（岩土工程专业论文）基于电阻率特征的水泥土损伤模型初步研究.pdf

基于电阻率特征的水泥土损伤模型初步研究“ 摘要 本文采用自行研制的电阻率测试仪，通过对江苏淮盐高速公路盐城泻湖相软土的大量室 内试验，研究了水泥土电阻率结构特性参数与宏观力学指标之间的关系以及基于电阻率的水 泥土损伤模型。 首先，基于对水泥土加固机理和水泥水化、硬化原理的分析以及对粉煤灰特性的研究， 发现影响水泥土强度的主要因素是有机质含量，其次是水泥掺入比，再次之是粉煤灰掺入量。 有机质宙量越高，水泥土强度越低；粉煤灰对高有机质软土具有很好的加固效果，但强度并 非是随着粉煤灰掺量的增加而不断增长，当粉煤灰掺量超过1 2 时，强度不但不增加反而 降低，而且降低的幅度很大。水泥土电阻率结构特性参数与水泥土的掺灰比、龄期、水灰比、 有机质含量等均有很好的相关关系：根据电阻率参数对水泥土强度影响的程度，提出了水泥 土电阻率结构综合参数m ，并对此参数进行了简单的推导，试验结果表明m 能够真实、有效、 定量地描述强度增长规律，能够对水泥土地强度进行预测。结合扫描电镜的分析结果，分析 表明其与电阻率结构参数所反映的微观结构变化规律是一致的，因雨进一步证实了应用水泥 土电阻率特性能够对水泥土的微观结构进行定量化研究。 其次，水泥土是由软土和水泥通过强制搅拌而成的介于土与水泥混凝土之间的一种介 质。由于土中存在空隙，而且由于搅拌混合作用的不均匀性，在荷载作用和外部环境的影响 下，水泥土产生各种各样的缺陷，导致其物理力学性质的劣化，因而，很难用通常的弹塑性 模型来描述。本文通过对水泥土损伤机制的分析，探隶了用电阻率法确定水泥土损伤阈值的 可行性；水泥土的损伤变量d 与其所对应的电阻率结构综合参数m 存在非常好的线性关系， 从而把电阻率结构综合参数代换损伤变量d ，建立水泥土电阻率损伤模型。试验分析结 果表明：电阻率结构综合参数m 所确定的损伤阈值与试验值相吻合，求得的损伤变量d 与 实测值也是基本吻合的，充分说明了用电阻率结构参数确定水泥土损伤阈值的可靠性与正确 性。电阻率损伤模型计算得到的水泥土应力一应变曲线与实测曲线比较表明，曲线在应力极 限值之前部分拟合较好，而应力达到最大后，理论值与实测值存在一定误差，说明了电阻率 损伤模型可以用来描述水泥土在荷载作用下微缺陷的产生、发展以及对水泥土力学性质的影 响。 关键词：结构性，水泥土，强度，电阻率，结构因子f ，形状因子f 各向异性系数a ，损 伤模型 + 本论文获国家自然科学基金资助，项目批准号：5 0 4 7 8 0 7 3 r e s e a r c ho nt h ec e m e n t e ds o i ld a m a g em o d e lb a s eo nt h e e l e c t r i c a lr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c s a b s t r a c t t h ee l e c t r i c a lr e s i s t a n c et e s t i n gt e c h n o l o g yi sa p p l i e dt oa n a l y z et h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s o ft h ec e m e n t e ds o i lc o m ef r o mh u a i - y a hh i 【曲w a yo fj i a n g s up r o v i n c e o nt h eb a s i so ft h e a l l a l y s i so ft h et e s td a t a , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee l e c t r i c a lr e s i s t a n c ei n d i c e sa n dt h e e n g i n e e r i n gm e c h a n i c sc h a r a c t e r so ft h ec e m e n t e ds o i li ss t u d i e d , a n dt h ed a m a g em o d e lo ft h e c e m e n t e ds o i li sp r e s e n t e dt oa n a l y z ei t sm e c h a n i c a lp r o p e r t y f i r s t l y , t h ec o n s o l i d a t i o nm e c h a n i s mo f t h ec e m e n t e ds o i l ，t h ec e m e n th a r d e n i n gm e c h a n i s m ， a n dt h ee n 西n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i co f t h ef l y - a s ha r es