《水泥土抗压强度试验及试块应力分布的模拟分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水泥土抗压强度试验及试块应力分布的模拟分析（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、水泥土抗压强度试验及试块应力分布的模拟分析北京市创新人才项目(PHR201006118)、北京教委学科与研究生教育-岩土工程项目(PXM2009-014212-076740) 与北方工业大学重点项目联合资助第一作者简介：晏志春，硕士研究生，主要研究方向：岩土工程晏志春 孙世国(北方工业大学建筑工程学院 北京 100144)摘 要：本文通过室内试验方法研究了不同水泥掺入比、龄期和水灰比对水泥土的抗压强度的影 响特点，并采用数值方法分析水泥土试块的应力分布特征。研究结果表明，水泥土强度并 不一直随着水泥掺入比增大而增加，当掺入比大于50%时会逐渐达到峰值；龄期越长强度 越高，水灰比越大强度越低。数
2、值模拟结果与试验结果基本相符，证明其研究方法可行， 试验结果可用于地铁施工过程中周围软土的注浆补强加固手段提供决策依据。关键字：水泥土 抗压强度 数值模拟 应力Soil-cement Compressive Strength and Simulation Analysis of Test Blocks Stress DistributionYan Zhichun Sun Shiguo(Col. of Architectural Engineering, North China Univ. of Tech. Beijing 100144)Abstract：This paper studies t
3、he influencing characteristics of cement-soil compressive strength through laboratory experiment when cement ratio, age and water-cement ratio are changed. And numerical simulation software is used to analyze the stress distribution characteristics of cement-soil test block. The results of the study
4、 show that, soil-cement strength is not always improved as cement mixing ratio increases, it will reach peak gradually when mixing ratio increases to more than 50%; soil-cement strength will be improved as the increasing of ages, and reduced when the water-cement ratio increases. Numerical simulatio
5、n results are basically consistent with the experimental results. It shows that numerical simulation method is feasible and the model parameter can be used in the subway construction, it can provide decision-making basis for reinforcement method of soft soil.Keywords：cement-soil compressive strength
6、 Numerical simulation stress1 引言在地下工程中，对于地铁施工过程中隧道围岩的支护一直是个难题，尤其当隧道围岩是软土 或软岩时，单纯采用锚杆支护很难有效地控制隧道围岩的变形，保证其稳定性。工程上现较多采 用水泥土或水泥注浆法来解决此类问题。水泥土或水泥注浆法是利用水泥作为固化剂，通过注入 或强制搅拌将水泥与土体或岩体混合，使二者之间产生一系列的物理化学反应，形成具有整体性、 水稳定性和一定强度的水泥土。这种方法能有效地改变围岩的松散结构，提高围岩间的粘结力和 内摩擦角，封闭、充填围岩的裂隙，改善围岩的力学性能，提高围岩的强度和变形模量，从而保 证隧道施工时围岩的稳定
7、和施工安全。目前，很多学者对水泥土进行了室内配合比设计及基本性能试验，而采用数值模拟研究水泥 土的较少。在此，本文在前人研究的基础上，通过室内试验与数值模拟相结合的方法,对水泥土的 强度规律及应力分布特征进行研究，结合试验与数值模拟结果进行对比分析，为进一步了解水泥 土特性提供参考。2 水泥土试验研究2.1 试验方案试验所用土样取自北京西效干硬状态的粉质粘土；水泥为河北燕新建材有限公司生产的“钻 牌”早强复合硅酸盐水泥PC325R ；水为自来水。对土样进行了天然含水率、重度、液塑限、无侧 限抗压及直剪试验，得到土的物理力学性质如表1所示。表1 土的物理力学性质土样名称含水率3 (%)重度Y(k
8、N/m3)塑限P塑性指 数Ip液性指 数IL粘聚力c(kPa)内摩擦角申( )抗压强度qu(kPa)粉质 粘土10.917.441611-0.4759.857.2467参照福建省地方标准水泥土配合比设计规程(DBJ13-101-2008)进行水泥土抗压强度试验。 试样采用边长为70.7mm X 70.7mm X 70.7mm的正方体试件，分别按水泥掺量5%, 10%, 15%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%；水灰比0.5, 1.0；龄期7d, 28d, 60d, 90d制作试块，每种试块 三组，共计试块96个。试件在(205)C的环境条件下静置48h后拆模
