纖維水泥土疲勞性能試驗研究

陳峰,童生豪

纖維水泥土疲勞性能試驗研究

陳峰1,2,童生豪2*

1. 福建江夏學院 工程學院, 福建 福州 350108 2. 福州大學 環境與資源學院, 福建 福州 350116

為探究加入纖維對水泥土疲勞性能的影響，采用電液伺服加載系統對玄武巖纖維水泥土試件開展單軸壓縮疲勞試驗。借助疲勞損傷實時監測系統及動態信號測試分析系統，從損傷參數值的變化及試件軸向不可逆變形兩方面分別描述了玄武巖纖維水泥土的疲勞損傷三階段變化規律，分析結果發現兩者變化規律基本對應；通過對比分析不同配比玄武巖纖維水泥土疲勞損傷各階段的變化規律，發現玄武巖纖維對水泥土疲勞特性的改善主要是通過限制疲勞裂紋的形成和擴展，從而提高水泥土的疲勞壽命；水泥土的疲勞壽命與玄武巖纖維摻量在研究范圍內近似呈正相關關系，其具體的關系式符合三參數二次函數模型。

水泥土; 玄武巖纖維; 循環荷載; 疲勞損傷過程; 疲勞壽命

纖維水泥土是在水泥土中摻入均勻分散的纖維而組成的一種復合材料，與普通水泥土相比，纖維水泥土具有良好的抗拉、抗裂等性能。隨著工程建設的發展，水泥土在公路、鐵路、港口、建筑地基加固工程中得到了廣泛的應用[1-4]。由于波浪荷載或車輛荷載為具有不同的作用歷時與幅值變化和頻率的不規則動荷載，會引起水泥加固土地基在復雜的動荷載作用下發生疲勞損傷。雖然疲勞失效的應力水平遠低于材料的強度極限，但材料破壞時往往沒有明顯的征兆，破壞時會造成重大損失。

簡文彬[5]等發現，水泥土在循環荷載作用下的疲勞失效過程大致可分為疲勞裂紋的形成、擴展、相互聯結發生最終的破壞三個主要階段。張敏霞[6]等在對循環荷載作用下水泥土疲勞特性及損傷行為研究中，詳述了應力水平、齡期、水泥摻合比等對水泥土疲勞壽命的影響。侯永峰[7]等采用水泥土開展動三軸實驗，研究了循環荷載作用下循環應力比、加荷周數和圍壓對水泥土軸向應變的影響。

玄武巖纖維（簡稱BF）作為一種新型環保材料，屬于人工合成纖維的一種，具有耐腐蝕性能好、抗拉強度高、彈性模量大等良好性能，被譽為21世紀純天然高性能纖維[8-11]。因此，針對玄武巖纖維在水泥土中的研究具有很強的實際工程意義及應用價值。本文通過在水泥土中摻入玄武巖纖維進行循環荷載下的疲勞試驗，探索玄武巖纖維摻量對水泥土疲勞損傷過程以及對其疲勞壽命的影響，為工程中水泥土的抗疲勞設計提供參考。

1 玄武巖纖維水泥土疲勞試驗

1.1 玄武巖纖維水泥土試塊

試驗所用土料取自福州閩江邊上一工地，為沿海地帶常見的淤泥質粘土，灰黑色細粒土，物理力學性質指標：天然含水率54.5%，天然重度16.2 kN/m3，孔隙比1.49，液限45.1%，塑限20.8%，塑性指數24.3%，液性指數1.39，凝聚力9.0 kPa，內摩擦角6.5°。將取回的土樣風干后粉碎，并使用篩分機過2 mm篩。水泥為福建煉石水泥廠生產的42.5普通硅酸鹽水泥。采用浙江石金玄武巖纖維有限公司生產的短切原絲，其主要的物理性能如下（見表1）。

