一种气泡混合轻质土初始损伤的试验方法

摘要

本发明公开了一种气泡混合轻质土初始损伤的试验方法，包括以下步骤：S1.确定影响因素：包括配合比、界面工艺、充填工艺；S2.根据工况设计不同的试验环境，包括干湿循环、冻融循环；S3.再用正交试验将S1中的不同因素设置于S2不同的试验环境下，记录试验数据；S4.由相似理论研究模型与原型之间的相似程度，计算相似比，并进行数据处理，根据缩尺理论计算现场相关影响因素。本发明气泡混合轻质土初始损伤的试验方法操作便捷，试验结果合理可靠，通过反复比对试验，并结合现场数据可以准确预测轻质土的初始损伤状况，及时指导并调整下一步轻质土的制备、浇筑和养护措施；保证轻质土的浇筑安全性和整体稳定性；还能应用到其他轻质土的初始损伤预测。

说明书

技术领域

本发明涉及工程建筑领域，尤其涉及一种气泡混合轻质土初始损伤的试验方法。

背景技术

气泡混合轻质土(以下简称轻质土)是近十年发展起来的新型轻质填土材料。它是在原料土中按照一定的比例添加固化剂、水和预先制作的气泡群，进行充分的混合、搅拌后所形成的轻型土工材料。近几年在岩土工程中应用较为广泛，如软土地基处理，桥(涵)背回填，寒区冻土路基隔热保温及台背填土防冻胀及路基加宽等。

轻质土一般采用分层浇筑，下一层的浇筑间隔一般认为要大于前一层轻质土的终凝时间，部分工程项目以人在轻质土上行走没有明显脚印为准。如果在轻质土强度过低的时候，过早进行第二层浇筑，会极大地影响第一层轻质土的强度增长，产生工程隐患；而过晚进行第二层浇筑，虽然上一层强度达到要求，由于浇筑间隔过长，会产生人为分层，影响轻质土整体性，也会产生工程隐患。由上所述，轻质土不同的施工工艺必然产生强度差异，从而影响工程后期的运营使用。所以，轻质土初始损伤的试验方法能够很好地预测轻质土由于施工工艺的差异而造成的浇筑后物理力学性能的改变，从而指导后期轻质土的施工，改善轻质土的性能，从而提高其耐久性。

由于轻质土是近几年才发展起来的新型轻质材料，现有的工程试验方法还没有对轻质土的初始损伤进行系统而详细的介绍。随着轻质土以其优良的工程性能而被更多地应用在工程项目中，对轻质土的各项工程性能的研究越来越迫切，轻质土初始损伤试验方法就是其中十分重要的一部分。

较为相近的有中国专利CN201510513948.1公开了一种膨胀土边坡浅层破坏土体抗剪强度试验方法，试样首先经真空饱和，然后在水槽中施加与剪切时相应的法向应力浸水固结饱和，使试样充分吸水膨胀完全，再在恒温烘箱中干燥至恒重，如此反复，直至达到预定的干湿循环次数，以真实地反映大气干湿循环的作用。该专利通过简单的影响因素——“干湿循环”来测定其抗剪强度，虽然实现在试验条件下能实现抗剪强度的测试，但是其试验工艺较为简单，不能很好的模拟现场施工的工艺条件；在现场施工或施工后的测定，在不同季节的情况下，仅以“干湿循环”作为大气环境的模拟也显得较为单调，导致测得的试验结果会与现场施工有较大的差别。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种方便可靠的轻质土初始损伤试验方法，通过实验室模拟，创造合适的试验环境条件、选择有效的影响因素，根据缩尺效应理论，推广到现场工程实际，试验工艺精确、试验环境模拟充分、试验结果准确。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种气泡混合轻质土初始损伤的试验方法，拟从工艺性能、物理力学性能的角度，研究初始损伤状态的定量描述方法，并根据缩尺效应理论，推广到现场工程实际。

所述工艺性能为：气泡混合轻质土作为路堤填料，其中比较关键的施工影响因素主要有：施工浇筑龄期，即分层浇筑时相邻两层轻质土浇筑的时间间隔；施工浇筑均匀性，即考虑现场施工时，由于先浇轻质土内部气泡不断消散，导致下层轻质土密度高于上层，强度由上而下逐步变大；浇筑厚度的控制，即轻质土分层浇筑，每一层厚度的不同可能影响施工完成后的路堤强度；浇筑边界设置等。

