孫益振 范志強(qiáng)

(1.大連理工現(xiàn)代工程檢測(cè)有限公司，遼寧大連 116024;2.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司廣州分公司，廣東廣州 511442)

土作為一種散粒體，其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系十分復(fù)雜，三軸試驗(yàn)是測(cè)試土體應(yīng)力應(yīng)變和強(qiáng)度特性最常用和最重要的試驗(yàn)方法［1］。

土工三軸試樣變形數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三軸試樣軸向變形和徑向變形的非接觸式直接測(cè)量，采用亞像素角點(diǎn)識(shí)別技術(shù)，精度高且可以任意選擇測(cè)量斷面，克服了傳統(tǒng)測(cè)量方法的一些弊端，為三軸試驗(yàn)提供了新的、更加合理的變形測(cè)量手段［2］。本文利用該方法測(cè)量三軸試樣的變形過程，根據(jù)所得的數(shù)據(jù)從細(xì)觀角度分析砂土變形過程及其影響因素。

文中選用的試驗(yàn)材料粉砂是一種工程中經(jīng)常遇到的材料，不管是應(yīng)用于筑壩材料還是其他建筑地基中，由于其特殊工程特性，使得工程人員對(duì)這種材料不敢掉以輕心［3，4］，通過本文的研究工作，可以為工程人員提供更詳實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也希望對(duì)粉砂變形特性的研究和本構(gòu)模型的建立有所裨益。

1 試驗(yàn)土樣和制備

試驗(yàn)材料選用石佛寺粉砂(下面簡(jiǎn)稱粉砂)，顆粒級(jí)配如圖1所示，其物理性質(zhì)指標(biāo)為:平均粒徑d=0.18 mm，不均勻系數(shù)Cu=2.9，曲率系數(shù) Cc=1.4，屬不良級(jí)配砂，顆粒比重 Gs=2.64 g/cm3，最大干密度 ρmax=1.74 g/cm3，最小干密度 ρmin=1.39 g/cm3。

圖1 試驗(yàn)粉砂顆粒級(jí)配曲線

試驗(yàn)時(shí)選用的圍壓和粉砂干密度如表1所示。對(duì)干燥和飽和狀態(tài)的土樣分別進(jìn)行了三軸剪切試驗(yàn)，對(duì)飽和試樣采用了固結(jié)排水(CD)剪切試驗(yàn)。試樣為小試樣，即直徑39.1 mm，高80 mm，試驗(yàn)時(shí)的加載速率都選擇為0.04 mm/min［5］。試樣成型方式的不同也會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響［6］，為了盡可能消除由于成樣方式不同所造成的影響，本文所有試樣統(tǒng)一采用分層干裝法制樣，飽和試樣采用二氧化碳飽和法。試驗(yàn)在配備土樣變形數(shù)字圖像測(cè)量系統(tǒng)的三軸試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了便于分析比較，繪圖時(shí)定義軸向應(yīng)變以壓縮為正，徑向、體積應(yīng)變則以壓縮為負(fù)。試驗(yàn)中主要進(jìn)行了飽和試樣的固結(jié)排水三軸試驗(yàn)和干燥試樣的三軸剪切試驗(yàn)，以便分析試樣中孔隙水對(duì)砂土變形的影響。圖2給出了各密度條件下干燥與飽和試樣在不同圍壓條件下的偏差應(yīng)力—軸向應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線。

表1 試驗(yàn)控制圍壓和密度

圖2 干燥與飽和試樣偏差應(yīng)力—軸向應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線

圖2的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系試驗(yàn)曲線反映了干燥與飽和兩種狀態(tài)的試樣都是先經(jīng)歷一個(gè)近似彈性變形區(qū)域，之后發(fā)生彈塑性變形直至屈服，最后試樣軟化破壞;偏差應(yīng)力峰值及峰值前的增長速度都隨圍壓的增加有明顯增加;同種密度同種圍壓條件下飽和試樣的偏差應(yīng)力值略低于干砂試樣，但曲線形狀相似。圖3給出的是ρ=1.641 g/cm3條件下干燥與飽和試樣的體積應(yīng)變—軸向應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線;圖4給出的是ρ=1.641 g/cm3條件下干燥試樣在三種圍壓條件下的體積應(yīng)變—軸向應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線;圖5給出的是3種密度條件下干粉砂在300 kPa圍壓條件下的體積應(yīng)變—軸向應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線。從圖3中可以看出，試樣體積變化在試驗(yàn)開始階段以剪縮為主，之后慢慢過渡到剪脹。同種條件下飽和試樣維持剪縮的時(shí)間明顯高于干燥試樣。從圖4和圖5中圍壓和密度對(duì)試樣體積變形的影響來看，圍壓越大剪縮維持的時(shí)間越長，密度越小剪縮效應(yīng)越明顯，密度的變化對(duì)試樣體積變化的影響要比圍壓明顯。

