冻结水泥固化土SHPB实验及其冲击变形特性.pdf

第３７卷 第４期 ２０２０年１２月 爆 破 ＢＬＡＳＴＩＮＧ Ｖｏｌ． ３７ Ｎｏ． ４  Ｄｅｃ． ２０２０ ｄｏｉ１０． ３９６３／ ｊ． ｉｓｓｎ． １００１ －４８７Ｘ． ２０２０． ０４． ００４ 冻结水泥固化土ＳＨＰＢ实验及其冲击变形特性* 黄建华 １，２， 李 宏 ２， 李龙真２， 严耿明２， 叶剑波２ （１．福建工程学院土木工程学院， 福州３５０１１８；２．地下工程福建高校重点实验室， 福州３５０１１８） 摘 要 为研究冻结水泥土的动态冲击力学性能， 利用分离式Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆（ＳＨＰＢ）， 分析了当水泥掺量 为０％、９％和１８％， 冻结温度为－１５℃、－２５℃和－３５℃， 冲击气压为０． ２０ ＭＰａ、０． ３０ ＭＰａ和０． ４０ ＭＰａ时对 冻结水泥土破坏特征的影响。试验结果表明 单轴动力状态下动态应力-应变曲线最多经历压密阶段、 弹性 阶段、 塑性阶段、 应变软化阶段和破坏阶段５个阶段； 随着温度的降低以及冲击速度和水泥掺量的增加， 试样 黏塑性破坏特征逐渐减弱， 试样破裂形成的碎块数量越来越多， 几何尺寸越来越小， 破碎程度从岩样边缘向 中心逐渐加剧； 随着冲击速度的增大， 破坏形态由大裂纹张拉破坏逐渐转变为整体压碎破坏， 表现出明显的 应变率效应； 温度越低试样硬度越大、 脆性越高， 峰值应力随加载速率增长越明显； 冻结水泥固化土的动态抗 压强度与水泥掺量呈正比例关系， 呈现出明显的应力强化特征。 关键词 冻结；水泥固化土；水泥掺量；温度效应；应变率效应 中图分类号 ＴＤ６０８ 文献标识码 Ａ 文章编号 １００１ －４８７Ｘ（２０２０）０４ －００２５ －０６ ＳＨＰＢ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ Ｉｍｐａｃｔ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｆｒｏｚｅｎ Ｃｅｍｅｎｔ Ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ Ｓｏｉｌ ＨＵＡＮＧ Ｊｉａｎ-ｈｕａ１， ２， ＬＩ Ｈｏｎｇ２，ＬＩ Ｌｏｎｇ-ｚｈｅｎ２，ＹＡＮ Ｇｅｎｇ-ｍｉｎｇ２，ＹＥ Ｊｉａｎ-ｂｏ２ （１． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｆｕｊｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｆｕｚｈｏｕ ３５０１１８，Ｃｈｉｎａ； ２． Ｆｕｊｉａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ ｏｆ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｆｕｚｈｏｕ ３５０１１８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｉｍｐａｃｔ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｆｒｏｚｅｎ ｃｅｍｅｎｔ ｓｏｉｌ，ｔｈｅ ｓｐｌｉｔ Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂａｒ（ＳＨＰＢ）ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｓｅ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｆｒｏｚｅｎ ｃｅｍｅｎｔ ｓｏｉｌ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｔｅｎｔ ｗａｓ ０％，９％ ａｎｄ １８％ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｔｈｅ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗａｓ －１５℃，－２５℃ ａｎｄ －３５℃ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｓ ０． ２０ ＭＰａ，０． ３０ ＭＰａ ａｎｄ ０． ４０ ＭＰａ． Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ｗｅｒｅ ｆｉｖｅ ｓｔａｇｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｔｒｅｓｓ － ｓｔｒａｉｎ ｃｕｒｖｅ ｉｎ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｕｎｉａｘｉａｌ ｄｙｎａｍｉｃ ｔｅｓｔｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ，ｅｌａｓｔｉｃ ｓｔａｇｅ，ｐｌａｓｔｉｃ ｓｔａｇｅ，ｓｔｒａｉｎ ｓｏｆ- ｔｅｎｉｎｇ ｓｔａｇｅ ａｎｄ ｆａｉｌｕｒｅ ｓｔａｇｅ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎ- ｔｅｎｔ，ｔｈｅ ｖｉｓｃｏｐｌａｓｔｉｃ ｆａｉｌｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｗｅａｋｅｎｅｄ，ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｒｕｐｔｕｒｅ ｆｒａｇｍｅｎｔｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｓａｍｐｌｅｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ｔｈｅ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｓｉｚｅ ｂｅｃａｍｅ ｓｍａｌｌｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｅｄｇｅ ｔｏ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｃｋ ｓａｍｐｌｅ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ ｖｅｌｏｃｉｔｙ，ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅ ｏｆ ｓａｍｐｌｅｓ ｃｈａｎｇｅｄ ｆｒｏｍ ｔｅｎｓｉｌｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｃｒａｃｋ ｔｏ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｃｒｕｓｈｉｎｇ ｆａｉｌｕｒｅ，ｓｈｏｗｉｎｇ ｏｂｖｉｏｕｓ ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅ ｅｆｆｅｃｔ． Ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｓａｍｐｌｅｓ ｗａｓ，ｔｈｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈｅ ｈａｒｄｎｅｓｓ ａｎｄ ｂｒｉｔｔｌｅｎｅｓｓ ｗｅｒｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｒｅ ｏｂｖｉｏｕｓ ｔｈｅ ｐｅａｋ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｌｏａｄｉｎｇ ｒａｔｅ． Ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｆｒｏｚｅｎ ｃｅｍｅｎｔ-ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｓｏｉｌ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｔｏ ｔｈｅ ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｓｈｏｗｅｄ ｏｂｖｉｏｕｓ ｓｔｒｅｓｓ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｆｒｅｅｚｉｎｇ；ｃｅｍｅｎｔ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｓｏｉｌ；ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｔｅｎｔ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｅｆｆｅｃｔ；ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅ ｅｆｆｅｃｔ 万方数据 滨海地区地基内大范围沉积着深厚的软土层， 在此地质条件下地铁建设的联络通道工程施工过 程， 采用水泥搅拌加固等工法经常无法满足工程安 全施工条件， 因此常在水泥搅拌桩加固基础上再进 行人工冻结形成冻结水泥土围护体系， 保障工程施 工安全。目前上述联合加固方法已在我国工程实践 中得到应用［ １-３］。 实际应用中， 冻结水泥固化土常常承受爆破地 震波、 空气冲击波及列车振动荷载等引起的冲击力 作用， 因此本文主要研究冻结水泥土冲击破坏的影 响因素及其变形演化规律。以往专家主要进行天然 或人工冻土冲击破坏影响因素研究， 认为动态破坏 时最大应力与冲击应变率成正比，与温度成反 比［ ４］； 冻土破坏强度与振动频率成反比， 冻土残余 应变与振动幅值成正比［ ５，６］。