含水率对非饱和黏土动态压缩特性的影响

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1、第33卷第6期爆炸与冲击Vo1．33，No．62013年11月EXPLOSIONANDSHOCKWAVESNOV．，2013文章编号：1001—1455(2013)060625—06含水率对非饱和黏土动态压缩特性的影响丁育青，汤文辉，徐鑫，冉宪文(国防科学技术大学理学院工程物理研究所，湖南长沙410073)摘要：为探讨含水率对非饱和黏土动态压缩特性的影响规律，利用分离式霍普金森压杆(sHPB)实验装置，针对不同含水率非饱和黏土试样开展了侧限条件下的动态压缩实验。实验结果表明，在径向变形受到约束时，当黏土中含有少量水时，比干黏土更容易压缩；而当含水率进一步增加时，试样在受压过程中逐渐

2、接近饱和状态，黏土的抗压性能则明显提升。从能量吸收与分配角度来看，随着含水率的增加，试样所吸收的总能量在逐渐下降，体积改变能所占的比例逐渐增大，而形状改变能所占比例则逐渐减小。关键词：固体力学；动态压缩特性；SHPB；黏土；含水率；能量吸收中图分类号：O347国标学科代码：13015文献标志码：A土作为一种最普遍的岩土工程材料，广泛应用于各类民用和国防工程建设，通常土是作为基层材料，当上层构筑物在承受爆炸、冲击和撞击等强动载荷时，土的动态力学特性与整体结构的抗冲击性能有着密切的关联。因而，研究土材料的动态力学特性具有重要的现实意义。土是一种松散介质，且具有很强的地域特征，不同类别土

3、的力学特性差异很大。皮爱如等[1]、郑文等[利用SHPB实验装置，分别研究了黄土和干燥砂在侧限条件下的动态力学性能，结果表明黄土具有明显的应变率效应，而干燥砂的应变率效应不明显，但初始密度对实验结果影响显著。A．M．Bragov等¨3]，B．Song等]、M．E．Martin等_6]、H．Luo等利用SHPB实验装置，分别针对不同初始密度及含水率的砂土试样，开展了不同侧限条件下的动态压缩实验，结果表明，含水率、初始密度以及静水压力对实验结果影响显著，而砂土的应变率效应并不明显。但从目前来看，针对黏土在侧限条件下的动态压缩特性研究却少见报道。本文中利用SHPB实验装置，对不同含水率的

4、非饱和黏土试样进行侧限条件下的动态压缩实验研究，分析含水率对非饱和黏土动态压缩特性的影响规律。l实验概述1．1实验准备实验所用散黏土取自洛阳地区，采用密度计法进行土样的颗粒分析实验，测得固体颗粒密度P一2．74g／cm。，粒径0．005～0．075mm的固体颗粒占土样总体积的71．4，粒径小于0．005mm的占28．6。试样设计干密度一1．70g／cm。，尺寸为j2『20mm×8mm，试样初始物性参数如表1所示。表中试样的含水率一(／m)×100，试样的饱和度S一／一Ev／(—V)]×100，P。为试样的初始密度，／Yt为土中固体颗粒的质量，m为土中水的质量，V为土样的总体积，为土

5、中固体颗粒的体积，为土中水的体积，V为土中孑L隙的体积。试样制备前先将散黏土烘干，并按照设计干密度及含水率进行配比，再将配好的含水散黏土放人压样模具中。模具由金属套筒和活塞组合而成，如图1所示，套筒内壁均匀涂抹油膜，油膜可以有效降低试样与套筒内壁之间的摩擦，并保证套筒与试样问的均匀径向压力传递。制样过程中通过反转试样避免试样上下端面不均匀，利用千斤顶缓慢加压，最终完成制样。金属套筒采用LY12铝，尺寸为内径*收稿Et期：2012—0615；修回日期：2012—08—14作者简介：丁育青(1985一)，男，博士研究生。爆炸与冲击第33卷20mm、外径28mm、高14mm。为了防止实验

6、前试样中的水分蒸发，设计了尺寸为20mm×5mm的LY12铝金属垫片，试样通过金属垫块与霍普金森压杆连接，垫块直径与试样直径相同，压杆在子弹撞击下，通过垫块把轴向冲击载荷施加给试样。实验中垫块和试样当作一个整体来对待，由于金属的声速远大于被测黏土试样，垫块对试样整体的应力平衡影响可以忽略。实验过程中垫块模量远高于试样，轴向变形量很小，可从总的轴向应变中扣除。表1试样初始物性参数表Table1Theinitialphysicalpropertiesoftheclayspecimen／s／_0。／(g·cm)o18．O35．9图1试样制备过程示意图53．9Fig．1Schematico

7、fthespecimenpreparation67．4stepsforSHPBexperiments1．2实验方法及过程实验在国防科技大学理学院轻气炮实验室完成。实验杆材料为LC4铝合金，子弹长0．5ITI，入射杆长2rn，透射杆长1rn，直径2OmlTt，实验装置如图2所示。应变测试采用KD6009应变放大器，实验信号由DPO4104数字存储示波器采集，实验中应用入射波整形技术，采用橡皮作整形器，以保证试样处于常应变率加载状态。由入射、透射杆上的应变片分别记录入射、