有机质浸染砂水泥土的力学特性及本构关系

杜 娟，刘冰洋，申彤彤，胡 俊，谢 朋

有机质浸染砂水泥土的力学特性及本构关系

杜 娟1,2，刘冰洋2，申彤彤2，胡 俊2※，谢 朋2

（1. 天津大学建筑工程学院，天津，300072；2. 海南大学土木建筑工程学院，海口，570228）

为研究海南省海湾地区分布的有机质浸染砂水泥土的力学特性，该文首先对有机质浸染砂水泥土和标准砂水泥土进行无侧限抗压强度对比试验（采用配合比均为熟石灰掺入比7.5%、水泥掺入比20%、水灰比0.45），定量分析养护龄期对其无侧限抗压强度及试样破坏形式的影响。然后对有机质浸染砂水泥土进行单轴抗压试验，获得了水泥土材料的应力-应变全过程曲线、刚度变化规律以及改进邓肯-张本构模型。结果表明：1）有机质浸染砂水泥土试样的破坏类型为塑性剪切破坏和脆性剪切破坏；2）有机质浸染砂水泥土抗压强度随着养护龄期的增加基本呈指数形式增长，但在养护龄期14 d后，增长速度逐渐降低并趋于稳定；3）随着养护龄期增长，水泥土刚度增加。在加载初期，水泥土切线模量随着轴向应变增加而增大，呈现刚度硬化现象；4）基于单轴抗压试验得到应力-应变全过程曲线，可分为2个阶段：塑性阶段、软化阶段；5）通过对应力-应变全曲线的描述，得到了修正的邓肯-张模型，确定模型参数后，与实测数据对比发现，该修正模型可以模拟有机质浸染砂水泥土的应力-应变关系。

水泥土；力学性能；模型；有机质浸染砂水泥土；无侧限抗压强度；本构关系

0 引 言

从2018年开始，国家在大力建设海南自由贸易港口，特别是海南沿海地区，在这些地区工程项目建设中出现了一种含有有机质的砂，这些砂中不仅含有大量的有机质，而且有机质以浸染的状态存在于砂颗粒表面，由于有机质的存在阻碍了水泥土搅拌桩的成桩效果，从而形成了一种具有特殊工程性质的有机质浸染砂[1]。

水泥土[2-3]是指水泥、土料和水混和而成能够使土硬结成具有整体性、稳定性和一定强度的混合物。当采用水泥搅拌桩处理有机质浸染砂时，由于土体中有机质的存在促使水泥的硬化减慢，导致桩体强度不足，发现只采用水泥加固效果不佳，因此在水泥土中添加海南熟石灰来增加其加固效果，最后得到有机质浸染砂采用水泥加固的配合比[4-5]，基于有机质浸染砂水泥土已知配合比下，主要研究其力学特性及本构模型两个方面。目前国内外学者对于粉土[6-10]、黏土[11-15]和有机质土[16]的水泥加固有很多研究。例如，Ahnberg等[17]通过室内试验研究不同外加剂对含有有机质水泥土强度的影响；刘宝臣等[18]通过对有机质红黏土的加固试验，为了研究其在有无外加高效减水剂的情况下，水泥掺量、养护时间及水灰比对其无侧限强度的影响；申向东等[19]、刘倩等[20]研究风积沙混凝土空隙结构特征对抗压强度的影响并预测其抗压强度；Zhuang等[21]用粉煤灰、炉渣等工业废料加固粉土，分析了加固土无侧限抗压强度与外加剂掺量、养护龄期之间的影响规律以及所用外加剂最佳掺量；杨振奇等[22]研究砒砂岩区土壤有机质空间分布特点及其影响因素；Sezer等[23]通过无侧限抗压强度试验研究石灰粉煤灰加固土耳其淤泥质土的强度变化规律；Lorenzo等[24-25]通过室内研究得出水泥土强度参数还应该能够反映养护龄期对无侧限抗压强度的硬性变化规律；付全越等[26]利用静三轴仪进行无侧限抗压强度试验，得到养护龄期、飞灰掺量变化对淤泥质土水泥土无侧限抗压强度的硬性规律。同时对水泥土本构模型研究，大部分学者通过室内试验得到不同类型的水泥土本构模型[27-29]。例如，储诚富等[30]通过室内试验提出了不同有机质含量软土水泥加固后的室内无侧限抗压强度预测公式；申向东等[31]通过对水泥土的弹塑性损伤试验，得到了水泥土的弹塑性损伤模型；王文军等[32]、王立峰等[33]对纳米硅粉水泥土弹塑性本构模型研究；王军等[34]通过三轴试验，得到了水泥土修正的邓肯-张模型；张本蛟等[35]通过三轴试验和无侧限抗压试验得到了改进Popovics本构模型。

