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剪切速率对水泥胶结钙质砂强度及变形的影响.pdf
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1、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
2、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、
3、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
4、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
5、 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
6、 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
7、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
8、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
9、 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
10、 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
11、 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
12、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
13、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
14、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
15、 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
16、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
17、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
18、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
19、 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
20、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/
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