淤泥輕量土抗剪特性及其細觀結構變形研究

馮永　張盼盼　胡浩晨

摘要：為了深入探究淤泥輕量土的抗剪特性及其細觀結構變形機理，采用室內單軸壓縮試驗、三軸剪切試驗與ABAQUS有限元數值模擬相結合的方法，通過對比細觀模擬監測結果與試驗成果，系統分析了不同水泥摻量、圍壓、EPS摻量及其粒徑對淤泥輕量土的抗剪強度特性及細觀變形的影響。結果表明：OEPS顆粒摻量對淤泥輕量土的破壞應變及其屈服強度峰值有顯著影響。②高水泥摻量對其強度特性及結構變形有重大影響，但其破壞應變受其影響不大，試驗結果中破壞應變最大僅相差0.5%。③EPS顆粒定點位監測的數值模擬結果表明，在相同條件下，三個點位的EPS顆粒變形及其應力應變關系并不相同，上點位應變值最大，下點位比上點位的應變值平均小約1.5%。另外在一定的壓力范圍內，試樣破壞之前EPS顆粒在土體內發生的位移并不明顯，與試樣土體的位移僅差0.15 mm，變化速率與室內試驗結果一致。

關鍵詞：淤泥混合輕量土;抗剪特性;細觀結構變形;ABAQUS數值模擬

中圖分類號：TU43

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.06.026

近年來，隨著“既要綠水青山，又要金山銀山”綠色發展理念的推動，廢棄材料資源化已成為亟需解決的問題。在現有的國內外疏浚淤泥處理方法中，傳統的脫水、燒結方法難以滿足大批量的淤泥處理要求。EPS（可發性聚苯乙烯）淤泥混合輕量土技術從全新的角度把淤泥當作“資源”看待，是既經濟環保又輕質、高強的人工合成填料。針對這一新型環保土體材料組成成分和物理力學性質影響因素的復雜性，近年來國內外學者對其物理特性及影響因素展開了大量研究[1-6]。侯天順等[7]通過直剪試驗研究了不同EPS粒徑輕量土抗剪強度的變化規律。朱偉等[8-10]通過三軸試驗對淤泥混合輕量土的力學特性及本構模型進行了深入研究，并取得了大量成果。陳晨等[11]基于淤泥氣泡混合土內部微孔分布的細觀特征，利用物理力學試驗實測及數值模擬計算并結合細觀圖像分析技術，驗證了有限元分析的可能性，從細觀尺度上揭示了土體內部的破壞機理，并提出了淤泥氣泡混合土的力學性質與微孔的細觀特征具有很大的相關性，土體內部細觀結構對其最終的破壞形式有很大影響。戴文亭等[12]利用室內試驗及ABAQUS有限元軟件初步對混合輕量土力學特性進行數值模擬，分析了其強度特性及變形規律。

綜上所述，盡管已有很多學者對淤泥輕量土物理力學特性及影響因素進行了研究，但多是基于室內試驗進行宏觀方面的分析，對循環荷載作用下的強度特性及細觀機理動態模擬的研究相對較少。

因此，筆者采用ABAQUS有限元軟件及室內試驗相結合的方法，驗證分析了水泥摻量、EPS摻量及圍壓等因素對淤泥輕量土抗剪強度特性及細觀破壞形態產生的影響。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

采用黃河鄭州段的疏浚淤泥作為原料土，其物理參數見表1。固化材料采用河南天瑞水泥廠生產的32.5#普通硅酸鹽水泥，選取粒徑分別為3、4 mm的球形EPS顆粒作為輕化材料。

1.2 試樣的制備

制樣時以干土質量為標準，按照擬定的配合比加入碾碎過篩后的干土、EPS顆粒、水泥及自來水。通過攪拌后，分層裝入試驗模具，試樣修平后置人標準養護箱中養護（溫度20+2℃，濕度>97%）28 d，再進行標準真空抽氣飽和。

1.3 試驗方案及配合比

根據工程應用及試驗目的，分別對不同EPS摻量及水泥摻量的分組試樣在含水率為50%、標準養護至28 d條件下，進行單軸壓縮試驗及固結不排水三軸試驗，剪切應變速率為0.008 mm/min。

依據強度理論及相關土工試驗規范規定，所選摻量以干土質量為計算基數，選定了8種配合比，且每種配合比制作了3組試樣，試樣尺寸與模具尺寸等同（高80 mm、直徑39.1 mm）。本次試驗中材料的配合比見表2。