t u d i e dt h o r o u g h l y b a s e do nt h ea b o v es t u d y , i ti sc l e a rt h a tt h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r st ot h ec e m e n t e ds o l ls t r e n g t ha r et h eo r g a n i cc o n t e n to f s o i l t l ec e m d u tc o n t e n t a n dt 1 1 ef l y a s hc o n t e u ti nt u r n t h es t r e n g t ho ft h ec e m e n t e ds o l l d e p r e s s e sa l o n gw i t ht h eo r g a n i cc o c u ti n c r e a s i n 培n l er e s u l t so ft h et e s t si t l d i c a t et h a tt h e f l y a s hh a sag o o di m p r o v e m e n te f f e c tt ot h es o rs o i l mh i 曲o r g a n i cc o n t e n t h o w e v e r , w h e n t h ef l y - a s hc o n t e n te x c e e d s1 2 t h es t r e n g t ho f 吐l ei m p r o v e ds o l ld e p r e s s e s t h es t u d ys h o w s t h a tt h e r ea r ee x c e l l e n tr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee l e c t r i c a lr e s i s t a n c ei n d i c e sa n dt h ec e m e n t c o n t e n t ，t h ec u r i n gt i m e ，t h eo r g a n i cc o n t e n lm e a n w h i l e t h er e s i s t a n c eo v e r a l li n d e xmi sp u t f o r w a r d a c c o r d i n gt o t h ei n f l u e n c e d e g r e et ot h ec e m e n t e ds o i ls t r e n g t hb yi t sr e s i s t a n c e p a r a m e t e r sa n dt h ei n d e x 所i sd e d u c es i m p l y i ti sp r o v e dt h a th er e s i s t a n c eo v e r a l li n d e xmc a i l a c t u a l l y , e f f e c t i v e l ya n dq u a n t i t a t i v e l yd e s c r i b e st h es t r e n g t hi n c r e a s i n gr u l e sa n df o r e c a s tt h e s t r e n g t hw i t h o u td o i n ga n ys t r e n g t ht e s t s o nt h eo t h e rh a n d ，t h em i c r o c o s m i cs t r u c t u r er e f l e c t e d b yr e s i s t a n c ei n d i c e si st h es a m ea st h er e s u l t so fs c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e s oi ti ss u g g e s t e d t h a tt h ee l e c t r i c a lr e s i s t a n c ei n d i c e sc o u l dr e p r e s e n tt h es o i ls t r u c t u r ee f f e c t i v e l y s e c o n d l y , t h ec e m e n t e ds o l li sas o r to fm e d i u mw h i c hi sm i x e db ys o f ts o l la n dc e m e n t s o i t sm e c h a n i c sc h a r a c t e ri sb e t w e a ns o l la n dc o n