在变形演化规律方面 则认为随着应变率增大， 冻土破坏过程从塑性破坏 逐渐转变为脆性破坏［ ７］； 破坏模式由张应变破坏向 压剪破坏转变［ ８，９］； 应变收敛是冻土 ＳＨＰＢ实验过程 典型变形特征［ １０］。 上述研究成果为冻土动力特性研究及其工程应 用提供了科学基础和依据， 研究对象主要集中在原 状土冻土， 对冻结水泥固化土的动力特性研究尚未 发现。因此基于现有成果基础， 通过ＳＨＰＢ实验研 究冻结水泥固化土冲击变形特性， 分析不同影响因 素下的动力学特征， 完善其动力学特性研究成果， 为 冻结技术推广应用提供理论基础和经验借鉴。 收稿日期２０２０ －０７ －１１ 作者简介黄建华（１９６９ －） ， 男， 教授、 博士（后） ， 从事岩土与环境、 地铁与隧道、地下围护与结构等研究和教学，（Ｅ-ｍａｉｌ） ｈｕａｎｇｊｈ＠ ｆｊｕｔ． ｅｄｕ． ｃｎ。 通讯作者李 宏（１９９５ －） ， 男， 福建工程学院土木工程学院硕士， 主要从事岩土与环境、 地铁与隧道工程等研究， （Ｅ-ｍａｉｌ） ８３６６２５１０７＠ ｑｑ． ｃｏｍ。 基金项目国家自然科学基金面上项目（５１６７８１５３） ； 福州市科技计 划项目（２０１８-Ｇ-４２） ；校产学合作开发基金项目（ＧＹ- Ｚ１７１４５） １ 土样制备与试验设计 １． １ 试验设备 试验采用实验室的φ ８０ ｍｍ钢质分离式Ｈｏｐ- ｋｉｎｓｏｎ压杆（ＳＨＰＢ） 试验系统， 主要由发射腔、 冲头、 入射杆、 透射杆、 能量吸收杆和数据采集系统组成。 试验开始前首先进行一次空打， 检测压杆是否共轴、 入射波形是否满足要求， 试验时子弹以一定的速度 沿轴向冲击入射杆， 在入射杆内产生一个弹性压缩 应力波（ 入射波） ， 置于两杆之间的试件在该脉冲作 用下发生高速变形， 当入射波到达试样时， 一部分将 反射一个波返回到入射杆中（反射波） ， 另一部分则 透过试样透射到透射杆中（透射波） ， 最后由阻尼器 吸收。ＳＨＰＢ杆的弹性模量为２１０ ＧＰａ，入射杆长 ２． ４ ｍ， 透射杆长１． ２ ｍ， 密度为７． ８ ｇ／ ｃｍ３。 １． ２ 土样制备 试验淤泥质土样取自福州滨海区域，孔隙比 １． ２９０， 天然重度１６ ｇ／ ｃｍ３；具体物理指标见表１。 水泥采用ＰＯ ４２． ５普通硅酸盐水泥， 土样制备过 程分为３步 （１） 试验采用的是重塑的土壤， 为确保 试样加水搅拌前具有均匀的内部结构和恒定的水分 含量， 将取的原状土样置入温度为１０８℃的烘箱中 烘干２４ ｈ后取出， 边喷洒蒸馏水边搅拌， 制成含水 率为２５％的重塑土， 水泥含量按干土重的０％、９％ 和１８％掺入； （２）使用尺寸为φ ７０ ｍｍ Ｈ ３５ ｍｍ 的钢质套筒模具， 首先将一层薄凡士林涂于套筒内 壁， 然后用胶带封住套筒一端， 称取规定质量的重塑 土放于套筒内， 分层击实， 并用切刀将套筒端突出的 土壤削平， 然后将击实完成的土样和套筒一起移养 护室养护３ ～４ ｄ； （３）将养护完成的土样脱模放入 低温实验箱中， 在－１５℃、－２５℃和－３５℃的不同温 度条件下冷冻２４ ｈ。 １． ３ 试验方案 试验以冻结水泥土的冻结温度、 水泥掺量和冲 击气压为变量， 具体试验方案见表２。 表１ 淤泥质土物理力学指标统计表 Ｔａｂｌｅ １ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｔａｂｌｅ ｏｆ ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｉｎｄｅｘｅｓ ｏｆ ｓｉｌｔｙ ｓｏｉｌ 承载力 特征值／ ｋＰａ 天然重度 ／（Ｎ . ｍ －３） 粘聚力 ／ ｋＰａ 内摩擦角／ 含水率／ ％孔隙比 液性 指数 压缩系数／ ＭＰａ －１ ６０１６１１． ９４４７． ５１１． ２９１． １８０． ８３ ２ 试验结果与分析 ２． １ ＳＨＰＢ试验可靠性分析 实验过程规范科学， 才能提高实验测试数据的 准确性， 实验前将入射杆、 撞击杆和透射杆的轴线调 整在同一直线上， 整平样品边缘并涂上适量凡士林 来减小摩擦效应对实验的影响，然后将试样夹在透 射杆和入射杆之间， 并确认试样稳固粘附在杆的端 面上， 试样与杆端面间无明显空隙， 保证试样与两压 ６２爆 破 ２０２０年１２月 万方数据 杆同轴时采集到的典型波形如图１所示。由图１可 知透射波几乎平行于ｘ轴， 入射波上升段近似平行 于ｙ轴， 水平段近似平行于ｘ轴， 这样的波形特征有 利于提高其应力均匀性。 入射杆和透射杆中部贴有应变片， 按照一维应 力波理论和均匀性假定， 采用“二波法”处理公式， 得到试件上的应变率ε（ｔ） 、 应变ε（ｔ） 和动态平均应 力σ（ｔ） 分别为［ １１］ ε（ｔ）＝ ２Ｃ０ ｌｓ εｒ（１） ε（ｔ）＝ ２Ｃ０ ｌｓ∫ ｔ ０ εｒｄｔ（２） σ（ｔ）＝ Ａ Ａｓ Ｅε ｔ （３） 式中εｉ为入射波应变；εｒ为反射波应变；εｔ为 透射波应变；ｌｓ、Ａｓ为试样的长度和横截面积；Ａ、Ｅ 为压杆的横截面积和弹性模量；Ｃ０为应力波在压杆 中的传播速度。 