双轴压缩作用下浆砌片石损伤演化研究

摘要：浆砌片石护坡结构被广泛应用于寒冷地区道路护坡当中，在其服役期间会受到各种外界荷载的影响，这就使得浆砌片石护坡结构出现裂缝、变形甚至破坏等现象，且在寒冷地区浆砌片石受到冻融作用的影响，使得砂浆等自身强度受损，严重威胁了其在服役期间的安全性。本文通过冻融循环试验以及单双轴抗压试验，通过对不同骨料类型浆砌片石的耐久性和抗压强度进行了研究。结果表明：冻融循环对浆砌片石耐久性及抗压强度的衰减效果随冻融循环次数的增加而逐渐增加；砂岩浆砌片石不利于浆砌片石结构的冻融耐久性；花岗岩与玄武岩对浆砌片石结构的冻融耐久性影响较小。片石材质中花岗岩片石材料有利于结构的冻融强度耐久性。

关键词：单轴压缩； 双轴压缩； 浆砌片石； 冻融循环

中图分类号：U 25           文献标识码：A             文章编号：

0 引  言

在我国铁路和高速公路建设中，浆砌片石护坡因其材料易得和成本低廉而受到青睐。然而，由于我国是世界上寒冷地区最广的国家之一，冻害问题逐渐成为边坡保护技术发展中的一个重大挑战。了解双轴应力与冻融循环的耦合作用对浆砌片石损伤演化的影响，有助于评估和预测浆砌片石结构在多种受力和环境条件下的性能，提高结构的安全性和耐久性。

基于此，为探明浆砌片石在复杂环境条件下的破坏模式，一些学者开展了边坡结构强度实验，结合浆砌片石护坡建立试验模型进行力学测试[1]。与普通混凝土相比，浆砌片石具有尺寸更大的骨料尺寸（＞15mm）与骨料体积分数，其断裂特性与普通混凝土存在差异。片石骨料与水泥的界面的联结强度，主要效应是连锁力，而化学力的影响相对较小，锁定效应是指机械咬合作用[2-4]。砂浆与片石骨料的交界面，因砌筑时黏结作用的不稳定，往往较为薄弱。李洁琳等[5，6]研究了冻融循环对花岗岩力学参数退化和边坡稳定性的影响，设计了带有加固机构的格构梁和预应力锚杆（LBPAR）系统模型，构建了黄土边坡圆形滑面模型试验。

1 试验

1.1 试验设备与装置

本次单轴试验选用吉林冠腾自动化技术有限公司生产的伺服电机和双向框架组成静态试验系统。本仪器最大试验力300KN，位移分辨力为0.001mm。可同时得到试件的轴向力，轴向位移以及动态加载曲线等数据。本文应用泰斯特冻融循环箱，生产厂家为南京试验仪器厂。试验过程由微机自动控制，能够实时动态显示数据曲线并储存试验数据。由于本仪器能够满足快速抗冻需求。

1.2 试样制备

1.2.1 试验材料及配比

试验研究对象为浆砌片石护坡结构，由水泥砂浆与骨料组成。其中集料为片石，片石采用冀北地区常见的花岗岩、砂岩、多孔玄武岩材质，三类片石均取自张家口某堆料场。骨料粒径控制在40mm～70mm。后续试验中采用三类不同片石的浆砌片石护坡结构，定义为花岗岩、砂岩、多孔玄武岩浆砌片石护坡结构。水泥使用金隅水泥厂生产的PO.42.5号水泥。经过试验获得水泥砂浆的基本参数。

1.2.2 试件尺寸

在国内外复杂应力状态下浆砌片石护坡结构力学性能试验方法的相关研究，试件尺寸及测试方法尚未达成共识。依据不同研究方法和试验设备不同的精度要求，以边长为400mm、厚度为80mm长方体试件为研究对象。

1.3 试验方法及内容

1.3.1 浆砌片石冻融循环试验

每0次、20次两种种不同的试验周期，每个试验周期完成后应立刻停止试验，待到试件达到相应的冻融循环次数后终止试验，取出试件同时关闭仪器。单次循环应在6-8h内完成。

