馮永　張盼盼　胡浩晨

摘要：為了深入探究淤泥輕量土的抗剪特性及其細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)變形機(jī)理，采用室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)、三軸剪切試驗(yàn)與ABAQUS有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，通過(guò)對(duì)比細(xì)觀(guān)模擬監(jiān)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)成果，系統(tǒng)分析了不同水泥摻量、圍壓、EPS摻量及其粒徑對(duì)淤泥輕量土的抗剪強(qiáng)度特性及細(xì)觀(guān)變形的影響。結(jié)果表明：OEPS顆粒摻量對(duì)淤泥輕量土的破壞應(yīng)變及其屈服強(qiáng)度峰值有顯著影響。②高水泥摻量對(duì)其強(qiáng)度特性及結(jié)構(gòu)變形有重大影響，但其破壞應(yīng)變受其影響不大，試驗(yàn)結(jié)果中破壞應(yīng)變最大僅相差0.5%。③EPS顆粒定點(diǎn)位監(jiān)測(cè)的數(shù)值模擬結(jié)果表明，在相同條件下，三個(gè)點(diǎn)位的EPS顆粒變形及其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系并不相同，上點(diǎn)位應(yīng)變值最大，下點(diǎn)位比上點(diǎn)位的應(yīng)變值平均小約1.5%。另外在一定的壓力范圍內(nèi)，試樣破壞之前EPS顆粒在土體內(nèi)發(fā)生的位移并不明顯，與試樣土體的位移僅差0.15 mm，變化速率與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果一致。

關(guān)鍵詞：淤泥混合輕量土;抗剪特性;細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)變形;ABAQUS數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TU43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.06.026

近年來(lái)，隨著“既要綠水青山，又要金山銀山”綠色發(fā)展理念的推動(dòng)，廢棄材料資源化已成為亟需解決的問(wèn)題。在現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外疏浚淤泥處理方法中，傳統(tǒng)的脫水、燒結(jié)方法難以滿(mǎn)足大批量的淤泥處理要求。EPS（可發(fā)性聚苯乙烯）淤泥混合輕量土技術(shù)從全新的角度把淤泥當(dāng)作“資源”看待，是既經(jīng)濟(jì)環(huán)保又輕質(zhì)、高強(qiáng)的人工合成填料。針對(duì)這一新型環(huán)保土體材料組成成分和物理力學(xué)性質(zhì)影響因素的復(fù)雜性，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其物理特性及影響因素展開(kāi)了大量研究[1-6]。侯天順等[7]通過(guò)直剪試驗(yàn)研究了不同EPS粒徑輕量土抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律。朱偉等[8-10]通過(guò)三軸試驗(yàn)對(duì)淤泥混合輕量土的力學(xué)特性及本構(gòu)模型進(jìn)行了深入研究，并取得了大量成果。陳晨等[11]基于淤泥氣泡混合土內(nèi)部微孔分布的細(xì)觀(guān)特征，利用物理力學(xué)試驗(yàn)實(shí)測(cè)及數(shù)值模擬計(jì)算并結(jié)合細(xì)觀(guān)圖像分析技術(shù)，驗(yàn)證了有限元分析的可能性，從細(xì)觀(guān)尺度上揭示了土體內(nèi)部的破壞機(jī)理，并提出了淤泥氣泡混合土的力學(xué)性質(zhì)與微孔的細(xì)觀(guān)特征具有很大的相關(guān)性，土體內(nèi)部細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)對(duì)其最終的破壞形式有很大影響。戴文亭等[12]利用室內(nèi)試驗(yàn)及ABAQUS有限元軟件初步對(duì)混合輕量土力學(xué)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了其強(qiáng)度特性及變形規(guī)律。

綜上所述，盡管已有很多學(xué)者對(duì)淤泥輕量土物理力學(xué)特性及影響因素進(jìn)行了研究，但多是基于室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行宏觀(guān)方面的分析，對(duì)循環(huán)荷載作用下的強(qiáng)度特性及細(xì)觀(guān)機(jī)理動(dòng)態(tài)模擬的研究相對(duì)較少。