通过以上研究可以发现，目前主要研究还是在水泥土的力学特性及本构模型，但是关于含有有机质的水泥土的力学特性及本构模型研究较少。为了研究有机质浸染砂水泥土的强度、刚度特性以及本构模型，本文首先对有机质浸染砂水泥土和标准砂水泥土进行无侧限抗压强度对比试验，分析了养护龄期对其无侧限抗压强度变化趋势及试样破坏形式，然后对有机质浸染砂水泥土进行单轴抗压试验，获得了有机质浸染水泥土的应力-应变全过程曲线、刚度变化规律以及改进邓肯-张本构模型，以期对海南海湾地区的实际工程建设提供一定的参考。

1 试验设计

1.1 试验材料

试验中采用的砂样、水泥、熟石灰等材料，如下所述。

1）试验所用有机质浸染砂取自海南省文昌市某工程建设项目，其物理力学性能指标如表1所示。

2）采用的标准砂为厦门艾思欧标准砂有限公司生产的中国ISO标准砂。

3）水泥选用的是海南市场上常用的P·O42.5级普通硅酸盐水泥和P·C32.5级复合硅酸盐水泥，水泥的基本物理力学性质如表2所示。

4）试验采用外加剂为宝岛牌熟石灰，俗称消石灰，白色粉末状固体，熟石灰成份如表3所示。

表1 有机质浸染砂的基本工程性质

表2 水泥的物理力学性质指标

表3 熟石灰成份

1.2 试验方案

通过对有机质浸染砂和标准砂水泥土在一定配合比下（熟石灰掺入比7.5%、水泥掺入比20%、水灰比0.45）进行7、14、21及28 d养护龄期的无侧限抗压的对比试验，得到标准砂水泥土与有机质浸染砂水泥土无侧限抗压强度与养护龄期之间的变化规律，试验方案如表4所示。

表4 试验方案

1.3 制备试样

将风干后的有机质浸染砂进行2 mm筛分，然后根据水泥土配合比规程[36]用电子秤称取本试验所需要的机质浸染砂土样、熟石灰、水泥和水的用量，通过人工和机器搅拌均匀，拌匀后放入密封的玻璃缸中一昼夜备用。采用模具50×100mm的圆柱体（如图1所示），成样采用击实的方法，为方便脱模，要在击样器内壁涂抹一层润滑油，把搅拌均匀的试样土平均分成3份，按试样高度分3层击实。每层按设定击实数（25次）击实后，表面进行刨毛处理，再加入第二层进行击实，以保证不同土层之间接触均匀，击实完成后，将试样两端整平，以减少试验误差。然后用保鲜膜密封，48 h后脱模养护，养护在温度为（20±2）℃、相对湿度为95%以上的养护室中。

图1 水泥试样图

1.4 试验方法

1.4.1 单轴抗压试验

本文采用美国Geocomp公司生产的“全自动三轴试验仪”进行有机质浸染砂水泥土和标准砂水泥土单轴抗压试验，其最大轴向力为2.5 kN，应力路径为=1，采用应变的控制方式。当达到最大轴向力时，试样并未发生变形，中止试验。对试验数据处理得到应力-应变关系。

1.4.2 无侧限抗压试验

无侧限抗压试验采用的是电液式万能试验机，其最大试验力为100 kN。准备试验，把润滑油涂在试验机和水泥土试块接触的承压面上，试验开始，以1 mm/min的加荷速率加载，当试样出现破坏时，停止加载。试件的无侧限抗压强度值取3个试件试验值的算数平均值。

2 结果与分析

2.1 无侧限抗压试验试样破坏形态及分析

通过大量试验结果发现，有机质浸染砂水泥土、标准砂水泥土的外加剂P·O42.5普通硅酸盐水泥和P·C32.5复合硅酸盐水泥试样破坏类型类似，故不详细分类说明，主要阐述P·C32.5有机质浸染水泥土和标准砂水泥土的破坏类型区别如图2所示。