c r e t e t h ec e m e n t e ds o i lh a sv a r i o u sl i m i t a t i o n s b e c a u s eo f i t si n t e r s p a c e si nt h es o rs o i l ，t h ea s y m m e t r yi nt h ec o u r s eo f m i x i n g ，t h ei n f l u e n c eo f l o a d i n ga n de x t e r i o re n v i r o n m e n t t h e r e f o r ehi su n r e a s o n a b l et ou s ew e r a g em o d e lt od e s c r i b e 出ec e m e n t e ds o i l i nt h i sp a p e rt h er e s i m n c ed a m a g em o d e lo f c e m e n t e ds o i i i se s t a b l i s h e d t h e k e yp r o b l e mo ft h i sm o d e li st of m dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er e s i s t a n c eo v e r a l li n d e xma n d t h ed a m a g ev a r i a b l ed h o w e v e rt h ea n a l y s i so f t h et e s ts h o w s 也a tma n dd h a sa na p p r o x i m a t e l y l i n e a rr e l a t i o n s h i p s oi ti sr e a s o n a b l et or e p l a c et h ed a m a g ev a r i a b l edw i t ht h er e s i s t a n c eo v e r a l l i n d e xmi nt h ed a m a g em o d e l t h e nt h er e s i s t a n c ed a m a g em o d e li sf o r m e d t h ec a l c u l a t i o no ft h ed a m a g et h r e s h o l dw i t hm eh a s8g o o da c c o r d a n c ew i t ht h et e s t i n gr e s u l t a n dt h ed a m a g ev a r i a b l edt a l c u l a x e db ymi sa l s oc o n s i s t e n tw i t h t e s t i n gr e s u l t s oi ti ss u r et h a t t h er e s i s t a n c ed a m a g em o d e lc a na c c o u n td a m a g e _ t h r e s h o l d t h ec a l c u l a t e ds t r e s s s t r a i nc u r v ei s a c c o r dw i t h t e s t i n gr e s u l tb e f o r e t h es t e s sl i m i t a r e rt h es t r e s s l i m i t , t h e r ea r es o m e d i s c r e p a n c i e s b u tt h ec h a n g et r e n do ft h et w oc a t w e si st h es a r n e s oi ti sc o n c l u d e dt h a ti ti s e f f e c t i v ea n ds i g n i f i c a t i v et od e s c r i b et h eh a p p e n i n ga n dd e v e l o p m e n to ft h ec e m e n t e d s o i l m i c r o c o s m i cs t r u c t u r ed a m a g eb yr e s i s t a n c ed a m a g em o d e l k e yw o r d s ：s o l ls t r u c t u r e ，c e m e n t e ds o i l ，s t r e n g t h ，e l e c t r i c a lr e s i s t a n c e ，s t r u c t u r ef a c t o rf - f o r m a t i o nf a c t o rf i a n i s o t r o p yf a c t o r a ，d a m a g em o d e l i i 本文主要符号 a 一粉煤灰掺量 m 抗拉强度 a 各向异性系数 q u _ 一水泥土无侧限抗压强度 a w 水泥掺量 r r 一接触电阻 a r 一试样面积品、研一可调电阻 a 。