水泥土力學(xué)性能與聲發(fā)射參數(shù)持續(xù)時間的關(guān)系研究

孫振國+李明寶+陳沖+張旭

摘 要：為研究水泥土力學(xué)性能與聲發(fā)射參數(shù)持續(xù)時間的關(guān)系，利用聲發(fā)射技術(shù)對水泥土的無側(cè)限壓縮過程進(jìn)行全程監(jiān)測。通過對水泥土力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行分析，得到水泥土在無側(cè)限壓縮下應(yīng)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(fā)射信號參數(shù)持續(xù)時間進(jìn)行分析，得出水泥土壓縮過程中各聲發(fā)射特性參數(shù)持續(xù)時間也大致分為四個階段，并且通過對比力學(xué)曲線和持續(xù)時間分布圖得出力學(xué)曲線的變化階段與持續(xù)時間分布圖的變化基本相一致。

關(guān)鍵詞：水泥土；聲發(fā)射信號參數(shù)；持續(xù)時間

中圖分類號：TU472.3 文獻(xiàn)標(biāo)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(jié)構(gòu)更加堅固，抗壓性能更加良好，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的地基基礎(chǔ)、道路路基中。對于一些大型水泥土結(jié)構(gòu)，對其的研究不僅僅停留在加固中，現(xiàn)在更多的研究集中在對其抗壓性能的研究以及水泥土內(nèi)部破壞機(jī)理的研究。許多學(xué)者也對此進(jìn)行了一系列的研究。童小東等[1]對水泥土的彈塑性損傷進(jìn)行了試驗研究；王軍等[2]開展了水泥土力學(xué)特性的試驗研究，而把聲發(fā)射技術(shù)引入水泥土的力學(xué)試驗中的研究相對較少。

許多專家學(xué)者已經(jīng)將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，用來研究建筑結(jié)構(gòu)的損傷和破環(huán)。以美國的 R.M.Koerner 為代表學(xué)者們首先將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用到土工領(lǐng)域[4]；張明等[5]利用累積聲發(fā)射數(shù)與損傷變量一致的觀點建立了力學(xué)參數(shù)和聲發(fā)射參數(shù)的關(guān)系；本文通過對水泥土進(jìn)行壓縮試驗，將壓縮力學(xué)特性曲線和聲發(fā)射信號特性參數(shù)進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射持續(xù)時間能很好的反映水泥土壓縮的不同階段，為聲發(fā)射檢測技術(shù)在水泥土中的應(yīng)用提供了依據(jù)。

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(qiáng)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(jìn)行天然風(fēng)干，通過人工把試驗用土碾碎，之后用5mm的篩子進(jìn)行篩分。試驗依據(jù)設(shè)計規(guī)程并結(jié)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?dāng)嚢柚辆鶆颍謨蓪友b入7.07cm×7.07cm×7.07cm立方體試模內(nèi)并插搗振實。成型后的立方體試件放在（20±5）℃環(huán)境下靜置48小時，之后對試件拆模并放在（20±1）℃水中養(yǎng)護(hù)28天，養(yǎng)護(hù)完成后對試件進(jìn)行壓縮下聲發(fā)射檢測試驗。試驗采用美國PAC公司制造的全天候結(jié)構(gòu)健康檢測系統(tǒng)和AEwin軟件對聲發(fā)射信號進(jìn)行采集分析，并采用型號為TYJ-500KN的電液伺服試驗機(jī)加載設(shè)備對試件進(jìn)行無側(cè)向抗壓強(qiáng)度試驗。本實驗通過設(shè)置單通道對信號進(jìn)行采集，對聲發(fā)射的持續(xù)時間參數(shù)進(jìn)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(fā)射信號采集同步進(jìn)行。

2 試驗結(jié)果及分析

通過單軸壓縮試驗和聲發(fā)射檢測試驗，得到圖1水泥土試件壓縮應(yīng)力隨時間變化的關(guān)系曲線圖和圖2聲發(fā)射信號持續(xù)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(wěn)，先出現(xiàn)一段近似平線階段，隨后呈現(xiàn)出彎曲線，斜率逐漸增大，這是由于水泥土在荷載作用下內(nèi)部空隙縮小，水泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到壓密，水泥土結(jié)構(gòu)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(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和應(yīng)力-時間關(guān)系近似呈直線，水泥土出現(xiàn)硬化，B點的應(yīng)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(guān)系曲線開始發(fā)生偏離，不再呈現(xiàn)直線狀態(tài)，隨著應(yīng)力的增加應(yīng)變變化增大，水泥土出現(xiàn)軟化，水泥土的應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力，峰值應(yīng)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(yīng)力后，水泥土在應(yīng)變變化很小的情況下，應(yīng)力發(fā)生較大的衰減。

從圖2聲發(fā)射信號持續(xù)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(fā)射信號的持續(xù)時間分布較少，甚至沒有；在50s-200s之間，聲發(fā)射信號的持續(xù)時間分布增大，并多次達(dá)到較大峰值，說明水泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu)正在發(fā)生破壞，釋放大量的聲發(fā)射信號；在200s以后持續(xù)時間的分布逐漸減少，并且持續(xù)時間的大小也在不斷減小，說明材料已經(jīng)發(fā)生破壞。對比圖1和圖2可以看出，聲發(fā)射信號持續(xù)時間對時間的分布和受荷下應(yīng)力-時間關(guān)系相對應(yīng)，即聲發(fā)射持續(xù)時間分布和應(yīng)力值隨著時間先增大后減小，并且在出現(xiàn)變化和轉(zhuǎn)折的時間也大致相對應(yīng)，這為利用聲發(fā)射技術(shù)預(yù)報結(jié)構(gòu)破壞的發(fā)生和破壞的程度提供了依據(jù)。

3 結(jié)束語

本文對水泥土的聲發(fā)射信號持續(xù)時間進(jìn)行了詳細(xì)研究，通過對水泥土試件壓縮過程中采集的聲發(fā)射信號持續(xù)時間的分析，得到以下結(jié)論：通過對水泥土力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行分析，得到水泥土在無側(cè)限壓縮下應(yīng)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(fā)射信號參數(shù)持續(xù)時間進(jìn)行分析，得出水泥土壓縮過程中各聲發(fā)射特性參數(shù)持續(xù)時間也大致分為四個階段，并且通過對比力學(xué)曲線和持續(xù)時間分布圖得出力學(xué)曲線的變化階段與持續(xù)時間分布圖的變化基本相一致，并且在出現(xiàn)變化和轉(zhuǎn)折的時間也大致相對應(yīng)，這為利用聲發(fā)射技術(shù)預(yù)報結(jié)構(gòu)破壞的發(fā)生和破壞的程度提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[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(xué)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(xué)特性及本構(gòu)模型研究[J].巖土力學(xué)，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(qiáng).準(zhǔn)脆性材料聲發(fā)射的損傷模型及統(tǒng)計分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25（12）：2493-2495.endprint