河道淤泥气泡混合土细观破坏机理模拟分析

陈 晨，顾欢达，陈冬青

(1.苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011；2.苏州市恒正工程质量检测有限公司，江苏 苏州 215134)



河道淤泥气泡混合土细观破坏机理模拟分析

陈 晨1，顾欢达1，陈冬青2

(1.苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011；2.苏州市恒正工程质量检测有限公司，江苏 苏州 215134)

河道淤泥气泡混合土是由固体土体和微孔组成非均质复合材料，微孔结构形状及分布特征是影响气泡混合土力学性质的主要因素。基于河道淤泥气泡混合土内部微孔分布的细观特征，利用物理力学及数值模拟试验方法，对河道淤泥气泡混合土的力学性质与微孔细观特征的相关性进行分析，以揭示河道淤泥气泡混合土的强度发挥及破坏机理。根据模拟计算及试验实测得到：大孔径微孔及微孔孔径分布的均匀性是影响气泡混合土力学性质的重要因素；其次，河道淤泥气泡混合土中的气泡掺入量、水泥掺入量也是影响河道淤泥气泡混合土力学性质的主要因素。

气泡混合土；图像处理技术；有限元分析；塑性区；应力分布

1 研究背景

随着我国经济的高速发展，我国河道疏浚工程及内陆湖泊治理工程等大规模兴起，河道淤泥的大规模产生已经不可避免。而河道淤泥的就近弃埋所带来的占用耕地、河流污染等问题，已成为我们急需解决的课题。因此对河道淤泥进行处理后的再利用，对于减轻环境污染、促进经济发展具有重要的研究意义。

河道淤泥气泡混合土(Foamed Mixture Lightweight Soil Using River Sludge,FMLSS)作为一种新型轻质土工材料，以河道淤泥为原料土，按照一定的比例掺入固化剂、水和气泡，经过充分混合搅拌后形成的一种复合土工材料。与一般的土工材料相比，它具有轻质性、高流动性以及施工性良好等优点[1]，在日本、美国等发达国家，气泡混合轻质土已经应用于道路加宽、桥头跳车治理和桥台台背填土等工程中[2]。

目前，已有学者对气泡混合土的性质进行了一系列的研究，如顾欢达等[3-5]对FMLSS基本工程性质进行了考察，赵全胜、梁小勇[6-9]利用三轴试验仪研究了气泡混合轻质土在复杂应力状态下的变形规律等，但对FMLSS细观尺度下破坏机理的相关研究还鲜有报道，而宏观上又难以解释材料自身非均质特性导致的应力非均匀分布以及局部变形现象，所以有必要对FMLSS的破坏机理进行细观尺度上的分析研究。

针对FMLSS的细观特性，本文利用图像处理技术获得土体内部的细观特征参数，结合有限元法模拟计算研究其细观结构在单轴压缩过程中的破坏机理，分析FMLSS的力学性质与微孔细观特征的相关性，为改善其力学性能和进一步研制高性能的FMLSS提供理论依据。

2 试样制备和力学试验

试验所采用的原料土取自苏州市内某河道，将河道淤泥经筛分(4.75 mm)，滤去原料土中大颗粒杂质；构成气泡混合土的起泡剂采用动物蛋白类复配型发泡剂；固化剂采用32.5号普通硅酸盐水泥。

试验中各种原材料的配合比皆以干土质量为标准设定，设计的配合比方案如表1所示，每个配比设3个平行试样。

表1 FMLSS配合比情况

制备试样时根据设计的配合比，称取一定量的原料土，依次加入一定量的水、水泥及气泡，搅拌均匀后装入直径36 mm、高78 mm的圆柱形模具中，置入标准养护箱中养护24 h后脱模，养护至龄期28 d后进行试验。强度试验采用无侧限抗压强度试验仪，加载时的轴向应变速率约为1 mm/min。