試驗過程中選擇不同的控制變量進行抗剪強度測試，研究多種影響因素如不同水泥摻量、圍壓、EPS摻量及EPS粒徑等對淤泥輕量土抗剪強度的影響，進一步探究其宏細觀強度變化機理及變化規律。

2 試驗結果分析

選用幾組代表性試驗數據進行研究分析，應力應變曲線見圖1-圖3。

試驗發現EPS顆粒摻量是影響淤泥輕量土抗剪強度的一個重要參數。由圖1可知，不同EPS摻量下淤泥輕量土的強度皆呈現多階段變化，但變化范圍及屈服強度峰值存在明顯差距。隨著EPS摻量的增大，破壞應變顯著增大，應力強度變化速率隨著EPS顆粒摻量的增大明顯減小，導致其發生彈塑性變化的區間變長。

本次試驗設定水泥摻量為6% - 15%，由于在試樣制作中水泥為固化材料，水泥能使輕化骨料與土體之間形成較強的膠結力，因此水泥含量對試樣破壞應變具有一定的影響。由圖2可知，水泥摻量對淤泥輕量土的破壞應變影響較小，多種配合比下應變相差不足1.0%。因此，在一定水泥摻量范圍內，可忽略其對淤泥應變的影響。研究發現，在高水泥摻量下，淤泥輕量土內部EPS顆粒與固結土之間的膠結作用強度較大，隨著應力的逐漸增大，試樣較易發生脆性破壞。

由圖3可知，圍壓是影響試樣抗剪強度的一個重要因素。隨著圍壓的不斷增大，試樣彈塑性應變階段明顯加長，而應力應變曲線初始段線性程度較低，切線斜率逐漸減小。在高圍壓工況下，當應變較小時其初始彈性應變和主應力差也較小。

3 細觀數值模擬分析

3.1 ABAQUS有限元模型的建立

為深入分析淤泥輕量土細觀結構多相體系之間的變形關系，根據室內試驗獲得的大量成果，針對性開展了淤泥輕量土細觀尺度下的數值模擬研究。

采用ABAQUS有限元軟件建立尺寸與室內試驗試樣相同的3D有限元模型，由partl -EPS球形顆粒與part2-淤泥固結土體構成，均為三維可變性實體部件，如圖4所示。

模型的邊界條件設置為軸對稱，頂部水平位移均為0，豎直方向不受約束。模型側面施加相應強度的圍壓P1，端部施加荷載P2，模型整體施加一個重力γ，底部三個方向均受約束，模型荷載形式如圖5所示。

模型的材料屬性參數（見表3）與室內試驗數據相同。EPS顆粒材料選用彈性本構模型，淤泥固結土選用彈塑性本構模型，二者之間的接觸類型選擇generalcontact接觸.EPS顆粒的外表面相對于固結土為從屬面。模型頂部及底部是受力集中部位，劃分網格時對其加密，而其他部位網格相對稀疏。EPS顆粒球形體的網格劃分對計算結果的精確度格外重要，甚至會造成計算不收斂，該模型中EPS顆粒采用六面體剖分及矩形掃略方式進行網格劃分。循環荷載的加載通過控制分析步的個數及計算時間來完成。根據淤泥輕量土細觀結構的變形機理及物理力學特性，選用摩爾一庫侖模型進行模擬分析。

3.2 有限元模擬結果分析

試樣配合比參數通過試驗參數來體現，圍壓由邊界條件可直接設置，選取Ae=4. 00-10，Ae=15.0%，ω=50%.粒徑d=4 mm，養護28 d。基于圍壓參數分兩種工況進行模擬分析，工況一模型側面設200 kPa圍壓，工況二模型側面設100 kPa圍壓，其應力、位移云圖如圖6、圖7所示。

由土體及細觀EPS顆粒的應力云圖和位移云圖可以看出：工況一淤泥輕量土的最大應力發生在試樣頂部，約為297.2 kPa，頂部應變約為5.34%，軸向位移約為2.56 mm，水平方向可以忽略不計，其應力從頂部往下呈現逐漸減小的趨勢。值得提出的是，試樣中EPS顆粒的位移為2.41 mm，與固結土體壓縮變形僅差0.15 mm，應變約差0.2%。原因在于，荷載加載前期階段，水泥使EPS顆粒與土體之間形成較強的膠結力，在一定壓力范圍內，土體破壞之前EPS顆粒并沒有發生結構性變形，只是產生了微小移動并重新排列。工況二當施加100 kPa圍壓時，試樣頂部的最大應力為188.8 kPa，軸向位移為1.93 mm.應變僅約為3.43%.發生的位置明顯集中在試樣的頂部區域，其變化趨勢與工況一相同，從頂部往下呈現逐漸減小趨勢。