因此，筆者采用ABAQUS有限元軟件及室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，驗(yàn)證分析了水泥摻量、EPS摻量及圍壓等因素對(duì)淤泥輕量土抗剪強(qiáng)度特性及細(xì)觀(guān)破壞形態(tài)產(chǎn)生的影響。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料

采用黃河鄭州段的疏浚淤泥作為原料土，其物理參數(shù)見(jiàn)表1。固化材料采用河南天瑞水泥廠(chǎng)生產(chǎn)的32.5#普通硅酸鹽水泥，選取粒徑分別為3、4 mm的球形EPS顆粒作為輕化材料。

1.2 試樣的制備

制樣時(shí)以干土質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)，按照擬定的配合比加入碾碎過(guò)篩后的干土、EPS顆粒、水泥及自來(lái)水。通過(guò)攪拌后，分層裝入試驗(yàn)?zāi)＞?，試樣修平后置人?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)（溫度20+2℃，濕度>97%）28 d，再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)真空抽氣飽和。

1.3 試驗(yàn)方案及配合比

根據(jù)工程應(yīng)用及試驗(yàn)?zāi)康?，分別對(duì)不同EPS摻量及水泥摻量的分組試樣在含水率為50%、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d條件下，進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)及固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，剪切應(yīng)變速率為0.008 mm/min。

依據(jù)強(qiáng)度理論及相關(guān)土工試驗(yàn)規(guī)范規(guī)定，所選摻量以干土質(zhì)量為計(jì)算基數(shù)，選定了8種配合比，且每種配合比制作了3組試樣，試樣尺寸與模具尺寸等同（高80 mm、直徑39.1 mm）。本次試驗(yàn)中材料的配合比見(jiàn)表2。

試驗(yàn)過(guò)程中選擇不同的控制變量進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測(cè)試，研究多種影響因素如不同水泥摻量、圍壓、EPS摻量及EPS粒徑等對(duì)淤泥輕量土抗剪強(qiáng)度的影響，進(jìn)一步探究其宏細(xì)觀(guān)強(qiáng)度變化機(jī)理及變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

選用幾組代表性試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)圖1-圖3。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)EPS顆粒摻量是影響淤泥輕量土抗剪強(qiáng)度的一個(gè)重要參數(shù)。由圖1可知，不同EPS摻量下淤泥輕量土的強(qiáng)度皆呈現(xiàn)多階段變化，但變化范圍及屈服強(qiáng)度峰值存在明顯差距。隨著EPS摻量的增大，破壞應(yīng)變顯著增大，應(yīng)力強(qiáng)度變化速率隨著EPS顆粒摻量的增大明顯減小，導(dǎo)致其發(fā)生彈塑性變化的區(qū)間變長(zhǎng)。

本次試驗(yàn)設(shè)定水泥摻量為6% - 15%，由于在試樣制作中水泥為固化材料，水泥能使輕化骨料與土體之間形成較強(qiáng)的膠結(jié)力，因此水泥含量對(duì)試樣破壞應(yīng)變具有一定的影響。由圖2可知，水泥摻量對(duì)淤泥輕量土的破壞應(yīng)變影響較小，多種配合比下應(yīng)變相差不足1.0%。因此，在一定水泥摻量范圍內(nèi)，可忽略其對(duì)淤泥應(yīng)變的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在高水泥摻量下，淤泥輕量土內(nèi)部EPS顆粒與固結(jié)土之間的膠結(jié)作用強(qiáng)度較大，隨著應(yīng)力的逐漸增大，試樣較易發(fā)生脆性破壞。

由圖3可知，圍壓是影響試樣抗剪強(qiáng)度的一個(gè)重要因素。隨著圍壓的不斷增大，試樣彈塑性應(yīng)變階段明顯加長(zhǎng)，而應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)初始段線(xiàn)性程度較低，切線(xiàn)斜率逐漸減小。在高圍壓工況下，當(dāng)應(yīng)變較小時(shí)其初始彈性應(yīng)變和主應(yīng)力差也較小。