1.3.2 浆砌片石单双轴压缩试验

待试件完成质量损失率等无损指标的测定之后，采用抗压型电液伺服动静试验机，对不同冻融损伤、不同片石的浆砌片石试件进行单轴、双轴抗压试验。

2 试验结果及分析

2.1 冻融后单轴压缩应力-应变关系

在评估浆砌片石结构的冻融耐久性时，单轴应力-应变曲线是反映其力学性能变化的关键指标，如图2-1。根据所提供描述，通过分析不同冻融循环次数（0次、20次）后的应力-应变曲线，可以观察到一系列有意义的变化。随着冻融循环次数的增加，曲线的极限应力开始下降，表明浆砌片石试件的极限承载能力逐渐减弱。同时，曲线上升的斜率也逐渐减小，反映出材料的弹性模量降低，即材料初始的线弹性变形阶段，能够抵抗的应力水平降低，代表了材料在承受初期荷载时的刚性减弱。冻融循环对浆砌片石结构的劣化过程可以细致描述为：自由水汽渗透到试件内部，通过吸湿性作用进入其孔隙系统、毛细裂纹以及由骨料与胶结材料之间的界面不完全结合所形成的微观缺陷处。当温度下降至冰点，吸入的水分发生凝固，其体积由于转变为冰相而显著膨胀，引发了内部的应力增量，即冻胀压力。随着此类冻融循环的反复，原有的孔隙结构受到逐渐放大的力量作用而扩张，新的微裂纹通过物质脆弱部位的连续累积而形成。冰的体积膨胀亦会诱发强大的渗透压力，这进一步催化和加剧材料的破坏。长周期的冻融作用会显著降低浆砌片石的力学性质，致使其耐久性质衰减。在多次冻融循环影响下，这种负面效应尤为凸显。

2.2 冻融后双轴压缩应力-应变分析

图2-2，根据双轴应力-应变曲线可以看出，较单轴来说，抗压强度有所升高。以0次冻融为例，花岗岩、玄武岩、砂岩浆砌片石分别提升了17.1MPa、16.9MPa、18.66MPa。由此可见冻融循环次数的增加降低了浆砌片石的抗压能力，更加验证了单轴试验所得的结论。但双轴与单轴的应力应变曲线趋势则不尽相同。在双轴压缩状态下，浆砌片石的应力应变曲线为非线性，先平缓后陡增，最后急剧下降。对于双轴压缩状态，浆砌片石的应力应变曲线则表现出明显的“硬化”特性，即在达到峰值应力后，应力水平保持不变或稍有下降，而应变则持续增加。由图中花岗岩浆砌片石的应变应变曲线可得到由最开始0次冻融循环时与单轴应力-应变大致相同，但20次冻融循环时却不相同。前期趋势一致，但到达应力峰值的应变却变小了，正是由于冻融循环导致浆砌片石的抗冻性降低。

3 结论

本文对不同骨料、不同冻融周期的浆砌片石试件进行单轴抗压、双轴抗压试验，研究不同骨料、不同的冻融周期的浆砌片石在单、双轴压应力状态下的强度规律。主要结论如下：（1）随着冻融循环周期的增长，单、双轴受压应力状态下的浆砌片石受压强度降低。（2）在双轴压缩状态下，浆砌片石的应力应变曲线为非线性，先平缓后陡增，最后急剧下降。对于双轴压缩状态，浆砌片石的应力应变曲线则表现出明显的“硬化”特性，即在达到峰值应力后，应力水平保持不变或稍有下降，而应变则持续增加。（3）在双轴压缩状态下，花岗岩、玄武岩以及砂岩浆砌片石试样展现出较其单轴压缩状态时更高的抗压强度。

参考文献

[1]聂忆华，唐赛乾，徐暘，毛昆立.人字形骨架路基护坡模型试验及数值模拟[J].科学技术与工程，2018，18（16）：114-120.

[2]Gao S， Jin J， Hu G， et al. Experimental investigation of the interface bond properties between SHCC and concrete under sulfate attack[J]. Construction and Building Materials， 2019， 217： 651-663.

[3]Thongchom C， Lenwari A， Aboutaha R S. Bond properties between carbon fibre-reinforced polymer plate and fire-damaged concrete[J]. International Journal of Adhesion and Adhesives， 2020， 97： 102485.

[4]Mazzucco G， Salomoni V A， Majorana C. A cohesive contact algorithm to evaluate the mechanical behaviour of concrete ITZ at different roughness conditions[J]. Construction and Building Materials， 2021， 294： 123479.

[5]LI J， ZHOU K， LIU W， et al. Analysis of the effect of freeze–thaw cycles on the degradation of mechanical parameters and slope stability[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment， 2018， 77（2）： 573-580.

[6]Li J， Zhou K， Liu W， et al. Reinforcement mechanism analysis of lattice beam and prestressed anchor rod system for loess slope[J]. Frontiers in Earth Science， 2023， 11.