3 细观图像分析

数字图像的获取主要利用型号为α-6000的SONY摄像机进行拍摄，并通过ImageJ数字图像处理软件对图像进行后处理。其流程为：①利用摄像设备对土体截面进行拍摄，并对图像进行初步的截取、分割处理；②利用ImageJ软件，经由土骨架与气孔之间不同的灰度值，确定它们之间的分界阈值，对图像进行二值化处理；③对处理结果提取能反映其细观孔结构特征的物理参数；④根据提取的物理参数对土体内部的微孔结构进行定量化处理与分析。需要注意的是，为了量化微孔尺寸，拍摄时应固定镜头与被拍摄土体表面之间的距离，并设定标尺标定微孔尺度。图1(a)、图1(b)分别为原始摄像图和二值化处理图，图1(b)中黑色和白色分别显示的是微孔与土体骨架。

(a)原始图(b)二值图图1 原始摄像图和二值化处理图Fig.1 OriginalimageandImageafterbinaryprocessing

可以看出处理后二值图中的微孔呈不规则形状，为方便后期的统计分析，需要对单个微孔进行规则化处理，即在面积相等的前提下，将其转换为标准圆孔，得到等效孔径。根据计算得到的等效孔径，按其孔径大小进行分类统计，选取配合比为Ac=25%，Ae=2%，w=110%的试样，以图像中小于某等效孔径的微孔数量占该图像中总微孔数量的累计百分比为纵坐标，微孔的等效孔径为横坐标，在单对数坐标上绘制出微孔等效孔径分布曲线，如图2所示。根据图2中等效孔径分布曲线的坡度可以看出曲线较陡，可以大致判断出微孔孔径大小相差不多，孔径大小分布比较均匀。

图2 等效孔径分布曲线

4 FMLSS细观有限元模型

4.1 数值模型的生成

表2为不同配合比气孔所占的面积百分比，将不同配合比下的等效孔径分布曲线结合其微孔所占面积百分比，即可得到一定区域面积下微孔的分布状况。基于此，建立边长为4 mm×4 mm的FMLSS二维正方形随机微孔有限元模型，如图3所示。模型的微孔分布特征基于Ac=35%，Ae=2%，w=110%的配合比参数。

表2 不同配合比气孔所占面积百分比

图3 细观数值模型

4.2 细观数值模型强度参数的设定

受试验条件限制，即使不掺入气泡，在土样制作过程中土中气体不可能完全排出，因此在不掺入气泡的情况下，土体内部仍存在一定的微孔，从而难以通过强度试验获得土骨架真实的强度参数。通过图像处理技术，可以看出即使在气泡掺入量Ae=0%时，气孔所占面积仍有15%左右，这就说明将气泡掺入量Ae=0%的FMLSS强度参数作为土骨架的强度参数并不合理。

图4为混合土强度与微孔面积的关系曲线图，图中显示出在含水率、水泥掺入量、龄期一定时，FMLSS的抗压强度与微孔所占面积百分比大致成线性反比关系，即微孔所占面积越大，其抗压强度值越小。那么可以推出微孔所占面积为0%时的FMLSS强度值为最理想值(最大值)，将其作为土骨架的强度参数是相对合理的。定义微孔所占面积为0%时的FMLSS强度与气泡掺入量为0%时的FMLSS强度之比为放大系数a，将试验得到的Ae=0%的强度曲线乘以放大系数a后得到的强度曲线作为微孔所占面积为0%时的强度曲线，即土骨架的强度曲线。最后，由FMLSS的强度曲线即可得到计算所用的弹塑性硬化模型所需参数，受篇幅限制，这里仅列举配合比Ac=25%，w=110%时的骨架的材料参数，如表3所示。

图4 FMLSS强度与微孔面积百分比的关系曲线

弹性模量E/MPa泊松比υ屈服应力σ/MPa塑性应变εpl/10-386.750.30.51086.750.30.641.1986.750.30.692.0486.750.30.784.4686.750.30.825.7186.750.30.879.3286.750.30.8811.4186.750.30.8913.5986.750.30.8915.93