试样校正后面积尼r 竖向电阻 c 对称的弹性常数张量幽水平向电阻 c 粘聚力s ，、s 。r 竖向、水平向电流通过横截面面积 d 一损伤变量t _ 一龄期 d o _ ，初始损伤值、p 一含水量 d i 极限损伤值 o 压缩系数 e 孔隙比 o 。r 一有效应力 e r 一压缩模量 a1 2 压力在1 0 0 - - 2 0 0 k p a 内的压缩系数 e ，压缩模量 e 。、s 材料系数 e 5 0 变形模量ed 损伤闽值 f 一平均形状园子 s 弹性应变 f _ 平均结构因子 f 8 等效弹性应变 f h 水平向结构因子 。r 是d = i 时的破裂应变 f v 竖向结构因子 、u l a m e 系数 l v 、l f 竖向、水平向电极片之间的距离p 一一电阻率 m 电阻率综合参数p ，广_ 一水平向电阻率 n 吼隙率p ，土的竖向电阻率 h 变坏荷载 p 厂孔隙水电阻率 p e 固结屈服应力 盯应力张量 g “。s 2 8 天无侧限强度 e 内摩擦角 q 一抗剪强度 6 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，电不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：厘监日期：巡p 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容柏一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：碰铆签名：垒 丝 期：基市 店 第一章绪论 l - l 土结构性的研究现状 第一章绪论 结构是决定土的物理力学的一个重要性能。土的结构性是指土中颗粒或颗粒集合体以及颗粒间 孔隙的大小、形状、排列组合及联结等综合特性。土结构性影响主要指：胶结作用，触变硬化，时 间效应及淋溶等“1 。受到土结构性影响的土统称为结构土。绝大多数天然土都有一定的结构性。关 于土结构性研究的重要性己得到越来越多学者的认同。沈珠江把它作为2 1 世纪土力学发展的核心”1 。 1 1 - l 土的微观结构概念 关于土结构基本概念，国内外最常见的是结构、组构和构造。前苏联及东欧一些国家文献中， 常将上述三词混用。而荧英等西方国家文献中很少用构造一词，对结构和组构有明确区分，组构为 颗粒排列的几何特征，结构包括组构与相邻颗粒间的相互连接力。我国认为土结构是表征土的整体 结构特征术语，而构造和组构在理解上有分歧，建议不予采用。 土结构是指土中各组分在空间上的存在形式，结构特征又受各组分的成分、定量比例及相互间 的作用力所控制”1 。它具有整体性、层次性、集合性、相关性和环境适应性。 土结构的最基本要素为结构单元体，通常由许多微小颗粒在各种地质环境下聚集而成，在外部 形态上可有较明显的轮廓，并能够发挥独立作用。结构单元体通常有单个或多个矿物集合体形成， 是独立受力的基本单元。结构单元体之间的连接力相对粘土矿物之间弱得多，变形主要集中在结构 单元体的边缘。3 “。土结构的具体内容包括三方面：( 1 ) 结构单元体的大小、形状、表面特征及其 定量比例关系：( 2 ) 各单元体在空间上的排列状况；( 3 ) 各单元体间的连接特征。 土的结构性是指土中颗粒或颗粒集合体以及颗粒间孔隙的大小、形状、排列特征和联结特征的 综合特征。是土的沉积环境、土颗粒特性及沉积后各种地质力作用等各种因素综合作用的产物，是 土结构的力学效应，是受力时土结构与其力学行为的相互影响。对土的结构性研究，从本质上看， 它不仅要表述土的某种结构状态，还耍表述这种结构状态与作用力之间的变化关系。 土的结构性实际上是一种土物理状态的显示，是土生成条件、环境的自然历史产物。它受到土 固相颗粒的成分、大小、形状、分布、粗糙度与团聚程度的影响；受到土骨架排列的定向性、均匀 性和稳定性影响；受到土孔隙的大小、分布、密集度、连通率与充水率影响；受到微裂隙的分布、 走向、密度与连通率的影响；也受到土中化学物质的成分及其存在状态的影响”。 对土结构性的研究，本质上与传统的土力学有很大不同，表现在三方面：( 1 ) 在研究思路上， 前者是从微观到宏观，是研究微观机制取得对宏观行为的模拟，而后耆是宏观到微观，主要是通过 宏观力学试验去模拟、解释土体的变化机制。( 2 ) 在介质模式上，前者视土体为非均匀、非连续， 而后者不然。( 3 ) 前者重视土体结构性，后者忽视它”1 。 1 1 2 土结构性研究途经与研究历史 一、土结构性研究途经 土结构性研究存在三大基本途径。一是微观形态学的研究方法，它几乎将微结构当成了土结构 性研究的代名词，从土颗粒的大小、孔隙的大小、颗粒和接触面的形状以及定向性等方面，采用直 接统计分析方法和分析几何方法，对土的微结构形态量化信息进行分析和研究，但它在全面描述结 拇性几何特征和连接特征方面的困难以及测试技术上的复杂性而难以在实践中得到应用：二是固体 力学的研究方法，从数学和力学的角度建立一种能够有效描述土结构性在受力过程中变形和破坏的 力学模型；三是土力学的研究方法。