表1 玄武巖纖維的主要物理性能指標

本試驗主要通過等步增量（0.5%）的玄武巖纖維摻量研究玄武巖纖維摻量對水泥土疲勞特性的影響。土樣含水率按原狀土的含水率配置，水泥土的摻入比為15%及16.5%，其中15%的為四組A、C、D、E（纖維摻量分別為占濕土重的0%、0.5%、1%、1.5%），16.5%的一組B（纖維摻量為0%），水灰比統一采用0.5。采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的試模，制備大量試樣。

1.2 疲勞試驗方法

本試驗所用加載設備為福州大學中心實驗室的INSTRON1304電液伺服疲勞試驗機，采用等幅載荷控制方式，加載頻率均為5Hz，加載波形選用正弦波。在循環加載過程中，對模型試樣進行應變在線跟蹤采集。數據采集設備為CRONOS-PL2-DIO動態信號測試分析系統。在模型試樣上粘貼膠基電阻應變片，利用CRONOS-PL2-DIO動態信號測試分析系統將應變片與計算機連接，在線跟蹤模型試樣損傷過程中的微弱動態信號（見圖1、圖2），測量模型試樣縱向應變情況，為模型試樣疲勞損傷的宏觀分析提供直觀、有效的數值度量。

圖1 試驗系統原理圖

圖2 傳遞函數建模技術示意圖

模型試樣在循環荷載作用下發生變形，響應信號可由INSTRONI304疲勞試驗機的位移傳感器輸出，計算機接收該信號并做出相應記錄，在線監測輔助試驗系統的傳遞函數對該信號做出相應處理。在Dobson模型[12,13]的基礎上進行構建傳遞函數數學方程，如下：

式中：為試樣受力點位移；為方程內部變量；為循環加頻率；為外作用力；為材料指數，相同材料基本保持不變。

其中數學方程中參數及參數由三層前向BP算法獲得。計算結果表明的數值，在每千周采集的動態數據中所進行的計算結果變化不大，而參數在疲勞循環損傷過程中則發生顯著變化[12]。材料在宏觀和微觀上出現的疲勞損傷特性進行對比，發現參數對疲勞損傷過程具有敏感的反映。因此，本試驗將無量綱參數作為纖維水泥土的損傷參數，并對參數進行在線跟蹤，用于直觀地研究試件疲勞損傷過程。將循環過程的損傷參數計算結果對其循環初始值進行歸一化處理，并將計算結果實時繪圖輸出。

2 結果與分析

2.1 水泥土疲勞損傷在線跟蹤測量分析

本次試驗所使用的疲勞損傷在線跟蹤方法，已有相關研究[14-16]將其應用于橡膠、金屬、混凝土等材料的疲勞損傷試驗的在線監測中，并取得了良好的效果。但將其運用于巖土工程領域的研究卻很鮮見。樊秀峰[17]等利用該系統跟蹤測量砂巖和水泥土試樣的疲勞損傷全過程，測量結果與疲勞變形特性試驗所得的結論基本一致，說明該方法能夠較好地跟蹤監測材料的疲勞損傷過程。

圖3為試件的損傷參數隨加載循環周數的關系圖。玄武巖纖維的水泥土的疲勞損傷過程仍遵循一般水泥土疲勞損傷破壞的三個階段。強化階段（第一階段）：對應曲線AB段，該階段為循環荷載加載初期，時間較短，占整個疲勞損傷過程的比例較小。在循環加載過程中，試件中的微裂紋被壓密，試件得到強化，同時在試件的邊角處有少量微裂紋產生，但其數量及發育規模較小，因此本階段主要以試件的強化為主；疲勞裂紋不斷發育及擴展階段（第二階段）：對應曲線BC段，該階段時間較長，占據了疲勞損傷全過程的大部分。本階段試件表面及內部的疲勞裂紋不斷萌生并擴展開，試件的強度不斷被弱化；疲勞裂紋高速擴展階段（第三階段）：對應曲線中的CD段，該階段試件較短，占整個疲勞損傷過程的比例最小。本階段試件的疲勞裂紋迅速擴展，沿著試件薄弱位置貫通，試件迅速發生破壞。試驗結果還表明，不同配比試件在第一階段的循環周數相差較小，從整個疲勞損傷過程看，其差別主要體現在第二階段的循環周數上，即裂紋的擴展壽命不同。可以看出，玄武巖纖維的摻入比較有效地提高了水泥土在損傷過程第二階段主裂紋的擴展壽命。因此，可認為玄武巖纖維提高水泥土試件的疲勞壽命主要是通過提高其疲勞損傷過程中主裂紋的擴展壽命來實現的。

