面和主动围压装置内壁涂抹少量凡士林，以减少摩擦效应；③调平入射杆和透射杆，使试样和压杆共轴。同时，由于水泥粉质黏土的波阻抗相对较低，采用普通电阻应变片无法采集到有效数据，故试验中采用半导体应变片来采集透射波信号。试验采集的典型原始波形如图2所示。

图2 水泥粉质黏土SHPB试验原始波形Fig.2 SHPB original waveform of cemented silty clay

水泥粉质黏土试样实测纵波波速为1 450 m/s，应力波沿试样轴向完成一次透射-反射的时间为34.5 μs。观察图2，入射波上升沿的时间约为150 μs，可满足应力波沿试样轴向4次透射-反射。根据Yang等[17]和毛勇建等[18]的研究，试样满足应力均匀时对应反射次数为4次。因此，试验中水泥粉质黏土试样的应力分布可以满足应力均匀性要求。

水泥土冲击压缩强度是指水泥土材料在承受冲击荷载时所达到的最大应力，以反映水泥土抵抗冲击破坏的能力。试验通过改变冲击气压来获得不同的应变率，同时取应变率时程曲线平台段处应变率的平均值作为平均应变率。对试验结果进行筛选，最终选取平均应变率为130 s-1，152 s-1，160 s-1，172 s-1，180 s-1和195 s-1的六组数据。试验中通过粘贴在入射杆上的电阻应变片和透射杆上的半导体应变片测试入射、反射和透射应变脉冲εi、εr和εt，并通过三波法[19]对电压信号进行处理，得到水泥粉质黏土的冲击压缩强度(三个试样的平均值)数据见表3。

表3 水泥粉质黏土SHPB试验数据

2.2 水泥粉质黏土的破坏形态

不同围压状态下水泥粉质黏土的破坏形态如图3和图4所示。观察图3，单轴冲击压缩状态(围压0 MPa)下水泥粉质黏土试样在破坏时出现了不同程度的碎裂形态，而图4所示围压作用下水泥粉质黏土试样在冲击试验后基本保持完好，表现出一定的整体性。上述现象说明水泥粉质黏土试样在破坏时径向变形受到了围压装置的约束，限制了试样微裂隙的进一步扩展，表现出较为明显的弹-塑性材料特征。

图3 单轴条件下水泥粉质黏土试样的破坏形态Fig.3 Failure modes of cemented silty clay under uniaxial compression

图4 围压作用下水泥粉质黏土试样的破坏形态Fig.4 Failure modes of cemented silty clay under confining pressure

2.3 围压和应变率对水泥粉质黏土动态应力-应变曲线的影响

为探求围压和应变率对水泥粉质黏土动态应力-应变曲线的影响，选取应变率为172 s-1时不同围压状态下水泥粉质黏土的动态应力-应变曲线进行分析，见图5；选取单轴冲击压缩和围压状态下的水泥粉质黏土在不同应变率下的动态应力-应变曲线，分别见图6和图7。

图5 SHPB试验中水泥粉质黏土的动态应力-应变曲线Fig.5 Dynamic stress-strain curves of cemented silty clay

图6 单轴条件下水泥粉质黏土在不同应变率下的动态应力-应变曲线Fig.6 Dynamic stress-strain curves of cemented silty clay at different strain rate under uniaxial compression

图5中，在同一应变率条件下，随着围压的增大，水泥粉质黏土的动弹性模量和峰值应力均相应地提高；从图6和图7可以看出，应变率对水泥粉质黏土的动态应力-应变曲线影响较大，单轴和围压状态下，其动态峰值应力和峰值应变均随应变率的增大而增大。观察图5～图7，水泥粉质黏土试样在单轴和围压状态下的动态应力-应变曲线走势相似，均经历弹性变形阶段(O-A)、塑性变形阶段(A-B)和破坏阶段(B-C)，典型动态应力-应变曲线三个阶段如图8所示。

图7 围压作用水泥粉质黏土在不同应变率下的动态应力-应变曲线Fig.7 Dynamic stress-strain curves of cemented silty clay at different strain rate under confining pressure

图8 SHPB试验中水泥粉质黏土的典型动态应力-应变曲线Fig.8 Typical stress-strain curve of cemented silty clay

相比SHPB试验，水泥粉质黏土试样在静态荷载作用下的应力-应变曲线与动态曲线存在较大差异。通过对前期静态强度[20]等数据进行处理，得到如图9所示的静荷载作用下水泥粉质黏土应力-应变曲线。观察图9，曲线大致分为压密阶段(o-a)、小平台段(a-b)、弹性阶段(b-c)、屈服阶段(c-d)、破坏阶段(d-e)和残余强度阶段(e-f)。相比静态应力-应变曲线，水泥粉质黏土的动态应力-应变曲线中无明显的残余强度阶段，其主要原因是冲击试验过程短暂，水泥土试样没有足够的时间进行能量分散和微裂隙扩展，只有通过提高应力的途径来抵抗外部的荷载，当应力到达极限值时瞬间直线下降，并无明显的残余强度。