4.3 细观数值模型的加载与分析

根据强度试验特征，FMLSS细观数值模型的加载方式采用位移加载，并进行单轴压缩平面应力分析。每步加载量为0.015 mm，共分20步，总加载位移量0.3 mm。仍以配合比Ac=35%，Ae=2%，w=110%的FMLSS模型为例，图5为FMLSS细观数值模型在不同分析步下的偏应力分布云图，从图中可以看出，加载初期微孔左右两侧的应力值要比其它位置大。随着不断的加载，相邻大孔径微孔之间、大孔径微孔与小孔径微孔之间的部分发生应力集中现象，并随后进入屈服破坏阶段，最终导致淤泥混合土模型的整体破坏。这说明大孔径微孔的分布情况对FMLSS强度发挥有着比较大的影响，因此，在实际工程中，选择稳泡性较好的发泡剂和减少成型过程中对土体的扰动可以减少大孔径微孔的含量，有利于FMLSS的强度发挥。

图5 不同分析步下淤泥混合土细观数值模型的应力分布云图

5 模拟计算结果分析

图6(a)和图6(b)为FMLSS在2种不同配合比下由强度试验值和有限元计算值得到的应力-应变关系曲线。

图6 FMLSS的应力-应变曲线

图6中实测值与有限元模拟值的分布规律基本一致，实测值与模拟值平均相差在12%以内。图7(a)为FMLSS抗压强度与气泡掺入量的关系曲线图，根据图示结果可知，随着气泡掺入量的增大，FMLSS强度下降，且抗压强度的下降趋势与气泡掺入率大致成线性关系。这是由于随着气泡含量的增加，能承担荷载的土骨架体积减小，使得FMLSS强度与刚度下降。此外，由等效孔径分布曲线(图2)可知，随着气泡掺入量的增加，微孔孔径增大，使得土体内部薄弱部位增多，对FMLSS的强度发挥产生削弱作用。此外，从图7(a)中也可以看出水泥掺入量对FMLSS抗压强度的影响，随着水泥掺入量的增加，混合土的强度显著提升，这是因为水泥作为固化剂，与高含水率的淤泥混合后发生水化反应，将土颗粒牢固地胶结在一起。实际工程应用中，在考虑密度与流动性等前提条件下，应注意气泡掺入量Ae与水泥掺入量Ac对淤泥气泡混合土强度的影响。

图7 抗压强度、微孔所占面积百分比与 气泡掺入量的关系曲线

图7(b)为微孔所占面积与气泡掺入量的关系曲线图，图中可以看出，不同水泥掺入量下，微孔所占面积与气泡掺入量大致上成线性正比关系。我们假设气泡掺入量Ae=4%时仍满足这一规律，推算出气泡掺入量Ae=4%时微孔所占面积。图8为含水率ω=110%，水泥掺入量Ac=25%，气泡掺入量Ae分别为0%，1%，2%，3%时的微孔孔径分布曲线。从图8中可以看出，不同气泡掺入量下，等效孔径分布曲线的形态基本相同，随着气泡掺入量的增大，分布曲线总体向左侧移动，且移动幅度基本一致，在此基础上我们可以推出Ae=4%时微孔等效孔径的分布曲线。分别建立气泡掺入量Ae=4%，水泥掺入量Ac=15%，25%，35%时的数值模型，经计算得到的强度如图9所示。从图9中可以看出，水泥掺入量较低的情况下，预测得到的气泡掺入量Ae=4%时的强度不再是呈现线性下降的趋势，而是趋于平缓。

图8 等效孔径分布曲线

图9 抗压强度-气泡掺入量模拟预测关系曲线

6 基于微孔分布特征的破坏机理分析

根据等效孔径分布曲线，可以简单地确定2个反映微孔分布均匀情况的定量指标，即不均匀系数Cu及曲率系数Cc，两者定义的表达式如下：

(1)

(2)

式中d60，d30及d10分别为小于某孔径的微孔数量百分比含量为60%，30%及10%对应的孔径。不均匀系数Cu反映大小不同微孔的分布情况，即微孔孔径分布的均匀程度。Cu越大，表示微孔孔径分布范围越大，微孔孔径分布越不均匀。曲率系数Cc描写的是等效孔径分布曲线的整体形态，反映了d60与d10之间各微孔含量的分布情况。根据等效孔径分布曲线形态及不均匀系数Cu，同时结合曲率系数Cc，认为：当满足Cu<5.0和Cc=1.1～1.4这2个条件时，则认为气泡混合土为微孔分布比较均匀的土体。