该方法主要针对土的特殊性质而提出的某些表述参数( 如结构 强度、先期固结压力、失陷系数、灵敏度和液化度等) ，此方法的最大优越性在于避开了直接求取构 成土结构性的两个因素及每个因素所包含的内容，直接建立土的结构性与土力学性质之间的关系。 东南大学硕士学位论文 二、土结构性研究历史 国内外众多专家学者在土的结构方面进行了深入的研究。早在上世纪2 0 年代中期，土力学奠基 人太沙基就提出土的微结构概念和思想，被认为是土微结构研究的开端，也是结构性研究的开端。 他提出了粘土的“蜂窝状结构”是在自然沉积过程中很常见的一种结构形态。其后许多学者也注意 到了土微结构的力学意义，并开始着手这方面的研究。到5 0 年代中期，随着科学技术的发展，光学 显微镜、偏光显微镜、x 射线衍射技术等在土的微结构研究中得到了广泛应用。人们开始注意到了 结构要素的完整性，特别是结构单元的定向分布特征，此阶段可以说是土结构性研究的深化阶段。 而对于土结构性定量化研究始于上世纪6 0 年代，这期间，人们在寻求定量化描绘微观结构形态诸要 素方法的同时，开始了对土结构联接特征的力学模拟研究，出现了从某些侧面描述士结构性的定量 化指标以及描述微结构形态的诸要素的方法和一些反映结构性影响的力学模型”。y o n g 和m i c h e l l 将单粒结构发展到圉粒结构，昊义祥从信息嫡角度对结构粘土的排，进行分析，提出了信息结构 熵的概念：刘松玉”1 采用粒度分维分析的方法研究土结构，提出粒度分维表示法；y o n g 等和张厚诚 。”1 从结构粘土的力学特性方面进行研究：s i p o v “和高国瑞“2 指出了土的微结构模型和土微结构的 综合分类方案；m a t u s o “提出结构因子的概念；t y l e i “等不少学者研究了粒子和集合体分布的分形 特征与规律；胡瑞林”1 等以h o u s d o f f 分维计算方法以获得颗粒分布及其大小和表面积特征分维以及 孔隙与接触带分布分维的定量结构；谈罗荣“”等指出灾害性膨胀土颗粒定向特征与力学强度的定量 关系表达式：沈珠江“”1 结构粘性土的非线形损伤力学模型和弹塑性损伤模型以及砌块体理论；施 斌”“建立了各项异性粘性土蠕变的微观力学模型；谢定义o ”等提出了综合结构势的概念；雷华阳1 采用微型贯入仪法测定土结构在各受力状态下的贯入强度值，提出了结构系数的概念；汤连生“3 1 等 人用结构熵和结构势能的概念来描述和表征土的微结构变化以及微结构变化所引起的土体宏观力学 效应的变化。 1 2 水泥土力学特性及其微观结构研究 1 2 i 水泥土的力学性质 1 无侧限抗压强度及其影响因素 水泥土的无铡限抗压强度般为3 0 0 4 0 0 0 k p a ，即比天然软土大几十倍至数百倍。其变形特征 随强度不同而介于脆性体与弹塑性体之间，水泥土受力开始阶段，应力与应变关系基本上符台虎克 定律a 当外力达到极限强度的7 0 8 0 时。试块的应力和应变关系不再继续保持直线关系，当外 力达到极限强度时，对于强度大于20 0 0 k p a 的水泥土很快出现脆性破坏，破坏后残余强度很小，此 时的轴向应变约为o 8 1 2 ( 如图l - 1 中的a 2 0 、a 2 5 试件) ；对强度小于20 0 0 k p a 的水泥土则表现 为塑性破坏( 如图1 1 中的a 5 、a l o 和a 】5 试件) 。 ( a ，、a ma 1 5 、a z o 、a h 表示水泥掺入比a w 分别为5 、1 0 、1 5 、2 0 、2 5 蚴 图卜l 水泥土的应力一应变曲线 - 2 - 墨= 兰望笙一 影响水泥土的无侧限抗压特性的主要因素见表1 - 2 。下面根据总结一下前人的研究成果。 i 硬化剂种类、标号； 1 搅拌时间 i 硬化剂特性 2 硬化剂掺加量搅拌条件 2 搅拌工具 3 外加剂 i 土性的粒度特性、矿物成 1 温度 分等 2 龄期 i i 土体特性 2 有机质含量 养护条件3 湿度、干湿循环、冻 3 士中水的p h 值 融循环 4 含水量 4 空气中c o z 含量等 ( i ) 水泥掺入比a w 对强度的影响 水泥掺入比a w 的定义为“掺加的水泥重量与被加固的软土重量之比”。 ；翥糕舢”被加固的软土重量。 由试验得知水泥土的无侧限抗压强度q u 随着水泥掺入比的增加而增大，见图i - 2 所示。当 2 8 d 后强度仍有较大增长。当t 9 0 d 后，水泥土的强度增长才缓慢。根据扫描电子显微镜观察， 水泥和土的硬凝反应约需3 个月才能充分完成。建筑地基处理规范( j o j 7 卜_ 9 1 ) 建议以龄期t = 9 0 d 的无侧限抗压强度值作为水泥土的强度标准值。 ( 3 ) 土样含水量对强度的影响 水泥土的无侧限抗压强度r 。随着土样含水量的降低而增大。由表1 4 可见，当土的含水量从1 5 7 降低到4 7 时，水泥土无侧限抗压强度则从o 2 m p a 增加到2 3 2 m a 。