9、放入专用养护室养护，达 到规定龄期后置于NYL-60型压力试验机下压至破坏，记录破坏时荷载。2.2 试验结果分析根据试验数据,绘制水泥土抗压强度与龄期的数据曲线图如下,从水泥掺量,水灰比,龄期 三个方面考虑对抗压强度影响。25000强压抗20000150001000050000%10%20%30%40%50%60%70%80%90%水泥掺入量图1水泥掺入量与抗压强度变化曲线（水灰比0.5）f 7d龄期抗压强度亠28d龄期抗压强度* 60d龄期抗压强度90d龄期抗压强度1400010000强压抗OOO6o O o O o O4 200%10%20%30%40%50%60%70%80%90%一1
10、7d龄期抗压强度 亠28d龄期抗压强度 *60d龄期抗压强度 -90d龄期抗压强度水泥掺入量图2水泥掺入量与抗压强度变化曲线（水灰比1.0）从试验数据及以上变化曲线图可以得出以下结论：（1）随着水泥掺入比的增大，水泥土抗压强度值也逐渐增大；但当水泥掺量 70%（水灰比 0.5）、水泥掺量50%（水灰比 1.0）时水泥强度达到峰值，随后当水泥掺入越多强度反而越低。 水泥土在水泥掺入比小于5%时，固化反应很弱，其强度仅比原土增加23倍；水泥掺入比为5% 20%时，强度增加曲线较平缓；水泥掺入比高于20%时，水泥土强度显著增加，在0.5水灰比时， 水泥土强度最高比原土强度增加了42倍。在实际工程中，
11、需综合考虑强度增长需要及经济性来选 择合理的水泥掺入比，建议用于加固目的的水泥土水泥掺入比取0 =2040%为宜。w（2）水灰比 0.5 时的抗压强度比水灰比 1.0 时的抗压强度大很多，当水泥掺入比大时强度 差值越大，说明含水量对抗压强度的影响也较大，含水率越多对强度越不利。(3) 水泥土强度随龄期的增加而增加，其增长规律不同于混凝土，当龄期超过28d，强度还 有较大的增长空间。当到达60d后，强度增加趋于缓慢，基本可以代表水泥土的长期强度，因此 实际工程设计中可采用90d强度作为水泥土的强度标准值。3 数值模拟本文采用F1AC3D软件对水泥土抗压试验的试块应力分布进行数值研究。F1AC3D
12、属于有限差分 软件，它提供了12种岩土本构模型以适应分析各种工程分析需要。本文参考郝巨涛对水泥土本构 关系的研究结果，选用 Mohr-Coulomb 模型用于数值计算。3.1 模型建立与计算建立70.7mm的立方体抗压试样模型。模型参数选择为:体积模量取500mPa,剪切模量取230mPa, 粘聚力和内摩擦角参照水泥掺量 15%，水灰比 0.5，龄期 90 天的直剪试验结果，分别取 0.6mPa 和 25。先对试样模型的上下面施加位移边界条件，初始位移为零，试样高度方向无侧向限制， 然后对试样进行轴向加载，加载速率为1X10-m/s，随着加载时间步的增加位移也随之增加。计 算并提取模型3000
13、时间步的结果。3.2 数值计算结果与分析(1) 抗压强度试验模拟结果如图3、图4所示。从图3可以看出，应力分布最大的试件上下面的外 边缘。从图4可以看出，试样破坏时的最大应力SZZ为2.52MPa,得到的最大荷载为12.3KN。抗压强 度试验得到抗压强度为3.13MPa.最大荷载为16KN。结果较为接近，说明了模型的正确性。图3 Z方向的应力云图图4应力-位移曲线图(2) 图5为试样Z方向的位移场分布。由于荷载是从圆柱面上下表面加载，因此整个试样在接 近端部位置位移最大，中部最小，这与实验情况吻合。(3) 图6为模型变形矢量图，它形象地表征了变形发生的方向和相对大小。从图上可以看出， 由于是上
14、下表面均加竖向加载，所以模型上部变形矢量向下，上部分变形矢量向上，中部由于有 横向变形，所以变形矢量向外。模型变形呈“鼓形”状，如图6所示。Step 3000 Model PerspecOve 16:52:35 Sun Apt 17 2011Center:KotettoaX 3.5350 00?X 30 000Y: 3.5J5e-002Y: 0 000Z： 3 535&O02Z： 30MX)DM: 2.306a 001Mng ：0.64IncfemantsAng 2250Move 9.183003Rot： 10Q00Coidout of Z-Dutphcentent Mughic O.OOOo
15、MXM) .3.00006.25000s 2 0000O1.5000e 二-1 00005 0000 _ O.DOOOttQOOlo 5.0000。005 二 50000-005lo 1 0000-0041 DDOOe-OCM to 1.5000004 _ 1 5000 004 to ?.0000o004 _ 2 0000-004 to ?.50000CM _ 2.50006-004 to 3.0000 004 :V.OOOOn 004 to 3.OOOO0 004 Inteivnl - 5.09-0063 0000004 2.5000004 ?.00000041 bOOOOCM1 .DODDft-0045 0000005-004 lo 0MIO004 to (MM to (XMIO OWIo006 io oooooe*oooKsc ConsuWng Group. Inc Mlnneapols. MN USAI mitr:RotflDtxiX 3 5)50(VXlOOfXIY. 353500?Y0.00