表２ 滨海冻结水泥土ＳＨＰＢ试验方案统计表 Ｔａｂｌｅ ２ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＳＨＰＢ ｔｅｓｔ ｐｌａｎ ｆｏｒ ｃｏａｓｔａｌ ｆｒｏｚｅｎ ｃｅｍｅｎｔ ｓｏｉｌ 冻结 温度／ ℃ 冲击气压／ ＭＰａ水泥掺量／ ％ －１５０． ２０． ３０． ４０９１８ －２５０． ２０． ３０． ４０９１８ －３５０． ２０． ３０． ４０９１８ 图１ ＳＨＰＢ试验典型原始波形 Ｆｉｇ． １ Ｔｙｐｉｃａｌ ｒａｗ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆ ＳＨＰＢ ｔｅｓｔ ２． ２ 破碎特征分析 冻结水泥土中液态水的存在形式有自由水和结 合水两种， 图２（ａ）中实验冻结温度达－ １５℃， 自由 水在－５℃至－２０℃时可完全转化成冰， 而结合水则 仍保持液态形式游离于试样的孔隙当中， 这部分结 合水称为未冻水。自由水冻结产生的冻胀力为未冻 水在孔隙中的游离扩散提供便利， 使未冻水渗入到 新产生的裂纹中， 随着温度的进一步降低， 未冻水逐 渐冻结成冰产生冻胀力， 再诱发产生新的裂纹， 如此 循环往复， 导致试样内部微裂隙的扩展及新裂隙的 萌生， 宏观上表现为图２（ｂ） 中试样强度的劣化。 冻结水泥土中随着水泥掺量的增加， 如图３（ａ） 中， 水泥水化胶结作用增强了内部微裂隙闭合能力， 试样破坏程度逐渐降低， 碎块破坏几何尺寸由小变 大， 碎块破坏数量由多变少， 破坏形态由整体压碎逐 渐向张拉剪切破坏过渡， 破碎结构由片状层裂结构 和块状碎裂结构逐渐向锥形体劈裂结构发展。 图２ 不同冻结温度下冻结水泥土的破坏形态 Ｆｉｇ． ２ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒｏｚｅｎ ｃｅｍｅｎｔ ｓｏｉｌ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ 图３ 不同水泥掺量下冻结水泥土的破坏形态 Ｆｉｇ． ３ Ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｆｒｏｚｅｎ ｃｅｍｅｎｔ ｓｏｉｌ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｔｅｎｔｓ 如图４（ａ） 当冻结水泥土冲击气压较低， 冲击速 度较小时， 动力冲击波仅仅能够激活试样内部较大 缺陷处的微裂纹， 激活后的微裂纹尖端出现应力集 中进一步加速了缺陷的增长演变， 随后演变为张拉 大裂纹， 宏观上表现为试样破碎成若干较大碎块， 破 裂面平行于压杆轴线， 其破坏为裂纹面的张拉破坏。 但随着冲击气压的增加， 冲击速度的增大， 如图４ （ｂ） ， 动力冲击波不仅限于激活较大缺陷处延伸扩 展速度有限的微裂纹， 其他小的缺陷或者亚缺陷处 微裂纹来不及阻止就被激活， 宏观上破碎区域由外 围逐渐向岩样中心扩散， 破碎更为明显， 试样破裂形 成的碎块数量越来越多， 几何尺寸越来越小， 破碎的 形态从块体状到碎末状， 属于整体压碎破坏。 ２． ３ 动态应力-应变关系分析 取３种不同变量中对应的应力-应变曲线其中 的３条， 其余的动态应力-应变曲线离散程度类似， ７２第３７卷 第４期 黄建华， 李 宏， 李龙真， 等 冻结水泥固化土ＳＨＰＢ实验及其冲击变形特性 万方数据 这是材料本身的特殊性和动态实验的特点决定的， 为了避免离散性， 将３组平行试验下得到的应力应 变曲线数据进行平均， 对平均后数据形成的曲线特 征进行分析研究。 图４ 不同冲击速度下冻结水泥土的破坏形态 Ｆｉｇ． ４ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒｏｚｅｎ ｃｅｍｅｎｔ ｓｏｉｌ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｍｐａｃｔ ｓｐｅｅｄｓ ２． ３． １ 冲击速度对冲击动力学特性的影响 当Ｗｐ＝ １８％，Ｔ ＝ － １５℃，冲击气压分别为 ０． ２ ＭＰａ、０． ３ ＭＰａ和０． ４ ＭＰａ时， 对应的冲击速度 分别为８． ５５ ｍ／ ｓ、１３． ８６ ｍ／ ｓ和１８． ４４ ｍ／ ｓ， 对应的 最大应力分别为６． １７ ＭＰａ、８． ６６ ＭＰａ和９． ０８ ＭＰａ， 最大应变分别为０． ０２２０、０． ０２１０、０． ０１５０； 冲击速度 为１３． ８６ ｍ／ ｓ和１８． ４４ ｍ／ ｓ的冻结水泥土峰值应力 分别为冲击速度８． ５５ ｍ／ ｓ试样的１． ４０倍和 １． ４７倍， 增幅分别为４０． ３５％和４７． １６％。当Ｗｐ＝ １８％，Ｔ ＝ － ２５℃，冲击气压分别为０． ２ ＭＰａ、 ０． ３ ＭＰａ和０． ４ ＭＰａ时，对应的冲击速度分别为 ８． ５３ ｍ／ ｓ、１４． ５０ ｍ／ ｓ和１８． ０５ ｍ／ ｓ， 对应的最大应 力分别为５． ７１ ＭＰａ、９． １３ ＭＰａ和２０． ７９ ＭＰａ， 最大 应变分别为０． ０２１５、０． ０２３１、０． ０２３０。 