一般情况下，土样含水量 每降低1 0 ，则强度可增加1 0 5 0 。 表卜4 含水量与强度的关系( 引自叶书麟1 ) 天然土 4 了 6 28 61 0 61 2 51 5 7 含水量 水泥土 4 4 5 97 69 11 0 01 2 6 ( m p a ) 23 2 2 1 213 40 7 30 4 7d 2 6 注：水泥掺入比为1 0 。 - 3 东南大学硕士学位论文 ( 4 ) 水泥标号对强度的影响 水泥土的强度随水泥标号的提高丽增加。一般说来，水泥标号提高1 0 0 号，水泥土的强度约 增大5 0 9 0 。如要求达到相同强度，水泥标号提高1 0 0 号，可降低水泥掺入比2 3 。表1 - 5 为水泥标号对水泥土的影响试验结果。 表1 - 5 水泥标号对水泥土强度的影响( 引自刘建军乜6 1 1 9 9 2 ) 水泥掺入比( 呦 7 1 01 5 水泥标号 4 2 5 # 5 2 5 # 4 2 5 #5 2 硎4 2 5 #5 2 5 # 无侧限抗压强度( 9 0 d y 0 ( m p a ) 0 5 6 01 0 9 6 11 2 417 9 02 2 7 0 3 4 8 5 。n f “, 4 2 s 9 55 95 3 ( 5 ) 土样中有机质对强度的影响 有机质含量的增高将会明显的降低水泥土的强度，如图1 _ 3 ( 6 ) 粉煤灰对强度的影响 掺加粉煤灰的水泥土，其强度一般比部掺加粉煤灰的有所增长，如图1 4 。不同水泥掺入比的水 泥土，当掺入与水泥等量的粉煤灰后，强度均比不掺粉煤灰的提高1 0 。 ； 日2 要； i 圈l 一3 机质含量与水泥土强度关系曲线 实线为不掺粉煤灰的水泥土；虚线为掺粉煤灰的水泥土 引自冶金部建筑研究总院地基室1 9 8 5 图i - 4粉煤灰对水泥土强度的影响 g 【自冶金部建筑研究总院地基室。7 1 1 _ 9 8 5 2 抗拉强度q t 水泥土的抗拉强度m 随着抗压强度的增长而提高，当水泥土的无侧限抗压强度q u = 0 5 4 2 t l p a 时， 其抗拉强度q t o 1 0 7 肝a ，即m 。( 1 6 1 5 ) q 。 3 抗剪强度q - 试验表明，水泥土的抗剪强度q 随着抗压强度的增长而提高。在低应力水平时，其应力应变曲 线呈软化型，并伴随有剪胀现象；随着平均应力的提高，曲线逐渐过渡到硬化型。1 。当无侧限抗压 强度q u = o 5 4 m p a 时，其粘聚力c = o 1 1 1 m p a ，即c = ( o 2 0 3 ) q u ，其内摩擦角日在2 0 。 3 0 。之间变化。水泥土在高压三轴剪切破坏时，试件有清楚而平整的剪切面育最大主应力方向夹角 约为3 0 。 4 压缩系数a - 和压缩模量e l 水泥土具有明显的超固结特性，y o s h i o s u z u k i 。“的研究表明，水n i n 结屈服应力p 。随水泥掺 入比的增加而增大。国内试验研究表明，水泥土试件的压缩系数口约为( 2 0 3 5 ) 1 0 一( k p a ) ，其相应的压缩模量e 5 ；6 0 1 0 0 m p a 。 通过实测水泥土的应力应变关系，可求得水泥土的变形模量e 。冶金部建筑研究总院地基室的 试验结果表明：当q 。= 3 0 0 4 0 0 0 k p a 时，其e 5 。= 4 0 6 0 0 b l p a ，即e 。= ( 1 2 0 1 5 0 ) m 1 2 2 水泥土微观结构研究 童小东”等人利用高倍扫描电镜对不同龄期下的水泥土进行分析、比较表明：当t = 7 d 时，掺 熟石灰的水泥土与单掺水泥的水泥土相比，土颗粒的形状清晰可辨，土颗粒周围的水泥胶凝体和水 泥水化物结晶萌芽的数量相对较少，结构相对疏松；随着龄期的增长，当t = 3 0 d 时，单掺水泥的水 - 4 一 第一章绪论 泥土生成了数量较多的真状结晶，而在掺熟石灰的水泥土中，土颗粒周围生成了大量絮凝状的水泥 胶凝体，并伴生有许多尺寸相对较小的针状结晶，土颗粒的形状已不易辨析；而当t = 9 0 d 时，与单 掺水泥的水泥土相比，掺熟石灰的水泥土中针状结晶较为发育，结晶体的尺寸相对较大、数量相对 较多，结构也相对致密。 李俊才”“等对水泥土样微结构特征进行了深入研究。他( 2 0 0 0 ) 通过对上海某地区三种土质以 及该三种土质掺入不同水泥、进行不同龄期养护的水泥土样，还有现场水泥粉喷桩芯样进行微观物 理、化学测定，提出了关于水泥土样的微结构模型。他指出土的结构类型对水泥土的微观结构影响 很大。当以碎屑为主，粘粒含量较少的土中掺入2 0 的水泥，养护1 9 天后其水泥土样的微结构特 征为：附着在土颗粒表面及粒间的水泥粒子会就地水化生成纤维状凝胶物质，并将颗粒牢牢胶结， 形成结构联结极强的“粒状镶嵌胶结”结构，因而宏观强度极高；当以粘土为基质结构的士中 掺入同样水泥量，养护2 0 天后，其水泥土样微结构特征显为：水泥粒子水化生成的钙离子会被粘粒 表面交换吸附，剩余的钙离子不足以生成纤维状水化物，因而样品中少有纤维状水化物，且主要分 布在孔隙和土团之间的空间中。