如图2a、2b所示，有机质浸染砂水泥土在养护7 d龄期时最明显的破坏的特征是试样上部出现多条细小裂缝，同时发生“鼓胀现象”，由于有机质浸染砂水泥土中的有机质的存在延缓了水泥的水化反应，表现出塑性破坏。而同龄期养护的标准砂水泥土试样出现上下贯通的斜裂缝，试样表现出脆性破坏现象；图2c、2d可知有机质浸染砂水泥土养护14 d时出现一条贯通试样侧表面的斜裂缝，同时在其周围蔓延出多条较小方向不同的裂缝。水泥土试样的破坏形态处于塑性破坏和脆性拉裂破坏之间，而同养护龄期的标准砂水泥土试样出现一条贯通斜裂缝，同时下部发生压碎的现象，发生脆性剪切破坏；如图2e、2f所示，有机质浸染砂水泥土养护21 d龄期时试样裂缝形式为垂直方向上的半贯通裂缝，试样下部完好，破坏特征处于塑性和脆性破坏之间。而同龄期的标准砂水泥土试样出现多条贯通斜裂缝，同时试样底部被压碎的现象比14 d龄期更加明显，发生脆性剪切破坏；由图2g、2h可知有机质浸染砂水泥土28 d龄期时试样侧表面出现贯通斜裂缝，试样底部被压碎，此时试样内部水泥水化作用比较彻底，破坏类型属于脆性破坏。而同养护龄期的标准砂水泥土底部彻底被压碎，上部侧表面自裂缝处出现凸起现象，表现为脆性剪切破坏。

由以上分析可知，有机质浸染砂水泥土试样中由于有机质的存在延缓水泥的水化反应，同时加入熟石灰起到中和作用从而提高了水泥的水化反应；根据不同的养护龄期，有机质浸染砂水泥土试样中水泥的水化程度不同，从而试样破坏形态表现为塑性剪切破坏和脆性剪切破坏，与张本蛟等[35]无侧限抗压试验中的试样破坏类型相似。

图2 水泥土试样破坏类型

2.2 养护龄期对有机质浸染砂水泥土无侧限抗压强度的影响

由图3可知，有机质浸染砂水泥土和标准砂水泥土无侧限抗压强度随着养护龄期增大而增加，且有机质浸染砂水泥土的抗压强度明显小于标准砂的抗压强度；在养护龄期较低的时候，标准砂水泥土和有机质浸染砂水泥土无侧限抗压强度增加的速率较大，在养护龄期达到14 d以后，增长的速度降低，但仍然处于增长的趋势。随着养护龄期继续增大，P·O42.5有机质浸染砂和P·C32.5有机质浸染砂无侧限抗压强度仍有增大的空间，并且后者抗压强度增加的幅度明显高于前者。

不同类型水泥外加剂的有机质浸染砂水泥土和标准砂水泥土无侧限抗压强度f随养护龄期增加的变化关系式采用式（1）来表达，

式中为养护龄期，d；、、为拟合参数。

对于试验数据处理结果采用式（1）来进行拟合，拟合参数取值如表5所示。由表5可知拟合曲线和实测数据具有较好的吻合性，即采用上述表达式能够较准确的展现有机质浸染砂水泥土和标准砂水泥土无侧限抗压强度随养护龄期增加的变化关系。

图3 抗压强度随龄期变化曲线

2.3 单轴抗压试验条件下的应力-应变曲线

外加剂为P·C32.5复合硅酸盐水泥的有机质浸染砂水泥土在不同养护龄期条件下单轴抗压试验的应力-应变曲线，如图4所示。有机质浸染砂水泥土的应力-应变过程可分为2个阶段：塑性变形阶段和刚度软化阶段。通过多次试验发现，弹性阶段的持续时间较短，可忽略不计，故分为2个阶段。有机质浸染砂水泥土随着龄期的增长，水泥土的应变、应力均增加，曲线斜率由陡变缓最终达到残余强度，表明有机质浸染砂水泥土的强度及弹性模量先增加后降低；不同养护龄期的条件下，水泥土强度随着轴向应变、养护龄期的增加而增大，而破坏时对应的轴向应变越小；由应力-应变曲线的变化过程可知，应力随着轴向应变的增加而增大，即发生应变硬化现象，当应变达到一定数值后，应力开始随应变增加而减小，有机质浸染砂试样发生应变软化现象。