为了更好地把握土体内部大小微孔孔径的尺度，将土体中各种不同大小孔径的微孔，按等效孔径为0.05，0.2 mm，分成小孔径、中孔径和大孔径3种，划分孔径的分界尺寸(0.05 mm和0.2 mm)称为界限孔径。根据等效孔径的大小可以定义反映孔径尺度大小的特征参数，定义大小孔径数量比S,即

(3)

式中，N0.2和N0.05分别表示图像中等效孔径>0.2 mm的气孔数量和<0.05 mm的气孔数量。显然，大孔径微孔数量越多，S值越大；S值越小，则表明土体内部主要以孔径较小的微孔为主，相对土体的材质比较均匀。

图10(a)为加载后数值模型的塑性区(破坏区)分布图，借助数字图像处理软件ImageJ统计出塑性区的面积，图10(b)为二值化后图片，图中黑色部分为塑性区。图11为大小孔径数量比S与塑性区面积的关系曲线。由图11可以看出塑性区面积随着大小孔径数量比的变大而变小，这可能是因为在大孔径微孔数量偏多，土体越不均匀的情况下，土体内部往往在大孔径微孔等薄弱部位先发生破坏，进而发展为一个破坏带，最后导致土体的整体破坏，而这时土体其他部位尚未达到屈服强度，塑性区面积较小；反之，土体内部主要以孔径较小的微孔为主时，土体内应力集中现象较少，应力分布较均匀，土体内达到屈服强度的部位较多，塑性区面积较大。同时，从图11中也可以看出，塑性区面积随着水泥掺入量Ac的增多而变小，这可能是由于水泥掺入量的增多提高了土体的强度与刚度，土体的破坏多伴随破裂面的产生，较少发生塑性破坏，塑性区面积变小。此外，大小孔径数量比随着水泥掺入量的增加而减小，随着气泡掺入量的增加而变大，说明气泡的增多会加大气泡分布的不均匀性，在土体内形成薄弱部位，而水泥固化剂的增多能使孔径分布趋于均匀化。

(a)原始图(b)二值图图10 加载后数值模型的塑性区分布原始图及其二值化后图片Fig.10 Originalimageofplasticareadistributionandimageafterbinaryprocessing

图11 塑性区面积-大小孔径数量比关系曲线

为了进一步说明土体内部微孔孔径分布特征对FMLSS强度发挥的影响，分析研究了微孔孔径分布的均匀性与细观数值模型受压时的应力分布之间的关系。图12为不均匀系数Cu与细观数值模型受压时产生的大小偏应力比σmax/σmin之间的关系曲线。

图12 大小应力比-不均匀系数关系曲线Fig.12 Curvesofratioofmaximumstresstominimumstressvs.uniformitycoefficient

由图12可以看出，随着不均匀系数Cu的增大，即孔径分布范围的变大，细观数值模型中的大小应力比变大。这是由于大孔径微孔周围发生应力集中现象，先发生屈服破坏，而这时其他单元尚未达到屈服强度，从而产生大小应力差，且孔径分布越不均匀，大孔径微孔越多，大小应力比值越大。图13(a)、图13(b)分别为数值模型中偏应力值σ>0.7σmax的单元面积S0.7和偏应力值σ<0.3σmax的单元面积S0.3与不均匀系数Cu的关系曲线。从图13中可以看出，S0.7随着不均匀系数Cu的变大而变小，S0.3随着不均匀系数Cu的变大而变大，说明随着土体内部微孔孔径分布不均匀性的加大，土体内部应力分布的不均性也在加大，明显地，孔径分布的均匀性对FMLSS强度的发挥具有较高的影响。同时，与大小孔径数量比S类似的，不均匀系数随着水泥掺入量的增加而减小，随着气泡掺入量的增加而变大，进一步说明气泡的掺入量与水泥的掺入量对微孔孔径的分布有明显的影响。因此，实际工程中应选择合理的配合比，获得孔径分布较均匀的FMLSS，对改善土体力学性质具有明显的意义。