圖3 60 d齡期不同配比試件參數A值變化曲線圖

2.2 水泥土疲勞損傷過程中軸向變形的發展規律

為了分析不同配比試件軸向變形發展規律的區別，選取試件AY1-60-1，BY1-60-1，CY1-60-2，DY1-60-1，EY1-60-3為例進行說明（見圖4）。隨著循環周期的增加，試件中不斷萌生的裂紋迅速擴張與之前的裂紋貫通，使試件的強度不斷弱化，軸向不可逆變形也逐漸增大，當主裂紋擴展達到其臨界尺度時，微裂紋迅速連接貫通并發生最終的破壞。通過動態信號測試分析系統實時采集試件軸向應變的數據，并以試件軸向應變為縱坐標，以循環次數比N/Nf為橫坐標得到二者之間的關系圖。

圖4 不同配比試件軸向變形發展規律

玄武巖纖維水泥土試件疲勞損傷過程軸向應變發展過程出現明顯的三階段變化規律，與混凝土等幅疲勞破壞變形發展三階段規律類似。初始塑性變形階段（第一階段）：為循環加載初期，也即疲勞裂紋的形成階段。該階段約占整個變形過程的15%~20%左右。摻入玄武巖纖維的試件其軸向應變相對較小，且在該階段所占的比例略大于單摻水泥土的試件，表明試件在制作過程中并不能完全消除因纖維攪拌不均而造成的微小孔隙，從而使試件在加載初期的強化時間增多。當然，由于試件疲勞損傷過程的復雜性以及實驗過程中出現的離散性，其影響因素并不能單一而論，需要更多的試驗研究予以探討；裂紋緩慢增長階段（第二階段）：為循環加載中期，軸向應變發展速率快速下降，整體上呈緩慢的上升趨勢，該階段占了整個變形過程的75%~80%左右。與單摻水泥的水泥土試件相比，摻入玄武巖纖維的水泥土試件在本階段裂紋擴展速度相對較慢，這主要是由于玄武巖纖維的增強效果限制了水泥土中疲勞裂紋的擴展，因此其軸向變形速率相對低于單摻水泥的水泥土試件。因此可以認為，玄武巖纖維對水泥土疲勞性能的增強主要體現在對其軸向變形發展第二階段的增強。這與前面通過在線跟蹤監測系統分析得出的結論相一致；加速變形階段（第三階段）：為循環加載末期，裂紋快速連通并發生破壞，該階段持續時間段，約占整個變形過程的5%~10%。這個階段試件往往表現出突然的崩塌，造成信號難以采集。

2.3 玄武巖纖維水泥土疲勞壽命

2.3.1 玄武巖纖維水泥土試件疲勞曲線S-N關系圖是一種常用的評估疲勞壽命的方法，也稱wholer 曲線[18]。目前針對材料S-N曲線的研究，國內外已有學者在大量實驗[19-22]基礎上提出了許多經驗模型，本文按冪函數模型對試驗數據進行擬合。試驗中記錄試樣在某一循環應力作用下達到破壞時的循環周數Nf，對一組試件施加不同應力幅的循環荷載，就得到一組破壞循環周數。以循環應力中的最大應力Smax為縱坐標，破壞循環周數Nf為橫坐標，根據實驗數據，擬合出試件的S-N曲線（見圖5、圖6），擬合參數見表2。