表5 无侧限抗压强度与养护龄期参数取值

图4 不同龄期有机质浸染砂水泥土全应力-应变关系

2.4 有机质浸染砂水泥土刚度变化规律

图5是有机质浸染砂水泥土试样单轴抗压试验的切线模量（即应力-应变曲线上任意一点与原点连线的斜率）与应变的关系曲线，由图可以得到：1）在施加荷载的初始阶段，切线模量随着轴向应变的增加而增大，当应变大约到达2%时，切线模量开始随应变增加而减小，从塑性力学角度来看，前者称为刚度硬化，后者称为刚度软化，并且水泥土刚度随着养护龄期的增大而增大，特别是养护龄期28d的切线模量最大值是养护龄期7 d的4.36倍。2）由于有机质浸染砂水泥土是各种材料的颗粒集合，水泥土试样内部存在空隙，刚度较低，在施加荷载后，水泥土内部空隙被压缩，刚度逐渐提高，从而发生较大的体积变化，水泥土试样发生塑性变形，不可恢复，其切线模量开始减小，当应变约达到8%时，切线模量趋于稳定。

图5 有机质浸染砂水泥土切线模量-应变关系

3 本构模型的建立

3.1 水泥土典型应力-应变全曲线

有机质浸染砂水泥土试样的应力-应变全曲线反映了试样在受轴向荷载时的各种变形特性。根据单轴抗压试验研究可知，完整、典型的有机质浸染砂水泥土的单轴抗压应力-应变全曲线特征如图6所示，曲线可分为2个阶段OA、AB 2个阶段。

注：σ1为应力值与应力最大值比值的峰值；ε1为应变值与应变最大值比值的峰值；ε2为应变值与应变最大值比值的残余值；E为初始切线模量，MPa。

第1阶段，OA段，有机质浸染砂水泥土应力-应变曲线呈现非线性上升段，从O点开始，应力比值随着应变比值的增加而增大，有机质浸染砂水泥土的应力-应变全曲线的初始模量逐渐增加，试样内部结构中的颗粒逐渐发生位置的改变，水泥土试样的变形表现为塑性变形，即刚度硬化现象。当有机质浸染砂水泥土的应力比值达到峰值A点时，有机质浸染砂水泥土内部结构完全破坏，试样发生较大变形，不可恢复。应力比值随着应变比值的增加而成非线性提高，直到强度达到最大值。

第2阶段，AB段，有机质浸染砂水泥土应力与应变之间呈现出非线性下降段，从A点开始，曲线斜率由大变小，最后达到稳定状态的B点，曲线反映出水泥土刚度软化现象，同时有机质浸染砂水泥土试样侧表面的裂缝不断蔓延，最终在水泥土试样上形成贯通的斜裂缝以及其周围方向不一的细小裂缝。随着养护龄期的增加，曲线下降段的速率在减小，而养护龄期时间越长，最终残余强度越大。

3.2 应力-应变全曲线方程

目前邓肯-张模型广泛应用于工程实践中，该模型是一种非线性变弹性模型，模型参数只有8个，且物理意义明确，易于确定和掌握，也方便计算。

原始的邓肯-张模型可以表示[37]为

式中R为破坏应力比；为初始切线模量，MPa；(1-3)为偏应力，MPa；为轴向应变，%；(1-3)为破坏偏应力，MPa。对于单轴试验，围压为零即3=0，再根据胡克定律假设，式（2）也可表示为

应力-应变全曲线分成2部分，是由两曲线组成，故本文采用如下函数对两者之间的关系进行描述

式中σ为最大应力值，MPa；ε为最大应力值对应的应变值，%；为应力破坏比[34]，其大小近似等于R。

由式（4）可以看出，只要合理地确定、、值的大小，就可以描述有机质浸染砂水泥土的应力-应变关系。

3.3 模型参数确定

式（4）中的参数、、是随着单轴抗压强度的变化而变化的。为了突出有机质浸染砂水泥土的特殊性，与满达等[38]研究的沉积风积砂水泥土无侧限抗压强度试验数据进行对比，图7a、7b、7c分别通过式（4）对试验曲线进行回归得到了不同养护龄期下参数、、值。由图可知，有机质浸染砂水泥土和沉积风积砂水泥土的参数值都与养护龄期大致呈线性关系，前者值增大而、值逐渐减小；后者、值逐渐减小而值增大。