3 細(xì)觀(guān)數(shù)值模擬分析

3.1 ABAQUS有限元模型的建立

為深入分析淤泥輕量土細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)多相體系之間的變形關(guān)系，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)獲得的大量成果，針對(duì)性開(kāi)展了淤泥輕量土細(xì)觀(guān)尺度下的數(shù)值模擬研究。

采用ABAQUS有限元軟件建立尺寸與室內(nèi)試驗(yàn)試樣相同的3D有限元模型，由partl -EPS球形顆粒與part2-淤泥固結(jié)土體構(gòu)成，均為三維可變性實(shí)體部件，如圖4所示。

模型的邊界條件設(shè)置為軸對(duì)稱(chēng)，頂部水平位移均為0，豎直方向不受約束。模型側(cè)面施加相應(yīng)強(qiáng)度的圍壓P1，端部施加荷載P2，模型整體施加一個(gè)重力γ，底部三個(gè)方向均受約束，模型荷載形式如圖5所示。

模型的材料屬性參數(shù)（見(jiàn)表3）與室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)相同。EPS顆粒材料選用彈性本構(gòu)模型，淤泥固結(jié)土選用彈塑性本構(gòu)模型，二者之間的接觸類(lèi)型選擇generalcontact接觸.EPS顆粒的外表面相對(duì)于固結(jié)土為從屬面。模型頂部及底部是受力集中部位，劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)其加密，而其他部位網(wǎng)格相對(duì)稀疏。EPS顆粒球形體的網(wǎng)格劃分對(duì)計(jì)算結(jié)果的精確度格外重要，甚至?xí)斐捎?jì)算不收斂，該模型中EPS顆粒采用六面體剖分及矩形掃略方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。循環(huán)荷載的加載通過(guò)控制分析步的個(gè)數(shù)及計(jì)算時(shí)間來(lái)完成。根據(jù)淤泥輕量土細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)的變形機(jī)理及物理力學(xué)特性，選用摩爾一庫(kù)侖模型進(jìn)行模擬分析。

3.2 有限元模擬結(jié)果分析

試樣配合比參數(shù)通過(guò)試驗(yàn)參數(shù)來(lái)體現(xiàn)，圍壓由邊界條件可直接設(shè)置，選取Ae=4. 00-10，Ae=15.0%，ω=50%.粒徑d=4 mm，養(yǎng)護(hù)28 d?；趪鷫簠?shù)分兩種工況進(jìn)行模擬分析，工況一模型側(cè)面設(shè)200 kPa圍壓，工況二模型側(cè)面設(shè)100 kPa圍壓，其應(yīng)力、位移云圖如圖6、圖7所示。

由土體及細(xì)觀(guān)EPS顆粒的應(yīng)力云圖和位移云圖可以看出：工況一淤泥輕量土的最大應(yīng)力發(fā)生在試樣頂部，約為297.2 kPa，頂部應(yīng)變約為5.34%，軸向位移約為2.56 mm，水平方向可以忽略不計(jì)，其應(yīng)力從頂部往下呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。值得提出的是，試樣中EPS顆粒的位移為2.41 mm，與固結(jié)土體壓縮變形僅差0.15 mm，應(yīng)變約差0.2%。原因在于，荷載加載前期階段，水泥使EPS顆粒與土體之間形成較強(qiáng)的膠結(jié)力，在一定壓力范圍內(nèi)，土體破壞之前EPS顆粒并沒(méi)有發(fā)生結(jié)構(gòu)性變形，只是產(chǎn)生了微小移動(dòng)并重新排列。工況二當(dāng)施加100 kPa圍壓時(shí)，試樣頂部的最大應(yīng)力為188.8 kPa，軸向位移為1.93 mm.應(yīng)變僅約為3.43%.發(fā)生的位置明顯集中在試樣的頂部區(qū)域，其變化趨勢(shì)與工況一相同，從頂部往下呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。