为便于开展研究工作，将施工浇筑龄期、浇筑边界设置称为“界面工艺”，该工艺将影响气泡混合轻质土交界面上的强度；将浇筑均匀性、浇筑厚度称为“充填工艺”，该工艺将影响气泡混合轻质土内部强度的分布。

所述物理力学性能为：通过配合比反应，即根据工程现场的配合比，变换水泥含量、气泡含量、水含量，拟选择三组典型的配合比开展初始损伤试验。采用不同的研究方法模拟施工现场的外部环境，即采用干湿循环模拟南方夏季无雨时干燥、多雨时湿润的反复变换的环境条件，采用冻融循环模拟北方冬季供暖管道周边冷热交替的环境变换。

轻质土初始损伤状态的试验方法，基于正交试验原理，针对初始损伤状态的三个影响因素，即配合比、“界面工艺”、“充填工艺”，分别设计三个水平，开展无侧限抗压强度试验，根据缩尺理论，计算相似比，将相关影响因素推广到现场工程实际，包括以下步骤：

S1.确定影响因素：包括配合比、界面工艺、充填工艺；

S2.根据工况设计不同的试验环境，包括干湿循环、冻融循环；

S3.再用正交试验将S1中的不同因素设置于S2不同的试验环境下，记录试验数据；

S4.由相似理论研究模型与原型之间的相似程度，计算相似比，并进行数据处理，根据缩尺理论计算现场相关影响因素。

A、试样制备

1)界面工艺

考虑轻质土现场施工时为分层浇筑，相邻两层之间有一定的间隔时间。因此，在实验室模拟制样时，先在制样盒内浇1/2高度的试样，待达到一定龄期后，再浇筑1/2高度试样，两次浇筑时间间隔拟取三个水平t_j(如t_j1,t_j2,t_j3)，具体时间需根据气温等外部条件进行整体调整。

2)充填工艺

轻质土现场施工，是大体量直接浇筑到一定高度再浇筑下一层，到初凝时间时，由于轻质土重力沉降以及气泡消散，密度由上到下是逐渐增大的。实验室操作，分层充填试样时，浆液仍然在不断搅拌，导致试样最上层的密度是最大的，因此，需要“倒置”，以此来模拟现场实际情况。具体操作为：

S11.将搅拌均匀的轻质土浆液倒入制样盒内至h＝l/n高度，式中h取为每一层的厚度，试样为正方体，原边长l，层数n；

S12.将剩余的浆液继续搅拌t_c1,t_c2,t_c3后倒入制样盒内至2h高度，如此反复循环。最后将剩余浆液仍然搅拌t_c1,t_c2,t_c3时间后倒入制样盒内至顶部；

S13.将试样养护脱模并倒置即可模拟现场实况进行室内试验。上述的t_c1,t_c2,t_c3即为“充填工艺”的三个水平；

同样，具体时间需要根据气温等外部条件进行整体调整。

B、两种工况影响

在明确了施工工艺，确定了影响水平后，即可根据所要研究的各种工况开展初始损伤研究。本试验方法主要研究在干湿循环以及冻融循环两种工况下轻质土的初始损伤状况，如上所述，分别模拟了实际施工时南方夏季无雨时干燥、多雨时湿润的反复变换的环境条件，以及北方冬季供暖管道周边冷热交替的变换环境。