图7 模型参数a、f、n的确定

为了验证此本构模型函数的合理性，故采用有机质浸染砂水泥土静三轴的应力-应变曲线进行模拟，如图8所示。由图可以看出，修正后的邓肯-张模型理论值与实测值吻合较好，证明该本构模型的合理性。同时也建立了预测有机质浸染砂水泥土抗压强度的一种方法，具有一定的工程意义。

图8 不同养护龄期水泥土全应力-应变曲线模拟

4 结 论

1）有机质浸染砂水泥土的无侧限抗压强度试验中试样的破坏型式为塑性剪切破坏和脆性剪切破坏。

2）随着养护龄期的增加，有机质浸染砂水泥土无侧限抗压强度均呈指数形式增加，增加速度逐渐减小并趋于平稳状态，弹性模量均逐渐增大即刚度逐渐增大。

3）随着轴向应变的增加，切线模量先增加后减小，且随着养护龄期的增大，切线模量也增加，特别是龄期28 d的切线模量最大值是龄期7 d的4.36倍。对于水泥土典型的全应力-应变曲线，随着轴向应变比增加，应力比先增加再降低。随着养护龄期的增加，对于相同的轴向应变比，应力比也逐渐增加。

4）由于有机质浸染砂水泥土试样内部存在空隙，使其刚度呈现先硬化后软化的现象，故应力-应变全曲线可分为塑性阶段、软化阶段2个阶段。改进邓肯-张模型能较好的反映水泥土应变软化现象，较好地模拟了有机质浸染砂水泥土静三轴的应力-应变关系。

[1]汪秋建，卫宏，杜娟，等．基于正交试验的有机质浸染砂配合比的设计与研究[J]．海南大学学报：自然科学版，2015，33(3)：271－276. Wang Qiujian, Wei Hong, Du Juan, et al. Design and research of mix ratio for infected gulf-phase organic sand based on orthogonal test[J]. Natural Science of Hainan University, 2015, 33(3): 271－276. (in Chinese with English abstract)

[2]徐超，董天林，叶观宝，等．水泥土搅拌桩法在连云港海相软土地基中的应用[J]．岩土力学，2006，27(3)：495－498. Xu Chao, Dong Tianlin, Ye Guanbao, et al. Application of cement deep mixing method in Lianyungang marine soft soil foundation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2006, 27(3): 495－498. (in Chinese with English abstract)

[3]赵顺波，姚贤华，裴松伟，等. 回填土区深层搅拌桩和高压旋喷桩复合地基的静承载性能[J]. 中国港湾建设，2008(1)：16－20. Zhao Shunbo, Yao Xianhua, Pei Songwei, et al. Study on static bearing capacity of composite foundations with deep mixing pile and high pressure rotary grouting pile in backfill ground[J]. China Harbour Engineering, 2008(1): 16－20. (in Chinese with English abstract)

[4]杜娟，卫宏，郑刚，等. 海湾相有机质浸染砂的固化试验研究[J]. 科学技术与工程，2017，17(19)：231－235. Du Juan, Wei Hong, Zheng Gang, et al. Experimental study on stabilization of bay facies organic sand[J]. Science Technology and Engineering, 2017, 17(19): 231－235. (in Chinese with English abstract)

[5]王志鑫．海湾相有机质浸染砂的成因与工程特性的实验室研究[D]．海口：海南大学，2012. Wang Zhixin. Laboratory Studies on the Causes of Infected Gulf-phase Organic Sand and Engineering Properties[D]. Haikou: Hainan University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[6]李永辉，韩海霞，孟乐乐，等. 郑州粉土水泥土无侧限抗压强度试验研究[J]. 公路，2019，64(5)：209－213. Li Yonghui, Han Haixia, Meng Lele, et al. Experimental study on unconfined compressive strength of silt cement-soil in Zhengzhou[J]. Highway, 2019, 64(5): 209－213. (in Chinese with English abstract)

[7]阮锦楼，阮波. 粉质粘土水泥土无侧限抗压强度试验研究[J]. 铁道科学与工程学报，2009，6(3)：56－60. Ruan Jinlou, Ruan Bo. Experimental study on cement-soil unconfined compressive strength of silty clay[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2009, 6(3): 56－60. (in Chinese with English abstract)

[8]曹智国，章定文. 水泥土无侧限抗压强度表征参数研究[J]. 岩石力学与工程学报，2015，34(S1)：3446－3454. Cao Zhiguo, Zhang Dingwen. Key parameters controlling unconfined compressive strength of soil-cement mixtures[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015, 34(S1): 3446－3454. (in Chinese with English abstract)