從細(xì)觀方面看砂土的變形主要是由其結(jié)構(gòu)性決定的，即其顆粒特性、孔隙特性、排列特性以及聯(lián)結(jié)特性等［7，8］。

圖3 干燥與飽和粉砂試樣體積應(yīng)變—軸向應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線（ρ=1.641 g/cm3）

圖4 干砂試樣體積應(yīng)變—軸向應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線（ρ=1.641 g/cm3）

圖5 干砂試樣體積應(yīng)變—軸向應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線（σ3=300 kPa）

由試驗(yàn)得出的應(yīng)力應(yīng)變曲線可將試驗(yàn)變形過程分為三個(gè)階段:1)試驗(yàn)初始階段，隨著有效應(yīng)力的增加，土顆粒相互擠壓，發(fā)生變形、相對(duì)滑動(dòng)、翻滾而填充到臨近的孔隙中，而此時(shí)圍壓的存在限制了其徑向變形(所以圍壓越大，該階段維持的時(shí)間越長)，從而使顆粒排列趨于穩(wěn)定，宏觀上表現(xiàn)為體積應(yīng)變—軸向應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線所示的剪縮增長階段。對(duì)應(yīng)圖2應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的直線部分，該階段的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系近似為線彈性關(guān)系;2)之后隨著軸向位移的增加，有效應(yīng)力變大，使顆粒之間的擠壓力增強(qiáng)，部分顆粒被擠壓碎，進(jìn)一步填充到試樣孔隙中，使孔隙比進(jìn)一步減?。?］，接下來單位軸向位移所引起的徑向應(yīng)變逐漸增大，宏觀上表現(xiàn)為試樣剪縮向剪脹的過渡，對(duì)應(yīng)圖2中應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的屈服階段，偏差應(yīng)力出現(xiàn)峰值，該階段試樣的變形表現(xiàn)出塑性變形形態(tài);3)此階段由于試樣中顆粒排列十分緊密，軸向應(yīng)變所需要的空間只能通過側(cè)向膨脹來滿足，試樣體積變形表現(xiàn)為剪脹。

對(duì)于飽和試樣，由于其部分組成顆粒浸水軟化，強(qiáng)度降低，塑性增大，顆粒易變形，棱角易破碎，顆粒表面因濕化使摩擦系數(shù)降低［10］。濕化顆粒的這種高塑性特性更容易得到發(fā)揮，所以飽和試樣的峰值應(yīng)力偏低，且在高密度、高圍壓下，濕化顆粒更容易發(fā)生變形、滑移、破碎等，宏觀上表現(xiàn)為徑向應(yīng)變量、體積應(yīng)變量比干砂試樣小且速率低，維持剪縮的時(shí)間更長，如圖3所示。

3 結(jié)語

本文利用土工三軸試樣變形數(shù)字圖像測(cè)量系統(tǒng)，通過對(duì)工程中常見的粉砂材料進(jìn)行的三軸試驗(yàn)及模型參數(shù)分析，得出如下結(jié)論:1)根據(jù)粉砂在單調(diào)加載的三軸試驗(yàn)中應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線表現(xiàn)出的變形特性，可以把整個(gè)試驗(yàn)過程分為三個(gè)階段來描述:a.初始加載小應(yīng)變范圍顆粒重排列階段，試樣整體變形表現(xiàn)為體積縮小，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系近似為彈性;b.顆粒體變形、破碎階段，試樣的變形表現(xiàn)出塑性變形形態(tài);c.軟化剪脹階段，試樣體積變形表現(xiàn)為剪脹。2)對(duì)于飽和試樣，由于孔隙水的作用，剪縮的現(xiàn)象更明顯，同種條件下飽和試樣維持剪縮的時(shí)間明顯高于干燥試樣。3)圍壓和密度對(duì)試樣體積變形的影響規(guī)律是圍壓越大剪縮維持的時(shí)間越長，密度越小剪縮效應(yīng)越明顯，其中密度的變化對(duì)試樣體積變化的影響要比圍壓明顯。

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