通過(guò)兩種工況的模擬數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，工況一的模擬值均為工況二模擬值的1.5倍左右，表明隨著圍壓的逐漸增大，淤泥輕量土的應(yīng)力、應(yīng)變逐漸增大，其變化速率與室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基本一致。

3.3 數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

由于分析數(shù)據(jù)眾多，因此僅選定幾組典型配合比進(jìn)行代表分析，結(jié)果如圖8、圖9所示。通過(guò)對(duì)影響淤泥輕量土強(qiáng)度特性的多種影響因素?cái)?shù)據(jù)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果很大程度上相～致，吻合度高達(dá)95%.所選數(shù)據(jù)誤差很小。本節(jié)以不同EPS顆粒粒徑的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析。

由圖8、圖9可知：淤泥輕量土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系具有多個(gè)階段變化及非線(xiàn)性特征，這與相關(guān)研究文獻(xiàn)成果一致。隨著圍壓和EPS粒徑的增大，淤泥輕量土強(qiáng)度明顯減小，原因是試樣在受力加載初期內(nèi)部細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)只產(chǎn)生一些微小的孔隙裂縫，EPS顆粒并未發(fā)生明顯變化：伴隨著軸向有效應(yīng)力的繼續(xù)增大，微小裂縫被壓實(shí)閉合，細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)間的作用強(qiáng)度減小，其應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)近似呈現(xiàn)直線(xiàn)上升趨勢(shì)：同時(shí)EPS顆粒體積開(kāi)始發(fā)生快速變形，且其變化速度隨著圍壓和EPS粒徑的不同而有明顯變化：當(dāng)有效應(yīng)力達(dá)到其屈服強(qiáng)度時(shí)，其內(nèi)部細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)間的作用完全喪失，試樣發(fā)生了剪切破壞.EPS顆粒體積及其應(yīng)力應(yīng)變的變化呈現(xiàn)較緩慢的穩(wěn)定趨勢(shì)。

4 EPS顆粒監(jiān)測(cè)數(shù)值模擬分析

基于淤泥輕量土組成成分及力學(xué)特性的復(fù)雜性，為進(jìn)一步探究其細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，根據(jù)上述兩種工況（即工況一模型設(shè)200 kPa圍壓，工況二模型設(shè)100 kPa圍壓）下試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，選取了土體內(nèi)部上、中、下相同位置的3個(gè)EPS顆粒（分別為EPS-Lin-3-I、EPS-Lin-3 -3及EPS-Lin-3 -6），其應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D如圖10所示。

本文分別以所選點(diǎn)位為起點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)，兩種工況不同路徑的應(yīng)變、應(yīng)力曲線(xiàn)如圖11、圖12所示。

由兩種工況下3個(gè)點(diǎn)位的應(yīng)力應(yīng)變路徑曲線(xiàn)可知，試樣頂部EPS-Lin-3 - IEPS顆粒的應(yīng)力、應(yīng)變最大，下點(diǎn)位EPS-Lin-3-6比上點(diǎn)位EPS-Lin-3-I的應(yīng)變平均小約1.5%。從土體中間區(qū)域至其端部，其應(yīng)力、應(yīng)變呈緩慢增大趨勢(shì)，說(shuō)明對(duì)試樣施壓的起初階段，其底部和端部最先發(fā)生變化，隨著壓力的增大，試樣的應(yīng)力、應(yīng)變逐漸傳遞至其中間部位，EPS顆粒發(fā)生微小的移動(dòng)，但并未發(fā)生明顯變形。另外，工況二下EPS顆粒3個(gè)點(diǎn)位的應(yīng)力、應(yīng)變均明顯比工況一的偏小，與試樣土體的整體變化規(guī)律一致。

5 結(jié)論

通過(guò)三軸剪切試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)及ABAQUS有限元數(shù)值模擬，研究了不同EPS顆粒摻量、水泥摻量及圍壓等因素對(duì)淤泥輕量土抗剪特性及細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)變形機(jī)理的影響，得到以下結(jié)論。