[9]陈中学，李文广，任涛，等. 水泥土无侧限抗压强度试验分析[J]. 公路交通技术，2016，32(5)：4－8. Chen Zhongxue, Li Wenguang, Ren Tao, et al. Unconfined compressive strength test analysis for cement soil[J]. Technology of Highway and Transport, 2016, 32(5): 4－8. (in Chinese with English abstract)

[10]阮波，阮庆，田晓涛，等. 淤泥质粉质黏土水泥土无侧限抗压强度影响因素的正交试验研究[J]. 铁道科学与工程学报，2013，10(6)：45－48. Ruan Bo, Ruan Qing, Tian Xiaotao, et al. The study of the orthotropic test on cement-soil unconfined compressive strength of muddy silty clay[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2013, 10(6): 45－48. (in Chinese with English abstract)

[11]肖桃李，何云龙，李启凤，等. 水泥土无侧限抗压强度试验研究[J]. 长江大学学报：自然科学版，2017，14(5)：64－66，87.

[12]李福海，靳贺松，王江山，等. 基于综合性能的纤维水泥基原材料优化选择[J]. 铁道工程学报. 2019(5)：90－96,101. Li Fuhai, Jin Hesong, Wang Jiangshan, et al. Optimization of fiber cement-based raw materials based on comprehensive performance[J]. Journal of Railway Engineering Society. 2019(5): 90－96,101. (in Chinese with English abstract)

[13]Masaki K, Takeshi N, Masaaki T, et al. Laboratory tests on long-term strength of cement treated soil[J]. Grouting and Ground Treatment, 2003. doi:10.1061/40663(2003)31

[14]Jaritngam S, Swasdi S. Improvement for soft soil by soil-cement mixing[J]. Soft Soil Engineering, 2007: 637－641.

[15]Horpibulsuk S, Miura N, Nagaraj T S. Assessment of strength development in cement-admixed high water content clays with Abrams law as a basis[J]. Geotechnique, 2003, 53(4): 439－444.

[16]潘永灿，蒋莹玉. 水泥土强度受有机质含量影响试验研究[J]. 盐城工学院学报，2002，15(1)：29－31. Pan Yongcan, Jiang Yingyu. The research on internal leakage effect on static characteristic of pilot-relief valve by simulation[J]. Journal of Yancheng Institute of Technology, 2002, 15(1): 29－31. (in Chinese with English abstract)

[17]Ahnberg H, Holm G. Stabilization of some Swedish organic soils with different types of binder[M]//Dry Mix Methods for Deep Soil Stabilization. Bredenberg H, Broms B B, G Holm. CRC Press ,1999. 101－108.

[18]刘宝臣，张晨富，杨柏. 改善高塑性有机质红黏土强度试验研究[J]. 工业建筑，2014，44(S1)：850－853. Liu Baochen, Zhang Chenfu, Yang Bai. Experimental study on improving strength of red clay of high plasticity organic matter[J]. Industrial Construction, 2014, 44(S1): 850－853. (in Chinese with English abstract)

[19]申向东，邹欲晓，薛慧君，等. 风积沙掺量对冻融-碳化耦合作用下混凝土耐久性的影响[J]. 农业工程学报，2019，35(2)：161－167. Shen Xiang dong, Zou Yuxiao, Xue Huijun, et al. Effect of aeolian sand content on durability of concrete under freezing-thawing-carbonization coupling[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2019, 35(2): 161－167. (in Chinese with English abstract)

[20]刘倩，申向东，董瑞鑫，等. 孔隙结构对风积沙混凝土抗压强度影响规律的灰熵分析[J]. 农业工程学报，2019，35(10)：108－114. Liu Qian, Shen Xiangdong, Dong Ruixin, et al. Gray entropy analysis on effect of pore structure on compressive strength of aeolian sand concrete[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2019, 35 (10): 108－114. (in Chinese with English abstract)

[21]Zhuang Xinshan, Wang Gongxun, Zhu Ruiqi, et al. Experimental study on indoor unconfined compressive strength of fly ash slag-reinforced soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005(8): 965－969.