圖5 60 d S-N擬合曲線

圖6 90 d S-N擬合曲線

根據擬合結果中配比（A）、（B）曲線可知，在本實驗研究范圍內相同應力大小作用下，水泥土中的水泥摻入量增加，會使其疲勞壽命增長。從擬合曲線也可以看出，最大應力Smax是影響試件疲勞壽命的重要因素。由配比（A）、（B）同一個齡期配比的試件，其疲勞壽命隨著最大加載應力Smax的增大而減少。S-N擬合曲線在斜率越小時對疲勞壽命的預測出現的偏差越大，而斜率越大預測的偏差則相對較小。這主要與試件本身的性質有關，玄武巖纖維水泥土作為一種由土、水、水泥、纖維組成的復合土，從而決定了其性質的復雜性。簡單而言，可以將影響其離散性因素總結為兩種：一種是可排除的因素，包括試件表面的粗糙度、試件尺寸偏差、試件條件不理想以及試件制作過程中由于玄武巖纖維沒有充分拌和均勻等都會給試驗結果造成很大影響；另一種為不可排除的因素，主要是指玄武巖纖維水泥土試件的各向異性和不均勻性，這是由試件本身的特點所決定的，也是玄武巖纖維水泥土區別與其它如金屬材料的地方。因此，試驗中不可避免的會出現誤差，對其試驗結果的S-N曲線擬合也只能從大致的趨勢上給予判定分析。本次試驗60 d齡期配比（E）及90 d齡期配比（D）、（E）少數試件則因試驗誤差和疲勞壽命的離散性使得擬合的相關系數稍微偏低，而其余的試件擬合結果相關系數平方2均在0.88以上，屬于高度相關。可以認為此函數模型較好地表征了本次試驗的玄武巖纖維水泥土試件應力與疲勞壽命的關系。為實際工程中通過S-N曲線大致估算相同條件下玄武巖纖維水泥土試件的疲勞壽命提供參考。

表2 玄武巖纖維水泥土S-N擬合曲線表

2.3.2 玄武巖纖維摻量對水泥土疲勞壽命的影響根據實驗結果，以玄武巖纖維摻量ω為橫坐標，試件加載破壞時的循環周數Nf為縱坐標，做出其關系圖。本文選取了四幅具有代表性的關系圖（見圖7）作分析。從圖7可以清晰地看出，玄武巖纖維的摻入明顯地提高了水泥土試件的循環周數，表明在齡期與最大應力相同時，水泥土的疲勞壽命與玄武巖纖維的摻量大致呈正相關關系，即隨著纖維摻量的增加試件疲勞壽命不斷提高。

圖7 玄武巖纖維摻量對水泥土疲勞壽命的影響

通過擬合可知，二者之間的關系剛好為三參數二次函數模型，即：

其中A、B、C均為常數，與玄武巖纖維水泥土試件齡期及加載最大應力相關，數據如下（表3）。

表3 玄武巖纖維水泥土疲勞壽命擬合參數

備注：最大應力Smax(Mpa)。Note: maximum stress Smax(Mpa)

由圖7中的擬合情況看，其相關系數2均在0.92以上，說明與式(3)中提出的三參數二次函數模型有較好的吻合性。結合圖7以及式（3）的模型可以看出，在試驗研究的范圍內，玄武巖纖維對水泥土疲勞壽命的增幅不是一直變大，而是相對呈變緩的趨勢，即隨著玄武巖纖維摻量的增加，水泥土試件的疲勞壽命增幅逐漸變小。其原因分析如下：水泥土中玄武巖纖維摻量適當時，在試件制作中與水泥土的攪拌易均勻，從而最大限度地增大了纖維與水泥土顆粒單位接觸面，摩擦粘結力提高，纖維充分地發揮了其抗拉性能，限制了循環加載下疲勞裂縫擴展，提高了試件的整體穩定性，從而改善水泥土的疲勞性能。而隨著玄武巖纖維摻量的增加，其在試件中的攪拌均勻性會受到一定的影響。這時玄武巖纖維在水泥土中的狀態可能會有兩種，一部分是與水泥土顆粒充分攪拌均勻，二者之間具有很強的界面摩擦力，起到增強水泥土疲勞性能的作用。而另一部分則有可能是未攪拌均勻的纖維簇擁成團狀，使得與水泥土顆粒的接觸面大為減少，因此出現纖維摻量增多疲勞壽命的增幅卻變小的現象。需要說明的是，纖維摻量過多時，如果因試件制作中纖維攪拌不均造成大量纖維簇擁成團，則在試件中很有可能會出現大量微小孔洞，當試件在循環加載時，這些微小孔洞很有可能發生應力集中，使其逐漸擴大與其它裂隙連通而使試件迅速發生破壞，極大地縮短了水泥土的疲勞壽命。因此，在實際工程應用中，對玄武巖纖維摻量的選擇及其操作施工質量顯得尤為重要。