在Ｗｐ＝１８％和Ｔ ＝ －１５℃的状态下， 冲击速度 在１８． ４４ ｍ／ ｓ时的动态抗压强度分别为８． ５５ ｍ／ ｓ 的１． ４７倍和１３． ８６ ｍ／ ｓ的１． ０５倍； 在Ｗｐ＝１８％和 Ｔ ＝ －２５℃的状态下， 冲击速度在１８． ０５ ｍ／ ｓ时的动 态抗压强度分别为８． ５３ ｍ／ ｓ的３． ６４倍和 １４． ５０ ｍ／ ｓ的２． ２８倍，由图可知冻结水泥土的峰值 强度随冲击速度即应变率的增大而增加， 表明冻结 水泥土有较强的应变率效应。 当Ｗｐ＝ １８％，Ｔ ＝－ １５℃时，冲击速度 １８． ４４ ｍ／ ｓ的峰值应力是冲击速８． ５５ ｍ／ ｓ峰值应力 的１． ４７倍， 当Ｗｐ＝ １８％，Ｔ ＝ － ２５℃时， 冲击速度 １８． ０５ ｍ／ ｓ的峰值应力是冲击速度８． ５３ ｍ／ ｓ峰值应 力的３． ６４倍。由于Ｔ ＝ － ２５℃时试样冻结温度更 低， 硬度显著提高， 表现为试样脆性特征更突出， 峰 值应力随加载速率增加而增大的趋势越明显， 此时 增大冲击振幅试样破坏更快； 相反Ｔ ＝ － １５℃时试 样硬度较小、 塑性较强， 随加载速率的增加峰值应力 的增长不明显， 此时增加冲击频率试样破坏更快。 当Ｗｐ＝１８％，Ｔ ＝ －３５℃，Ｐ ＝０． ３ ＭＰａ时应力- 应变曲线分为４个阶段， 分别为压密阶段、 弹性阶 段、 塑性阶段和应变软化阶段。压密阶段试样内部 原有张开性结构面或微裂隙缓慢压密闭合， 宏观上 呈现出早期非线性变形， 曲线呈上凹型， 此阶段试样 横向膨胀较小， 试样体积随动荷载增大而减小， 此阶 段变形对裂隙化试样来说较明显， 而对坚硬少裂隙 的试样则不明显； 弹性阶段曲线近似直线型， 反映试 样内部孔隙进一步被压密； 随后应力达到屈服点试 样进入塑性阶段， 屈服点是试样从弹性变形转为塑 形的转折点， 相应于该点的应力为屈服应力， 进入此 阶段后冻结水泥土材料发生不可逆的塑性变形， 微 裂隙量变的发展引发了试样内部结构质的变化， 破 裂结构面不断产生并演化直至试样完全破坏， 伴随 着体积应变率的急速增大， 试样宏观变形上由体积 压缩转变为扩容； 塑性阶段结束时达到峰值应力， 试 样内部结构遭到破坏， 但试样基本保持整体状， 此阶 段称为应变软化阶段， 本阶段裂隙发展率增大到峰 值， 破坏结构面交错、 穿插且彼此联结形成宏观断裂 面， 随后试样主要表现为宏观断裂面的块体滑移， 应 力应变曲线呈负相关且斜率迅速增大， 但应变不断 增加的情况下应力并未降到零， 说明试样仍能保持 一定的承载能力。见图５。 图５ 不同冲击气压下冻结水泥土的轴向应力-应变曲线 Ｆｉｇ． ５ Ａｘｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ-ｓｔｒａｉｎ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｆｒｏｚｅｎ ｃｅｍｅｎｔ ｓｏｉｌ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｍｐａｃｔ ａｉｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ ８２爆 破 ２０２０年１２月 万方数据 ２． ３． ２ 冻结温度对冲击动力学特性的影响 当Ｗｐ＝ １８％，Ｐ ＝ ０． ３ ＭＰａ， 冻结温度－ ３５℃、 －２５℃和－１５℃时，对应的最大应力分别为 ８． ７３ ＭＰａ、２４． ８５ ＭＰａ、３７． ４４ ＭＰａ， 最大应变分别为 ０．０１９７、０． ０１９７、０． ０２３８。当Ｗｐ＝９％，Ｐ ＝０． ４ ＭＰａ， 冻结温度－３５℃、－２５℃和－１５℃时， 对应的最大应 力分别为７． ２４、１９． ６５、１９． ９５ ＭＰａ， 最大应变分别为 ０．０２１９、０． ０２５１、０． ０２５８。当Ｗｐ＝０％，Ｐ ＝０． ３ ＭＰａ， 冻结温度－３５℃、－２５℃和－１５℃时， 对应的最大应 力分别为２． ０３ ＭＰａ、５． ３４ ＭＰａ、９． ２２ ＭＰａ， 最大应变 分别为０． ０２９１、０． ０２８６、０． ０２７５。 当Ｗｐ＝０％，Ｐ ＝０． ３ ＭＰａ，Ｔ ＝ －１５℃时试样动 态应力-应变曲线经历弹性阶段、 塑形阶段、 应变软 化阶段和破坏阶段， 弹性阶段试样初始模量较大， 抗 变形能力较强， 塑性阶段内部微裂隙由稳定扩展过 度至失稳扩展， 最终在峰值应力点处发生宏观破坏， 随后应力应变曲线经历一段很短的应变软化过程后 快速下降， 表明低温状态下水泥土由延脆性向脆性 转变。 冻结水泥土是一种非均质的四相复合材料， 由 固体颗粒， 液态水， 气体和冰组成， 呈现出明显的各 向异性。随着温度的降低试样未冻水含量逐渐减 小， 土体内部颗粒之间冻胀力逐渐增大， 水泥水化热 反应减弱， 试样峰值应力随温度的降低而逐渐减小， 表现出较强的温度效应， 土样随着温度降低而变脆， 破坏形态由塑性转变为脆性。见图６。 