[22]杨振奇，秦富仓，李龙，等. 砒砂岩区小流域土壤有机质空间分布特征及其影响因素[J]. 农业工程学报，2019，35(17)：154－161. Yang Zhenqi, Qin Fucang, Li Long, et al. Spatial distribution characteristics of soil organic matter and its influencing factors in small watershed of feldspathic sandstone region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2019, 35 (17): 154－161. (in Chinese with English abstract)

[23]Sezer A, Yilmaz H R, Ramyar K. Utilization of a very high lime fly ash for improvement of Izmir clay[J]. Building and Environment, 2006, 20( 6): 150－155.

[24]Lorenzo G A, Bergado D T. Fundamental parameters of cement-admixed clay-new approach[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2004, 130(10): 1042－1050.

[25]Lorenzo G A, Bergado D T. Fundamental characteristics of cement-admixed clay in deep mixing[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2006, 18(2): 161－174.

[26]付全越，陶松垒. 垃圾飞灰改性水泥土的无侧限抗压强度特性研究[J]. 科技通报，2019，35(3)：162－165,171. Fu Quanyue, Tao Songlei. Study on unconfined compressive strength characteristics of the modified water soil of garbage fly ash[J]. Bulletin of Science and Technology, 2019, 35(3): 162－165,171. (in Chinese with English abstract)

[27]童小东，龚晓南，蒋永生. 水泥土的弹塑性损伤试验研究[J]. 土木工程学报，2002(4)：82－85. Tong Xiaodong, Gong Xiaonan, Jiang Yongsheng. Experimental study on elasto plastic damage of cemented soil[J]. China Civil Engineering Journal, 2002(4): 82－85. (in Chinese with English abstract)

[28]王立峰，朱向荣. 水泥土损伤模型的试验研究[J]. 科技通报，2003，19(2)：136－139. Wang Lifeng, Zhu Xiangrong. Study of damage mode of CSS and experimental research[J]. Bulletin of Science and Technology, 2003, 19(2): 136－139. (in Chinese with English abstract)

[29]陈志新. 纳米硅粉水泥土损伤模型分析[J]. 福建建筑，2008(5)：60－62，69. Chen Zhixin. Damage model analysis of cement-stabilized soil with nanometer silica fume material[J]. Fujian Architecture Construction, 2008(5). (in Chinese with English abstract)

[30]储诚富，邵俐，刘松玉，等. 有机质含量对水泥土强度影响的室内定量研究[J]. 岩土力学，2006(9)：1613－1616. Chu Chengfu, Shao Wei, Liu Songyu, et al. Laboratory study quantitatively on effect of organic content on strength of cement-mixed clays[J]. Rock and Soil Mechanics, 2006(9): 1613－1616. (in Chinese with English abstract)

[31]申向东，曹雅娴，周丽萍. 水泥复合土本构模型的试验研究[J]. 土木建筑与环境工程，2011，33(S1)：88－90. Shen Xiangdong, Cao Yaxian, Zhou Liping. An experimental study on constitutive model of composite cement soil[J]. Journal of Civil, Architectural & Environmental Engineering, 2011, 33(S1): 88－90. (in Chinese with English abstract)

[32]王文军，朱向荣. 纳米硅粉水泥土的强度特性及固化机理研究[J]. 岩土力学，2004(6)：922－926. Wang Wenjun, Zhu Xiangrong. Study on strength property of nanometer silica fume reinforced cemented soil and reinforcement mechanism[J]. Rock and Soil Mechanics, 2004(6): 922－926. (in Chinese with English abstract)

[33]王立峰，朱向荣. 纳米硅水泥土弹塑性本构模型研究[J]. 浙江大学学报：工学版，2008(1)：94－98. Wang Lifeng, Zhu Xiangrong. Elastic-plastic constitutive model of nanometer silicon and cement-stabilized soils[J]. Journal of Zhejiang University(Engineering Science), 2008(1): 94－98. (in Chinese with English abstract)

[34]王军，丁光亚，潘林有，等. 静三轴试验中水泥土力学特性及本构模型研究[J]. 岩土力学，2010，31(5)：1407－1412. Wang Jun, Ding Guangya, Pan Linyou, et al. Study of mechanics behavior and constitutive model of cemented soil under static triaxial test[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(5): 1407－1412. (in Chinese with English abstract)

[35]张本蛟，黄斌，傅旭东，等. 水泥土芯样强度变形特性及本构关系试验研究[J]. 岩土力学，2015，36(12)：3417－3424. Zhang Benjiao, Huang Bin, Fu Xudong, et al. An experimental study of strength and deformation properties of cemented soil core sample and its constitutive relation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2015, 36(12): 3417－3424. (in Chinese with English abstract)

[36]JGJ/T 233—2011，水泥土配合比设计规程[S]：北京，中国建筑工业出版社，2011.