通過兩種工況的模擬數據對比分析可知，工況一的模擬值均為工況二模擬值的1.5倍左右，表明隨著圍壓的逐漸增大，淤泥輕量土的應力、應變逐漸增大，其變化速率與室內試驗數據的基本一致。

3.3 數值模擬與室內試驗結果對比分析

由于分析數據眾多，因此僅選定幾組典型配合比進行代表分析，結果如圖8、圖9所示。通過對影響淤泥輕量土強度特性的多種影響因素數據對比分析發現，數值模擬結果與試驗結果很大程度上相～致，吻合度高達95%.所選數據誤差很小。本節以不同EPS顆粒粒徑的數據進行詳細分析。

由圖8、圖9可知：淤泥輕量土的應力應變關系具有多個階段變化及非線性特征，這與相關研究文獻成果一致。隨著圍壓和EPS粒徑的增大，淤泥輕量土強度明顯減小，原因是試樣在受力加載初期內部細觀結構只產生一些微小的孔隙裂縫，EPS顆粒并未發生明顯變化：伴隨著軸向有效應力的繼續增大，微小裂縫被壓實閉合，細觀結構間的作用強度減小，其應力應變曲線近似呈現直線上升趨勢：同時EPS顆粒體積開始發生快速變形，且其變化速度隨著圍壓和EPS粒徑的不同而有明顯變化：當有效應力達到其屈服強度時，其內部細觀結構間的作用完全喪失，試樣發生了剪切破壞.EPS顆粒體積及其應力應變的變化呈現較緩慢的穩定趨勢。

4 EPS顆粒監測數值模擬分析

基于淤泥輕量土組成成分及力學特性的復雜性，為進一步探究其細觀結構的變化規律，根據上述兩種工況（即工況一模型設200 kPa圍壓，工況二模型設100 kPa圍壓）下試樣的應力應變關系，選取了土體內部上、中、下相同位置的3個EPS顆粒（分別為EPS-Lin-3-I、EPS-Lin-3 -3及EPS-Lin-3 -6），其應力應變云圖如圖10所示。

本文分別以所選點位為起點對其進行應力應變監測，兩種工況不同路徑的應變、應力曲線如圖11、圖12所示。

由兩種工況下3個點位的應力應變路徑曲線可知，試樣頂部EPS-Lin-3 - IEPS顆粒的應力、應變最大，下點位EPS-Lin-3-6比上點位EPS-Lin-3-I的應變平均小約1.5%。從土體中間區域至其端部，其應力、應變呈緩慢增大趨勢，說明對試樣施壓的起初階段，其底部和端部最先發生變化，隨著壓力的增大，試樣的應力、應變逐漸傳遞至其中間部位，EPS顆粒發生微小的移動，但并未發生明顯變形。另外，工況二下EPS顆粒3個點位的應力、應變均明顯比工況一的偏小，與試樣土體的整體變化規律一致。

5 結論

通過三軸剪切試驗、單軸壓縮試驗及ABAQUS有限元數值模擬，研究了不同EPS顆粒摻量、水泥摻量及圍壓等因素對淤泥輕量土抗剪特性及細觀結構變形機理的影響，得到以下結論。

（1）由試驗分析可知，不同EPS顆粒及不同水泥摻量下淤泥輕量土強度曲線的變化趨勢雖然呈現一致狀態，但強度特性變化范圍及屈服強度峰值有差別。在低圍壓下，試樣破壞應變受水泥摻量影響不大。

（2）EPS顆粒的粒徑及摻量對淤泥輕量土的抗剪強度有顯著影響，在試樣整個變形過程中EPS顆粒變形占主導地位。隨著軸向有效應力的增大，淤泥輕量土內部細觀結構及EPS顆粒體積的變形是導致試樣發生剪切破壞的主要因素。

（3）通過ABAQUS有限元數值模擬可知，隨著荷載的循環變化，土體受力變形趨勢與室內試驗值變化趨勢基本一致，吻合度約達90%.進一步驗證了有限元模擬的合理性。另外，通過對EPS顆粒定點位應力、應變監測得知，相同條件下3個點位EPS顆粒應力應變關系并不相同，上點位應力、應變最大，下點位EPS-Lin-3-6比上點位EPS-Lin-3-I的應變平均小約1.5%。

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【責任編輯張華巖】