1)干湿循环：可以分析不同的含水率对初始损伤的影响；

考虑不同的浸水环境(水位变化、干湿循环)，本试验采取1/4浸水，1/2浸水，与全浸水三种浸水环境，模拟试样在不同的湿环境下所具有的不同的含水率。

S21.将试样放入烘干机，烘干24小时，测定烘干后尺寸；

S22.浸水24小时，测定试样变化后的尺寸；

S23.如此进行若干次循环后，进行无侧限抗压强度测试，并记录峰值应力与破坏影像。

2)冻融循环：体积变化也是初始损伤的一个反映。

S31.本试验在对试样进行长时间冰冻前，先进行-40℃条件下预冷；

S32.1小时后，进入-30℃条件下24小时冷冻状态，冰冻24小时后，测定试样变化后的尺寸；

S33.进行常温条件，100％含水率条件，及全浸水条件下的养护，融化状态持续24小时后，测定变化后的尺寸；

S34.如此循环若干次后，进行无侧限抗压强度试验，并记录峰值应力和破坏影像。

实验结束并取得相应的实验数据后，便可以使用相似理论研究模型与原型之间的相似程度，得出相关规律后将其用于指导和应用到原型中。

C、实验数据记录与处理：

1)针对干湿循环，试验所要记录的数据为：浸水后试样质量m_js，烘干后质量m_hg，计算得含水率为：

无侧限抗压强度记为：σ_g。

2)针对冻融循环，试验所要记录的数据为：-30℃条件下冻结结束后试样的尺寸长宽高分别为：l_d,w_d,h_d；不同条件下融化后的尺寸分别为：l_r,w_r,h_r。计算得体积变化率为：

无侧限抗压强度记为：σ_d。

3)由相似理论研究模型与原型之间的相似程度，计算相似比

与本实验有关的参数有：

配合比：一般而言，室内试验轻质土配合比取自施工现场，配合比为1；

施工时间间隔：T，一般也和施工现场相同；

密度：ρ，体现在“充填工艺”中密度随深度变化，取平均密度；

厚度：h，体现在“充填工艺”中，本试验一般分三层浇筑，但也可以大于三层，h取为每一层的厚度，试样为正方体，原边长l，层数n，则有l＝n·h；

含水率：ω；

体积：v；

载荷：P，可模拟现场的车辆荷载；

无侧限抗压强度：σ，如上所述。

将这些物理量之间的关系写成一般形式：

f(P,T,ρ,h,ω,v,σ)＝0；

上式中：物理量的个数为7，采用[F]、[L]、[T]等3个基本量纲。这7个物理量可转换成4个无量纲量的函数关系式，即：

f(π₁,π_2,π_3,π₄)＝0；

选择P、h、T这3个物理量作为基本物理量，其余4个参数可表示为：

将缩尺模型下标用m表示，根据原型与模型之间的相似关系：

则相似比为：

将现场试块进行缩尺到实验室试样，设将已确定的条件代入已求得的相似关系中可求得：

C_h＝λ、C_σ＝1、C_P＝λ²、C_ρ＝λ^-2、C_ω＝1、C_ν＝λ³。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明气泡混合轻质土初始损伤试验方法操作便捷，试验结果可靠，能通过反复比对试验，并结合现场数据可以准确预测轻质土的初始损伤状况，及时指导并调整下一步轻质土的制备、浇筑和养护措施；保证轻质土的浇筑安全性和整体稳定性；还能应用到其他轻质土的初始损伤检测。

附图说明

图1为本发明试验分解示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种气泡混合轻质土初始损伤的试验方法，主要基于正交试验原理，针对初始损伤状态的三个影响因素，即配合比、“界面工艺”、“充填工艺”，分别设计三个水平，开展无侧限抗压强度试验，根据缩尺理论，将相关影响因素推广到现场工程实际。具体试验方法如下：

A、试样制备

1)针对“界面工艺”

考虑轻质土现场施工时为分层浇筑，相邻两层之间有一定的间隔时间。因此，在实验室模拟制样时，先在制样盒内浇1/2高度的试样，试样为边长100mm的立方体，待达到一定龄期后，再浇筑1/2高度试样，两次浇筑时间间隔分别取为4h、8h、16h，具体时间需根据气温等外部条件进行整体调整。

2)针对“充填工艺”

考虑轻质土现场施工时，轻质土内部的重力沉降以及气泡的消散，导致轻质土由上而下密度逐渐增大，强度逐渐变大。因此，在实验室模拟制样的同时，不断搅拌浆液使其气泡消散，增大密度。此时所制得的试样为由上而下密度逐渐减小，因此试验时需要将其倒置。具体操作为：将搅拌均匀的轻质土浆液倒入制样盒内至1/3高度，然后将剩余的浆液继续搅拌1min、3min、5min后倒入制样盒内至2/3高度，最后将剩余浆液仍然搅拌1min、3min、5min时间后倒入制样盒内至顶部，最后，将试样养护脱模并倒置即可模拟现场实况进行室内试验。上述的1min、3min、5min即为“充填工艺”的三个水平。同样，具体时间需要根据气温等外部条件进行整体调整。