图13 应力分布面积-不均匀系数关系曲线Fig.13 Curvesofstressdistributionareavs.uniformitycoefficient

6 结 论

(1) FMLSS在荷载作用下的有限元计算值与试验实测值的变化规律基本一致，两者平均偏差在12%以内，验证了有限元分析的可能性。通过有限元分析，可以从细观尺度上揭示土体内部的破坏机理。

(2) FMLSS的力学性质与微孔细观特征具有一定的相关性，大孔径微孔及微孔孔径分布的均匀性是影响FMLSS力学性质的重要因素。

(3) FMLSS的强度与水泥、气泡的掺入量有密切关系，随着气泡掺入量的增加，其对土骨架的削弱作用加大，从而降低土体强度；随着水泥掺入量的增加，其与土颗粒的胶结作用加大，使得土体强度明显提高。

(4) FMLSS作为多孔材料，内部的细观结构对其局部的应力分布以及最终破坏模式有着比较大的影响。

[1] 顾欢达，顾 熙．河道淤泥气泡混合轻质土的性质稳定性试验[J]．北京工业大学学报，2010，36(4)：469-474．

[2] 陈忠平，王树林．气泡混合轻质土及其应用综述[J]．中外公路，2003，23(5)：117-120.

[3] 顾欢达，顾 熙．河道淤泥的轻质化处理及其工程性质[J]．环境科学与技术，2010，33(9)：63-66.

[4] 赵全胜，梁小勇．气泡混合轻质土变形特性三轴试验研究[J]．公路，2010,(10):174-176.

[5] 蔡 力，陈忠平，吴立坚．气泡混合轻质土的主要力学特性及其应用综述[J].公路交通科技，2005，22(12)：71-74.

[6] 管 文．孔结构对泡沫混凝土性能影响的研究[J]．墙体革新与建筑节能，2011，9(4)：23-26.

[7] 郭玉顺，陆爱萍，郭自力．多孔混凝土成分、孔结构与力学性能关系的研究[J]．清华大学学报(自然科学版)，1996，36(8)：44-49.

[8] 钟根全，李丽娟，刘 峰，等．混凝土二维随机骨料的数值模拟[J]．混凝土，2008，10(9)：70-73.

[9] 付 兵，李建波，林 皋．基于真实骨料形状库的混凝土细观数值模型[J]．建筑科学与工程学报，2010,27(2):10-17．

(编辑：赵卫兵)

Simulation Analysis on Mesoscopic Failure Mechanism of FoamedMixture Lightweight Soil Using River Sludge

CHEN Chen1, GU Huan-da1, CHEN Dong-qing2

(1.Department of Civil Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215011，China;2.Suzhou Hengzheng Engineering Quality Test Co. Ltd., Suzhou 215134，China)

Foamed mixture lightweight soil using river sludge (FMLSS) is an inhomogeneous composite materialcomposed of solid soil and micropores. The structural shape and distribution of micropores are main factors influencing the mechanical properties of FMLSS. In this article, the correlation between FMLSS’s mechanical properties and micropore’s mesoscopic characteristic is studied to reveal the strength and failure mechanism of FMLSS by means of physical mechanical tests and numerical simulation. According to the simulation and test measurement, large diameter micropore and the uniformity of diameter distribution are important factors that affect FMLSS’s mechanical properties; secondly, the air foam content and cement content in FMLSS are also main factors that affect FMLSS’s mechanical properties.

foamed mixture lightweight soil using river sludge; image processing techniques; finite element analysis; plastic zone; stress distribution

2015-10-26;

2015-11-18

国家自然科学基金项目(51378327)

陈 晨(1990-)，女，江苏启东人，硕士，主要从事软土地基处理及应用，(电话)15262407976(电子信箱)693453756@qq.com。

顾欢达(1958-)，男，江苏无锡人，教授，博士，主要从事软土地基处理技术及原理分析方面的研究，(电话)0512-68786743(电子信箱)ghdgx@163.com。

10.11988/ckyyb.20150898

2017,34(1):114-119，134

TU411

A

1001-5485(2017)01-0114-06