[37]Duncan J M, Chang C Y. Nonlinear analysis of stress and strain in soils[J]. J Soil Mech and Found, 1967, 93: 128－132.

[38]满达，庞文台，樊忠成，等. 复合水泥土应力应变本构模型研究[J]. 硅酸盐通报，2019，38(1)：99－102. Man Da, Pang Wentai, Fan Zhongcheng, et al. Research on stress-strain constitutive model of composite cement soil[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2019, 38(1): 99－102. (in Chinese with English abstract)

Mechanical properties and constitutive relation of cement-stabilized organic matter-disseminated sand

Du Juan1,2, Liu Bingyang2, Shen Tongtong2, Hu Jun2※, Xie Peng2

(1.,,300072,; 2.,,570228,)

Some sandy sediment in the coasts in Hainan province is rich in organic matters and the sand particles might be coated and disseminated by organic carbon. This could alter the surface of the sand and thus compromises the mechanical strength of the concrete made using such sands as aggregates. This paper experimentally investigated how organic-disseminated sand particles impact the mechanical properties and constitutive equation of the associated concrete. The sample species were prepared by mixing 20% (w/w) and 7.5% of lime with water at water: cement ratio of 0.45; they were then further mixed with sand particles disseminated by organic carbon coating. Concrete using standard sands served as the control. The mechanical properties and constitutive equation of the specimens were measured using the unconfined and uniaxial compressive tests. The unconfined compression test was to measure the compressive strength at curing time of 7d, 14d, 21dand 28d, respectively, and their failure mode. The uniaxial compression test was to measure the stress-strain curve, the stiffness variation rule and the modified Duncan-Zhang constitutive equation. The results show that 1) the failure mode of the concrete with organic-disseminated sands was plastic shear failure and brittle shear failure, while the failure mode of the specimens with standard sand at the same curing time was brittle shear failure. 2) The compressive strength of the concrete with organic- disseminated sands was significantly smaller than that with standard sands at early stage of the curing, although both increased exponentially with the curing time. The compressive strength of each specimen reached asymptotically to a constant after 14 days of curing. 3) The stiffness of the concrete with organic- disseminated sands increased with curing time. After the loading was applied, its shear modulus increased with the axial strain initially, but when the strain reached about 2%, the shear modulus started to decrease with a further increase in strain. In terms of plasticity, the former is known as stiffness hardened and the latter is known as stiffness softening. The stiffness of the concrete with organic-disseminated sands increased with curing time, and the peaked shear modulus at Day 28 is 4.36 times that at Day 7. 4) The stress-strain curve of the concrete with organic-disseminated sands was a interplay of various deformation processes under uniaxial load, and can be divided into two stages: plastic stage and softening stage. 5) The modified Duncan-Zhang model was obtained to describe the full stress-strain curve. Comparison with measured data showed that the model adequately described the stress-strain of the concrete with organic-disseminated sand particles.

cements; mechanical properties; models; cement-stabilized organic matter-disseminated sand; unconfined compressive strength; constitutive relationship curing time

杜 娟，刘冰洋，申彤彤，胡 俊，谢 朋. 有机质浸染砂水泥土的力学特性及本构关系[J]. 农业工程学报，2020，36(2)：140－147. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.017 http://www.tcsae.org

Du Juan, Liu Bingyang, Shen Tongtong, Hu Jun, Xie Peng. Mechanical properties and constitutive relation of cement-stabilized organic matter-disseminated sand[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 140－147. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.017 http://www.tcsae.org

2019-08-29

2019-11-28

海南省重点研发计划项目（ZDYF2019172）；海南省研究生创新科研课题（Hys2019-193）；国家自然科学基金项目（51968019）；海南省高等学校教育教学改革研究资助项目（Hnjg2019-6）；海南大学教育教学改革研究项目（hdjy1902）；天津大学-海南大学协同创新基金项目（HDTDU201908）

杜 娟，副教授，博士生，主要从事土力学及地基处理等方面的教学与研究工作。Email：dujuan2012@hainanu.edu.cn

胡 俊，副教授，博士，从事隧道及地下工程方面的教学与研究工作。Email：hj7140477@hainanu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.017

TU47

A

1002-6819(2020)-02-0140-08