团粒内部的粘土畴仍相互分割，团粒体刚性差，导致宏观强度不会 太高：当在粘土为基质结构，含水量较少的土中掺入同样的水泥量，养护2 0 3 0 天后，其水泥土样 微结构特征为：土中粘土矿物不仅吸附钙离子，且把土中绝大部分水吸附到表面，致使没有足够水 分使水泥充分水化，因而土样中未有纤维状生成物，不能生成网络连接物，宏观力学强度极差。 刘公瑞”“等描绘了水泥结石及其交界面的微结构模型。他指出在良好的水泥灌浆处理情况下， 水泥结石与围岩充填密实，只有在扫描电镜下可较为清楚看到顺胶结面分布的个别微裂隙。裂隙一 般沿胶结面曲折分布，张开度变化较大。并指出胶结面上的微裂隙是在水泥浆液的凝结和硬化过程 中形成的，其大小与裂隙面的糙度、表面水化、风化性质、浆液性质、灌浆历时以及灌浆压力等因 素有关。微裂隙的张开度是表征水泥结石与围岩胶结程度的一个参数，与水泥结石的强度密切相关， 是微结构的一个重要结构特征。 童小东”在水泥土微结构研究基础上通过损伤试验曲线分析，研究探讨了水泥土的损伤机制， 认为水泥土的变形和损伤过程大致可分为以下4 个阶段：裂缝及孔洞的闭合阶段，水泥土的线 弹性阶段，微缺陷的稳太扩张阶段。裂缝贯通及非稳太扩张阶段。 y a m a d e m ”“等人对土微结构进行深入研究后形象的描述了掺水泥与未掺水泥土颗粒之间的分布 联接情况。对上述两种土进行压缩试验和渗透试验后，得到如下结论： 相同孔隙比下，掺水泥与未掺水泥的渗透规律是一致的，也即它们具有相同的微结构形态。 相同标号的水泥，水泥土的后期强度主要由水泥土的结构联接强度决定。 新加坡国立大学的李富豪。1 用液限和渗水极限来反映水泥土微结构变化与宏观力学特性的变化 关系。 1 3 电阻率结构模型理论研究现状 1 3 1 电阻率法定量研究土结构性的理论 电阻率是表征土导电性的基本参数，是电导率的倒数，是土的固有物理特性参数之一。某种士 的电阻率实际上就是当电流垂直通过边长为l m 的立方体土时而呈现的电阻，单位用欧姆米表示 电阻率测试法的应用与发展有其深厚的理论基础。早在1 9 4 2 年a r c h i e 3 最先提出了形成因子f 的概念：f 定义为土的电阻率与孔隙水的电阻率的比值。同时提出了经典相关公式： f = a n ” ( 1 - 1 ) a 为常数，由岩石、土的类型决定；m 为固化因子。 随后，到上个世纪6 0 年代，k e l l e ra n df r i s c h k n e c h t “1 ，p a r k h o m e n k o ，a r u l a n a n d a na n d m u r a l e e t h m a n ”的研究分析表明土的电阻率主要取决于一些重要结构参数，如孔隙率、孔隙形状、 - 5 一 一一 变堕盔堂堡主堂堡笙苎 一一 孔隙结构、饱和度、孔隙液电阻率、固体颗粒成分、颗粒形状、颗粒定向性以及固化状态等。在7 0 年代的时候，j a c k s o n ，k u t t e r 3 ，a r u l a n a n d a a 和l ( 【i t t e r 1 ，a r u l m o l i 1 ”1 通过大量试验分析，指 出形成因子f 与土的颗粒形状、长轴定向排列、接触排列、孔隙率、胶结特性、饱和度等有关。9 0 年 代t h e v a n a n y a m 。1 研究指出固化系数m 可反应颗粒问的粘结、粒径、土颗粒的形状、种类以及土颗 粒间填充料的分布。同时p a b i t r an s e n e ta l “”在1 9 9 7 年指出固化因子1 i 1 又可称为孔隙形状因子， 他运用有效介质近似理论论证了微观孔隙的变化、弯曲度对所的影响。通过理论推导，a r u l a n a n d a n a n d m u r a l e e t h a r a n c 3 7j ，a r u l a n a n d a n ，t h e v a n a y a g a m “”找到了平均结构因子f 的表达式，解决了a r c h i e 经典相关式中m 概念提出的理论依据，并提出交流电场下的m 取决于土的电导率、介电常数、颗粒 形状、频率，而与颗粒的排列无关，并把m 定义成形状因子，用f 表示；平均结构因子f 表示为： i ；曼竺盈f ，：旦：旦e ：旦：堕 3 。qp l “p l ( 1 - 2 ) 对于紧密聚合体，f = n _ ，1 1 为孔隙率。因而厂可借助关系式f = ”o 求得，且，只与土颗粒 的形状有关，可用来描述土颗粒形状，故被定义为平均形状因子。最早提出各向异性指数a 是 = _ 了_ a r u l a n a n d a n 和k u t t e r 1 ，并且指出a = ，厍，可反映颗粒定向排列情况。 v h 2 0 0 3 年，刘松玉教授，于小军”3 博士采用拉普拉斯方程推导了a r u l 曲a n d a na n dm u m l e e t h a r a n ， a r u l a n a n d a n ，t h e v a n a y a g a m 等人提出的e a 的表达式，从数学上、力学上证实了公式的正确性和 可靠性。 