图9 静态试验中水泥粉质黏土的应力-应变曲线Fig.9 Stress-strain curve of static test

2.4 围压和应变率对水泥粉质黏土冲击压缩强度的影响

上述分析可知，水泥粉质黏土冲击压缩强度与围压和应变率有着密切的关系，为探求围压和应变率对水泥粉质黏土冲击压缩强度的共同影响，建立如图10所示不同围压下水泥粉质黏土冲击压缩强度与应变率的关系散点图。从图中可以看出，相同应变率下水泥粉质黏土冲击压缩强度随围压的增大而增大，相同围压下水泥粉质黏土冲击压缩强度随应变率增大而增大，变化趋势与前面分析吻合。

图10 不同围压下水泥粉质黏土冲击压缩强度与应变率的关系Fig.10 Relation between strength and strain rate under different confining conditions

从图10可以得出，应变率为152 s-1，围压由0.5 MPa增加至2.0 MPa时，水泥粉质黏土的冲击压缩强度比同等条件下单轴状态强度分别提高了30.96%、94.67%、113.79%和124.63%；当应变率为152 s-1，160 s-1和172 s-1时，围压作用下水泥粉质黏土试样的最大冲击压缩强度分别为10.115 MPa、10.323 MPa和11.098 MPa，分别是单轴状态强度的2.25倍、2.11倍和2.11倍。这是因为在围压作用下，水泥粉质黏土试样由单轴条件时的一维应力状态变为此时的三向受力状态，抑制了微裂隙的发展[21]，同时增强了颗粒间的摩擦和咬合力，进而水泥粉质黏土试样的峰值强度得到提高。

应变率对水泥粉质黏土冲击压缩强度的影响也很明显。单轴冲击压缩时，应变率由152 s-1增至195 s-1，相应的峰值应力由4.503 MPa提高到5.606 MPa，峰值应变由0.0302增至0.0376；围压1.5 MPa时，应变率由130 s-1增加到180 s-1，峰值应力则由8.536 MPa提高到11.162 MPa，峰值应变由0.026 3增至0.034 2，增幅分别为30.76%和30.04%。同时，随着应变率增大，两种状态下水泥粉质黏土动弹性模量也有所提高，表明水泥粉质黏土具有较强的应变率效应。这也可由图3水泥粉质黏土破坏形态证实，随着应变率的增大，单轴条件下水泥粉质黏土试样的破碎程度逐渐变大，表现为碎块数量增多，尺寸减小且趋于均匀。原因在于应变率愈大，水泥粉质黏土试样内部裂纹愈是来不及充分发展，于是在各局部区域同时萌生和扩展新的微裂纹，而吸收能量的增加正好体现在扩展裂纹的数量上[22]，使得水泥粉质黏土的峰值强度得到提高。

对围压为0～2.0 MPa的五组数据进行拟合，拟合结果如图10所示，不同围压状态下水泥粉质黏土冲击压缩强度均随应变率的增大而线性增大，故可统一用公式(1)表示：

(1)

表4 水泥粉质黏土SHPB试验数据拟合参数

由表4可以看出，β值随围压变化的幅度不是很大，且随围压变化而变化的规律不明显，故取四组β值的平均数，β=0.045；相比参数β，围压对α值的影响较大，经检验，参数α的变化规律呈现线性变化，随围压p的增大而增大，拟合结果见公式(2)。

α=-0.89+2.11p，R2=0.87，
0 MPa≤p≤2.0 MPa

(2)

式中：α为围压对水泥粉质黏土冲击压缩强度影响的参数；p为围压，MPa；R2为拟合度。

将式(2)和β值代入式(1)，整理得到水泥粉质黏土冲击压缩强度与围压和应变率变化的关系表达式为

3 结 论

通过对不同围压、不同应变率下水泥粉质黏土的SHPB试验结果进行分析，得出以下结论：

(1) 围压和单轴状态下的水泥粉质黏土动态应力-应变曲线走势相似，均经历弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏阶段，但是两种状态下水泥粉质黏土试样的破坏形态不同，单轴条件下水泥粉质黏土试样的破坏程度随应变率增加而逐渐变大，围压作用下水泥粉质黏土在冲击试验后保持较好的整体性。

(2) 相同应变率条件下，水泥粉质黏土冲击压缩强度随围压的增加而增大；相同围压条件下，水泥粉质黏土峰值应力和峰值应变均随应变率的增加而增大，表现出明显的应变率效应。

(3) 试验结果与拟合公式表明，水泥粉质黏土冲击压缩强度与围压和应变率有着密切的关系，围压和应变率共同影响水泥粉质黏土的冲击压缩强度。