2. 2 三点抗折的荷载-位移曲线
固化土试件三点抗折的荷载-位移曲线见图 4,图中标出了极限荷载对应的抗折强度σf。从抗 折曲线看,当达到极限荷载后,固化土试件开裂,荷 载陡降为0,表现出明显的脆性断裂特征。根据三 点抗折的强度计算公式得到的固化土抗折强度最 大值达到2. 0MPa,约为抗压强度的1/3~1/2,说 明固化土的抗折能力不低。然而,由抗折方法求得 的材料的抗(折)拉强度往往要比劈裂抗拉和轴向 压裂法得到的要大[8-9]。其原因是抗折强度的计 算公式中采用了平截面假定,而事实上,固化土受弯过程中,应力分布是呈曲线而非直线分布,特别是接近接近破坏时,线弹性假定与实际情况差别较大。
同时,由于抗折试验有较强的尺寸效应,小试件与大试件的强度差别较大,因此,不宜采用抗折强度与抗压强度的相对值来评价固化土的抗折(拉)能力。事实上,通常的固化土是一种抗折(拉)能力很低的脆性材料。
2. 3 有限元模型的建立与材料的受力分析
利用ANSYS中的Solid 65单元建立三维实体 足尺模型(40 mm×40 mm×160 mm)(图5(a))。 取材料的弹性模量为2. 5GPa,根据文献[4],泊松 比取为0. 2。选用等强硬化模型(Multilinear iso- tropic hardening)作为本构关系,根据单轴抗压试验 数据整理出一条具有代表性的应力-应变曲线作 为本构关系的输入参数。在模型的一个端面设置 全约束,另一端面设置水平方向的约束,以模拟加 载钢板对试件的约束作用,在该端面上控制轴向位 移加载(图5(b))。
首先,计算并绘出竖向侧面内第一主应力的分 布(图5(c))。可见,由于加载钢板在竖向施压,同 时水平方向约束了试件的自由变形,在竖向侧面内 形成一个楔形的拉应力集中区域,当此区域内的拉 应力增加到固化土的抗拉强度,试件开始开裂,于是,在试件中形成一个倒锥形的破裂面,并逐渐向 试件中部扩展形成竖向裂缝,最终形成如图5(d) 所示的破坏形态。
2. 4 模拟三轴加载的应力-应变曲线
三轴加载试验所需要的设备比单轴加载复杂, 不易得到。而大多数固化土的三轴加载试验所采 用的三轴压缩仪主要适用对象是散碎性土壤的固 结体,而非掺加固化剂后的固化土,前者的峰值应 变一般大于3 %,而后者的峰值应变往往小于1 %,特别是随着固化剂掺量的增大,固化土强度提 高,峰值应变减小,更加显示出脆性破坏的特征,此 时三轴压缩仪已不能满足试验的要求[2]。因此,可 在上述有限元建模的基础上,在试件上施加围压, 通过计算模拟三轴加载的应力-应变曲线。首先, 计算出围压为0,即单轴加载的模拟曲线(图6),由 于棱柱体试件对计算过程的收敛性要求较高,难以 得到稳定的曲线下降段。但模拟曲线与试验曲线 的上升段吻合得很好,从而证明了建模的有效性。 说明在此基础上模拟三轴加载得到的应力-应变 曲线(图6)是可靠的。