（1）由試驗(yàn)分析可知，不同EPS顆粒及不同水泥摻量下淤泥輕量土強(qiáng)度曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)雖然呈現(xiàn)一致?tīng)顟B(tài)，但強(qiáng)度特性變化范圍及屈服強(qiáng)度峰值有差別。在低圍壓下，試樣破壞應(yīng)變受水泥摻量影響不大。

（2）EPS顆粒的粒徑及摻量對(duì)淤泥輕量土的抗剪強(qiáng)度有顯著影響，在試樣整個(gè)變形過(guò)程中EPS顆粒變形占主導(dǎo)地位。隨著軸向有效應(yīng)力的增大，淤泥輕量土內(nèi)部細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)及EPS顆粒體積的變形是導(dǎo)致試樣發(fā)生剪切破壞的主要因素。

（3）通過(guò)ABAQUS有限元數(shù)值模擬可知，隨著荷載的循環(huán)變化，土體受力變形趨勢(shì)與室內(nèi)試驗(yàn)值變化趨勢(shì)基本一致，吻合度約達(dá)90%.進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元模擬的合理性。另外，通過(guò)對(duì)EPS顆粒定點(diǎn)位應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)得知，相同條件下3個(gè)點(diǎn)位EPS顆粒應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系并不相同，上點(diǎn)位應(yīng)力、應(yīng)變最大，下點(diǎn)位EPS-Lin-3-6比上點(diǎn)位EPS-Lin-3-I的應(yīng)變平均小約1.5%。

參考文獻(xiàn)：

[1] JIANC X X，BIAN H G，CHEN X C，et al.AccumulativeSettlement of Saturated Silt Subgrade Under Cyclic Traffic-Loading[C]//Recent Advances in Environmental Vibration-Proceedings

of

6th

Intemational

Symposium

onEnvironmental Vibration.[ S.I.]：ISEV， 2013：493-501.

[2]

HELENE T，SERCE L，JACQUES L.Mechanical Improve-ment and Vertical Yield Stress Prediction of Clayed Soilsfrom Eastem Canada Treated with Lime or Cement[J].Ca-nadian Ceotechnical Joumal， 2010， 92： 1753-1761.

[3]土田孝，橫山佑二，水上鈍一，港灣，海洋，環(huán)境C二轉(zhuǎn)弓輕量混合處理土④用途現(xiàn)地打設(shè)寅腧[J].港灣技衍研究所報(bào)告，1996， 833：1-30.

[4] 樓建東.建筑用砂和發(fā)泡顆粒混合輕量土強(qiáng)度特性的試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑，2008（3）：52-53.

[5] 卞夏，鄧乘，鄧永鋒，等，高含水率疏浚淤泥混合固化輕質(zhì)土試驗(yàn)研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2009，29（5）：524-529.

[6] 沙玲，王國(guó)才，金菲力，等，淤泥再生EPS顆粒混合輕質(zhì)土變形特性的試驗(yàn)研究[J].工程抗震與加固改造，2013，35（2）：80-85.

[7] 侯天順，徐光黎.EPS粒徑對(duì)輕量土抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33（10）：1634-1641.

[8] 朱偉，姬鳳玲，疏浚淤泥泡沫塑料顆粒輕質(zhì)混合土的抗剪強(qiáng)度特性[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（增刊2）：5721-5726.

[9] 姬鳳玲，李強(qiáng)，程新民，泡沫塑料顆粒種類(lèi)對(duì)輕質(zhì)混合土力學(xué)特性的影響[J].西北地震學(xué)報(bào)，2006，28（2）：154-158.

[10] 董金梅，劉漢龍，洪振舜，等.聚苯乙烯輕質(zhì)混合土的壓縮變形特性試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2006，27（2）：286-289.

[11] 陳晨，顧歡達(dá)，陳冬青，河道淤泥氣泡混合土細(xì)觀(guān)破壞機(jī)理模擬分析[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2017，34（1）：114-119.

[12] 戴文亭，陳星，張弘強(qiáng)，粘性土的動(dòng)力特性及數(shù)值模擬[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），2008，38（5）：831-836.

【責(zé)任編輯張華巖】