图６ 不同冻结温度下冻结水泥土的轴向应力-应变曲线 Ｆｉｇ． ６ Ａｘｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ-ｓｔｒａｉｎ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｆｒｏｚｅｎ ｃｅｍｅｎｔ ｓｏｉｌ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ２． ３． ３ 水泥掺量对冲击动力学特性的影响 当Ｐ ＝０． ３ ＭＰａ，Ｔ ＝ － １５℃， 水泥掺量分别为 ０％、９％、１８％时， 对应的最大应力分别为４． ６７ ＭＰａ、 ５． ９７ ＭＰａ、８． ６９ ＭＰａ，最大应变分别为０． ０２７２、 ０． ０２６３、０． ０２５８， 水泥掺量分别为９％和１８％时， 此 条件下冻结水泥土的动态应力-应变曲线均可分为 弹性阶段、 塑性阶段和破坏阶段； 掺水泥冻结土试样 的动态抗压强度均高于不掺水泥的冻结土试样， 呈 现出明显的应力强化特征， 土样动态抗压强度随着 水泥掺量的增加而增大； 但是最终的压缩应变不会 随水泥掺量的增加而变化， 并且不同水泥掺量的应 力-应变曲线都显示出明显的应变汇聚现象。 当Ｐ ＝０． ４ ＭＰａ，Ｔ ＝ － ２５℃， 水泥掺量分别为 ０％、９％、１８％时， 对应的最大应力分别为８． ６９ ＭＰａ、 １５． ６３ ＭＰａ、１８． ４７ ＭＰａ， 最大应变分别为０． ０１０４、 ０． ０１８６、０． ０２３４， 水泥掺量为９％和１８％的冻结水泥 土最大应力分别为水泥掺量为０％的１． ８倍和 ２．１２倍， 增幅分别为７９． ８６％和１１２． ５４％。当Ｐ ＝ ０． ３ ＭＰａ，Ｔ ＝ － ３５℃，水泥掺量分别为０％、９％、 １８％时，对应的最大应力分别为１３． ６９ ＭＰａ、 ２０． ２７ ＭＰａ、３１． ４１ ＭＰａ，最大应变分别为０． ０１８２、 ０． ０１６５、０． ０１８０， 水泥掺量为９％和１８％的冻结水泥 土最大应力分别为水泥掺量为０％的１． ４９倍和 ２． ２９倍， 增幅分别为４８． ０６％和１２９． ４３％。这是因 为水泥、 水及土中矿物质发生一系列物理化学反应 生成的胶结体填充了土样微裂隙， 土体骨架间的咬 契力和摩擦力增大， 冻结水泥土试样在动荷载下的 抗变形能力增强， 试样峰值强度增大。见图７。 ３ 结论 通过冻结水泥固化土ＳＨＰＢ冲击力学实验及其 各项实验结果指标分析， 重点研究冻结水泥土动态 破坏影响因素与变形演化规律， 得到如下结论 （１） 随着温度降低、 冲击速度和水泥掺量增加， 冻结水泥土黏塑性破坏特征逐渐减弱， 破坏形态由张 拉剪切破坏逐渐向整体压碎过渡， 破碎结构由锥形体 劈裂结构逐渐向片状层裂结构和块状碎裂结构发展。 （２） 在冻结温度和水泥掺量确定的情况下， 随 着冲击速度增加， 冻结水泥土破坏峰值应力逐渐增 大， 且温度越低冻结水泥土硬度越大、 脆性越高， 峰 值应力随加载速率增长越明显。 （３） 在冲击速度和水泥掺量一定时， 冻结水泥 土随着温度的降低， 破坏状态由塑性破坏逐渐向脆 性破坏转变， 其峰值应力也随温度降低而逐渐减小， 表现出较强的温度效应。 ９２第３７卷 第４期 黄建华， 李 宏， 李龙真， 等 冻结水泥固化土ＳＨＰＢ实验及其冲击变形特性 万方数据 图７ 不同水泥掺量下冻结水泥土的轴向应力-应变曲线 Ｆｉｇ． ７ Ａｘｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ-ｓｔｒａｉｎ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｆｒｏｚｅｎ ｃｅｍｅｎｔ ｓｏｉｌ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｔｅｎｔｓ （４）当冲击速度和冻结温度确定时， 冻结水泥 土的破坏强度均高于原状土冻土， 且破坏强度与水 泥掺量成正比例关系， 呈现出明显的应力强化特征。 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ） ［１］ 杨 平， 佘才高， 董朝文， 等．人工冻结法在南京地铁张府 园车站的应用［Ｊ］．岩土力学，２０１５，２４（Ｓ２） ３８８-３９１． ［１］ ＹＡＮＧ Ｐｉｎｇ，ＳＨＥ Ｃａｉ-ｇａｏ，ＤＯＮＧ Ｃｈａｏ-ｗｅｎ，ｅｔ ａｌ． Ａｐｐｌｉ- ｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ Ｚｈａｎｇ Ｆｕｙｕａｎ ｓｔａ- ｔｉｏｎ ｏｆ Ｎａｎｊｉｎｇ ｓｕｂｗａｙｓ［Ｊ］． Ｒｏｃｋ ａｎｄ Ｓｏｉｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ， ２０１５，２４（２） ３８８-３９１．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［２］ 王文灿．冻结法和水平注浆在天津地铁盾构接收中的 组合应用［Ｊ］．现代隧道技术，２０１６，５０（３） １８３-１９０． ［２］ ＷＡＮＧ Ｗｅｎ-ｃａｎ． Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ａｎｄ ｈｏｒｉｚｏｎ- ｔａｌ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄ ａｒｒｉｖａｌ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｍｅｔｒｏ［Ｊ］． Ｍｏｄｅｒｎ Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１６，５０（３） １８３-１９０．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［３］ 樊文虎， 杨 平， 蒋大有， 等．全断面注浆管棚矩形冻 结加固技术与实测分析［Ｊ］．地下空间与工程学报， ２０１７，１３（２） ５５１-５５８． ［３］ ＦＡＮ Ｗｅｎ-ｈｕ，ＹＡＮＧ Ｐｉｎｇ，ＪＩＡＮＧ Ｄａ-ｙｏｕ，ｅｔ ａｌ． Ｒｅｃｔａｎ- ｇｕｌａｒ ｆｒｅｅｉｎｇ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｆｕｌｌ-ｆａｃｅ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｐｉｐｅ-ｒｏｏｆ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］． Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｓｐａｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１７，１３（２） ５５１- ５５８．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［４］ 赵淑萍， 马 巍， 焦贵德， 等．长期动荷载作用下冻结 粉土的变形和强度特征［Ｊ］．冰川冻土，２０１３，３３（１） １４４-１５１． ［４］ ＺＨＡＯ Ｓｈｕ-ｐｉｎｇ，ＭＡ Ｗｅｉ，ＪＩＡＯ Ｇｕｉ-ｄｅ，ｅｔ ａｌ． Ｔｈｅ ｆｅａ- ｔｕｒｅｓ ｏｆ ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｆｒｏｚｅｎ ｓｉｌｔ ｕｎｄｅｒ ｌｏｎｇ-ｔｉｍｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｌａｃｉｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｇｅｏｃｒｙｏｌｏ- ｇｙ，２０１３，３３（１） １４４-１５１．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［５］ 杜海民， 马 巍， 张淑捐， 等．三轴循环加卸载条件下 高含冰冻结砂土变形特性试验研究［Ｊ］．岩土力学， ２０１７，３８（６） １６７５-１６８１． ［５］ ＤＵ Ｈａｉ-ｍｉｎ，ＭＡ Ｗｅｉ，ＺＨＡＮＧ Ｓｈｕ-ｊｕａｎ，ｅｔ ａｌ． Ｅｘｐｅｒｉ- ｍｅｎｔａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｉｃｅ- ｒｉｃｈ ｆｒｏｚｅｎ ｓｉｌｔｙ ｓａｎｄｓ ｕｎｄｅｒ ｔｒｉａｘｉａｌ ｌｏａｄｉｎｇ-ｕｎｌｏａｄｉｎｇ ｃｙ- ｃｌｅ［Ｊ］． Ｒｏｃｋ ａｎｄ Ｓｏｉｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２０１７，３８（６） １６７５- １６８１．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［６］ 马芹永， 张经双， 陈文峰， 等．人工冻土围压ＳＨＰＢ试验与 冲击压缩特性分析［Ｊ］．岩土力学，２０１４，３５（３） ６３７-６４０． ［６］ ＭＡ Ｑｉｎ-ｙｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｊｉｎｇ-ｓｈｕａｎｇ，ＣＨＥＮ Ｗｅｎ-ｆｅｎｇ，ｅｔ ａｌ． Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＳＨＰＢ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｉｍｐａｃｔ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｉｎ ｃｏｎ- ｆｉｎｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｆｏｒ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｆｒｏｚｅｎ ｓｏｉｌ［Ｊ］． Ｒｏｃｋ ａｎｄ Ｓｏｉｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２０１４，３５（３） ６３７-６４０．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［７］ 郭东明， 闫鹏洋， 凡龙飞， 等．