f = ( f , + 2 f p 3 ；f f = p r ；p w ；f h = p h | p w t 1 - - 3 ) f = l o g f l o g ( n ) ( 1 - - 4 ) a = t f y | fh ( 1 - - 5 ) 式中f v 竖向结构因子 f h 水平向结构因子 pv 竖向电阻率 d “水平向电阻率 p - 孔隙水电阻率1 1 孔隙率 同时，用电阻率特性参数来研究土结构性的方法在软土和膨胀土的实验中得到了验证。通过大 量室内电阻率测试，获得了软土在一维压缩过程和三轴固结剪切过程中这三个参数的变化规律，通 过1 i l 扩+ f ) 和l g ( p ) 的关系可以预测软土的先期固结压力p 。( p 是所加的各级荷载) ；同时在f 、f 、 a 到达极值时正好是固结度达1 0 0 的时候。同样，对于膨胀土，通过室内电阻率测试，获取了膨 胀土样在膨胀过程中这三个参数的变化规律，表明了膨胀土、膨胀石灰土在膨胀过程中，这三个参 数值均降低，且遵循一定规律。另外，通过对试验结果进行归一化分析，提出了参数i a * i 值可 作为表征膨胀土膨胀性能的指标来预测膨胀量。实验的结果表明用电阻率法对土样进行测试，得到 的三个参数f 、f 、a 能全面反映土的内部结构特征变化。从实验角度说明电阻率特性参数用于定量 化研究土的结构性是可行的。 - 6 第章绪论 东南大学刘松玉教授、于小军博士等运用电阻率结构模型理论，并结合试验数据，对天然膨胀 土、击实膨胀土、改良膨胀土在膨胀过程中其结构变化情况作定量描述。探讨了土样的膨胀特性与 其电阻率结构特性参数的紧密相关关系。另外，探索了运用土的电阻率综合结构因子m 来预估膨胀 量、描述膨胀性强弱的可行性。m = f 2 a f 。同时，通过海相软土的一维压缩，从压缩特性、主固 结变形特性、蠕变变形特性等方面的阐述，揭示了海相软土压缩、蠕变变形的微观机制，探索了用 软土的电阻率综合结构因子m 来预估其应变大小的可行性：从三轴等向固结过程中、剪切过程中海 相软土微结构特征变化入手，应用电阻率综合结构因子m 来揭示塑陛体应变和塑性偏应变的硬化机 制。 本文沿用电阻率模型理论，试图通过大量的室内对比试验、正交试验，对水泥土在一维压缩过 程和无侧限抗压过程以及三轴剪切过程中的微观结构特性进行了定量化研究，探求电阻率结构参数 与水泥土宏观力学指标之间的关系，寻找能反映水泥土微观结构特性的综合性参数，建立微观结构 与宏观表现之间的定量化表达式。 1 4 连续介质损伤力学的发展 近年来，连续介质损伤力学( c o n t i n u u md a m a g em e c h a n i c s c d m ) 已发扎成为一门十分活跃 的固体力学分支，并在金属、岩石、混凝土和复合材料等各种工程材料的蠕变、疲劳和断裂等问题 的研究中得到应用。 1 4 1 损伤力学概述 损伤( d a m a g e ) 是指在单轴加载或重复加载下材料的微缺陷导致其内粘聚力的进展性减弱，材 料的微观结构发生变化，引起微缺陷成胚、孕育、扩展和汇合，导致体积单元破坏的现象。 从微观的、物理学的观点来看，损伤是材料组分晶粒的错位、滑移、微孔洞、微裂隙等微观缺 陷形成和发展的结果：从宏观的、连续介质力学的观点来看，损伤又可以认为是材料内部微观结构 状态的一种不可逆的、耗能的演变过程。 断裂( f r a c t u r e ) 和损伤是紧密相关的力学现象。毫米量级以上的宏观裂纹，通常是由微观的孔 隙、瑕裂以及其他微观结构缺陷扩展、聚集演变而成的。 断裂力学( f r a c 自u em e c h a n i c s ) 也是研究结构损伤的学科，它研究工程结构中具有明确几何边 界的宏观裂纹问题。断裂力学讲材料内部缺陷简化为一个或有限个宏观裂纹，从整体出发，通过从 裂纹前沿的应力、应变、位移和能量场的分析，确定支配裂纹行为的断裂力学参数，对裂纹的扩展 和结构安全性进行预测。 损伤力学( d a m a g em a c h a n i c s ) 就是研究在各种加载和环境条件下，工程材料内部微观缺陷的 产生和发展所引起的宏观力学效应并最终导致材料破坏的过程和规律的一门科学。它通过引入个 所谓“损伤变量”的内部状态变量来描述含微观缺陷材料的力学效应，以便更好的预测工程材料的 变形、破坏和使用寿命。 损伤力学把材料内部微观缺陷的力学作用理解为连续变量场( 损伤场) ，从金属物理学、材料力 学和连续介质力学等统一起来的观点出发，利用传统的力学分析方法一使用宏观变量描述微观结 构变化，用损伤场这个力学变量描述材料的损伤状态，认为损伤连续分布于整个介质中，所以损伤 力学通常也被称为连续介质损伤力学( c o n t i n u u md a m a g em e c h a n i c s ) 。 1 4 2 连续介质损伤力学的研究现状 1 9 5 8 年，苏联塑性力学家k a y a h o b “”在研究金属蠕变断裂时，首次引入了“连续性因子”和“有 效应力”的概念。1 9 6 3 年，p a o t h o b “”又进一步引进了“损伤因子”的概念。在这些概念的基础上， 他们采用连续介质力学的唯象方法来研究材料蠕变破坏的过程。此后2 0 余年，这些方法和概念主要 局限在分析蠕变断裂。 7 东南大学硕士学位论文 直到7 0 年代，由于原子能工业和航天技术方面遇到了一些新问题，材料损