3 結 論

對不同玄武巖纖維的水泥土試件進行了等幅疲勞試驗，從試件的疲勞損傷過程在線追蹤、軸向變形的發展規律研究了玄武巖纖維水泥土的疲勞損傷過程。并對試件的S-N曲線及玄武巖纖維摻量對水泥土疲勞壽命的影響模式進行分析，并得出了以下結論：

1）由疲勞損傷在線跟蹤監測系統得出的損傷參數A值變化曲線表明玄武巖纖維水泥土的疲勞損傷過程遵循一般水泥土的疲勞損傷三階段變化規律：試件的強化及疲勞裂紋的萌生階段，疲勞裂紋不斷發育及擴展階段、疲勞裂紋高速擴展階段；

2）對軸向應變-循環次數比曲線的研究表明試件的疲勞損傷過程可分為：初始塑性變形階段、疲勞裂紋緩慢增長階段及加速變形階段，與通過在線追蹤系統得出的結論基本對應；

3）通過在線跟蹤系統得出的損傷參數曲線以及對軸向應變-循環次數比曲線的研究得出，玄武巖纖維對水泥土疲勞特性改善主要體現在對其損傷過程第二階段的增強，即限制了疲勞裂紋的擴展速率，提高了擴展裂紋的壽命，從而提高了水泥土的疲勞壽命；

4）通過試驗結果分析，建立了不同配比的玄武巖纖維水泥土試件S-N曲線冪函數模型及玄武巖纖維水泥土疲勞壽命與玄武巖纖維摻量的三參數二次函數模型；

5）分析影響玄武巖纖維對水泥土疲勞壽命提高效果的因素，表明玄武巖纖維摻量及其水泥中的均勻性與密實度極大程度上影響了其增強效果。

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Experimental Study on Fatigue Properties of Fiber Cement Soil

CHEN Feng1,2, TONG Sheng-hao2*

1.35108,2.350116,

In order to investigate the effect of fibers addition on the fatigue properties of soil cement, the uniaxial compression fatigue test of basalt fiber cement soil specimens was carried out by electro-hydraulic servo loading system. With the help of real time fatigue damage monitoring system and dynamic signal test and analysis system, the three-stage change law of the fatigue damage of basalt fiber cement soil are described from two aspects: the variation of damage parameter A and the axial irreversible deformation of specimen, the results show this two change laws basically correspond to each other. By comparing and analyzing the variation of different proportion of basalt fiber in each stage of cement-soil fatigue damage, we found that the improvement of fatigue characteristics of cement-soil by basalt fiber was mainly through limiting the formation and propagation of fatigue cracks to improve the fatigue life of cement-soil. The fatigue life of cement-soil is approximately positively correlated with the content of basalt fiber in the research range, the concrete relation accords with the three-parameter quadratic function model.

Cement-soil; basalt fiber; cyclic loading; fatigue damage process; fatigue life

TU411

A

1000-2324(2019)05-0815-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.05.016

2018-07-23

2018-09-03

國家自然科學基金(51578153);福建省自然科學基金(2018J01631);福建省省屬高校專項科研項目(JK2016045)

陳峰(1980-),男,博士,教授,主要從事地下混凝土材料、地基處理及加固等領域的教學與科研工作. E-mail:cfxh@fzu.edu.cn

Author for correspondence. E-mail:994553321@qq.com