喷层混凝土-围岩组合体 波动特性及动力特性研究［Ｊ］．振动与冲击，２０１８， ３７（２４） ８５-９１． ［７］ ＧＵＯ Ｄｏｎｇ-ｍｉｎｇ，ＹＡＮ Ｐｅｎｇ-ｙａｎｇ，ＦＡＮ Ｌｏｎｇ-ｆｅｉ，ｅｔ ａｌ． ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｗａｖｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｅ- ｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｒａｙｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ-ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｂｏｄｙ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｈｏｃｋ， ２０１８，３７（２４） ８５-９１．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［８］ 刘志强， 柳家凯， 王 博， 等．冻结黏土动态力学特性 的ＳＨＰＢ试验研究［Ｊ］．岩土工程学报，２０１７，３６（３） ４０９-５０６． ［８］ ＬＩＵ Ｚｈｉ-ｑｉａｎｇ，ＬＩＵ Ｊｉａ-ｋａｉ，ＷＡＮＧ Ｂｏ，ｅｔ ａｌ． Ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｆｒｏｚｅｎ ｃｌａｙ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＳＨＰＢ ｔｅｓｔｓ［Ｊ］． Ｃｈｉｎｅｓｅ ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１７， ３６（３） ４０９-５０６．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［９］ 马冬冬， 马芹永， 袁 璞， 等．主动围压状态下人工冻 结砂土ＳＨＰＢ试验与分析［Ｊ］．岩土力学，２０１７， ３８（１０） ２９５７-２９６１． ［９］ ＭＡ Ｄｏｎｇ-ｄｏｎｇ，ＭＡ Ｑｉｎ-ｙｏｎｇ，ＹＵＡＮ Ｐｕ，ｅｔ ａｌ． ＳＨＰＢ ｔｅｓｔｓ ｏｎ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｆｒｏｚｅｎ ｓａｎｄ ａｎｄ ｉｔｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｕｎｄｅｒ ａｃｔｉｖｅ ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ［Ｊ］． Ｒｏｃｋ ａｎｄ Ｓｏｉｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２０１７， ３８（１０） ２９５７-２９６１．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［１０］ ＺＨＡＮＧ Ｈａｉ-ｄｏｎｇ，ＺＨＵ Ｚｈｉ-ｗｕ，ＳＯＮＧ Ｓｈｕｎ-ｃｈｅｎｇ，ｅｔ ａｌ． Ｄｙｎａｍｉｃ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｆｒｏｚｅｎ ｓｏｉｌ ｕｎｄｅｒ ｕｎｉａｘｉａｌ ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ［Ｊ］． Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ａｎｄ Ｍｅ- ｃｈａｎｉｃｓ，２０１８，３４（２） ２２９-２３８． ［１１］ ＭＡ Ｑｉｎ-ｙｏｎｇ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎａｌｙｓｅｓ ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｅ- ｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｆｏｒ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌｌｙ ｆｒｏｚｅｎ ｃｌａｙ ｂｙ ｔｈｅ ｓｐｌｉｔ Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂａｒ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｅｃｈａｎ- ｉｃｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ，２０１８，５１（３） １-５． 英文编辑 柯 波 ０３爆 破 ２０２０年１２月 万方数据