B、两种工况

1)干湿循环

考虑不同的浸水环境(水位变化、干湿循环)，本试验采取1/4浸水，1/2浸水，与全浸水三种浸水环境，模拟试样在不同的湿环境下所具有的不同的含水率。将试样放入烘干机，烘干24小时，测定烘干后尺寸；然后，浸水24小时，测定试样变化后的尺寸。如此进行若干次循环后，进行无侧限抗压强度测试，并记录峰值应力σ_g与破坏现象。

2)冻融循环

本试验在对试样进行长时间冰冻前，先进行-40℃条件下预冷，1小时后，进入-30℃条件下24小时冷冻状态。冰冻24小时后，测定试样变化后的尺寸。然后，进行常温条件，100％含水率条件，及全浸水条件下的养护，融化状态持续24小时后，测定变化后的尺寸。如此循环若干次后，进行无侧限抗压强度试验，并记录峰值应力σ_d和破坏现象。

C、实验数据记录与处理

试验过程中，测定了试样含水率、体积变化率以及无侧限抗压强度等，试验结束后，还选取了代表性的试样作了微细观分析，这些都可反映不同环境对试样造成的初始损伤。

由于实验过程中无侧限抗压强度是比较常见的较容易测得的量，比较明确，而且在实际工程中对抗压强度比较关注，所以将其作为初始损伤的标识是比较具有代表性的。

1)针对干湿循环，试验所要记录的数据为：浸水后试样质量m_js，烘干后质量m_hg，计算得含水率为：

无侧限抗压强度记为：σ_g。

例如，测得m_js＝834.1g,m_hg＝762.6g，则

2)针对冻融循环，试验所要记录的数据为：-30℃条件下冻结结束后试样的尺寸长宽高分别为：l_d,w_d,h_d；不同条件下融化后的尺寸分别为：l_r,w_r,h_r。计算得体积变化率为：

无侧限抗压强度记为：σ_d。

例如，测得则得：

3)由相似理论研究模型与原型之间的相似程度

与本实验有关的参数有：

配合比：一般而言，室内试验轻质土配合比取自施工现场，配合比为1；

施工时间间隔：T，一般也和施工现场相同；

密度：ρ，体现在“充填工艺”中密度随深度变化，取平均密度；

厚度：h，体现在“充填工艺”中，本试验一般分三层浇筑，但也可以大于三层，h取为每一层的厚度，试样为正方体，原边长l，层数n，则有l＝n·h；

含水率：ω，如上所述；

体积：v，如上所述；

载荷：P，可模拟现场的车辆荷载；

无侧限抗压强度：σ，如上所述。

将这些物理量之间的关系写成一般形式：

f(P,T,ρ,h,ω,v,σ)＝0；

上式中：物理量的个数为7，采用[F]、[L]、[T]等3个基本量纲。这7个物理量可转换成4个无量纲量的函数关系式，即：

f(π₁,π₂,π₃,π₄)＝0；

选择P、h、T这3个物理量作为基本物理量，其余4个参数可表示为：

将缩尺模型下标用m表示，根据原型与模型之间的相似关系：

则相似比为：

将现场试块进行缩尺到实验室试样，设将已确定的条件代入已求得的相似关系中可求得：

C_h＝λ＝4、C_σ＝1、C_P＝λ²＝16、C_ρ＝λ^-2＝1/16、C_ω＝1、C_ν＝λ³＝64。

经试验方法得到结果为：相似计算过程主要和“充填工艺”有比较大的相关性，因为充填工艺中，试样可以分为多层进行浇筑，这样就会影响密度的分布，可能会对试样的最终结果产生影响。而对界面工艺，试验方法就分为两层，研究的是交界面对试样初始损伤的影响，与计算关系不是太大。

本发明气泡混合轻质土初始损伤的试验方法，为室内模拟实验，主要从物理力学性能、工艺性能、环境因素的角度，运用正交试验，研究初始损伤状态的定量描述方法，并结合缩尺效应，建立与配合比、施工工艺相关的表达式，从而运用到施工现场预测轻质土的实际初始损伤状况；本发明气泡混合轻质土初始损伤的试验方法操作便捷，试验结果合理可靠，通过反复比对试验，并结合现场数据可以准确预测轻质土的初始损伤状况，及时指导并调整下一步轻质土的制备、浇筑和养护措施；保证轻质土的浇筑安全性和整体稳定性；还能应用到其他轻质土的初始损伤预测。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。