莫顏保 郭 瑩*

(大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

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基于圖像測(cè)量的砂土制樣方法影響研究

莫顏保 郭 瑩*

(大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

基于全表面變形數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)，采用干裝法和濕裝法制成了天然河砂及標(biāo)準(zhǔn)砂試樣，并研究了兩種試樣在整個(gè)固結(jié)排水剪切(CD)試驗(yàn)過(guò)程中的變形規(guī)律，結(jié)果表明：試樣在飽和、固結(jié)及剪切階段均因制樣方法的不同而表現(xiàn)出不同的力學(xué)特性；通過(guò)比較各個(gè)階段密實(shí)度的變化發(fā)現(xiàn)試樣密實(shí)度的變化并不是造成這種結(jié)果差異的主要原因。

砂土，測(cè)量系統(tǒng)，CD試驗(yàn)，密實(shí)度

1 研究背景

因制樣方法的差異，試樣在加載時(shí)具有不同的力學(xué)反應(yīng)特性：不同的抗剪強(qiáng)度參數(shù)、不同的各向異性程度和液化現(xiàn)象[1,2]。對(duì)于制樣方法的影響研究，由于測(cè)量技術(shù)和手段的限制，無(wú)法研究試樣在飽和及固結(jié)過(guò)程中的變形特性，只能從應(yīng)力應(yīng)變反應(yīng)類(lèi)型、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、應(yīng)力路徑及液化等差異方面探討。將全表面變形數(shù)字圖像測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)用于常規(guī)三軸試驗(yàn)中，能夠?qū)崿F(xiàn)土樣全表面高度和直徑的非接觸式直接測(cè)量并對(duì)試樣進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，適用于飽和及非飽和試樣，比常規(guī)三軸測(cè)量手段的測(cè)量結(jié)果更加精準(zhǔn)與可靠[3]。

本文基于全表面變形數(shù)字圖像測(cè)量系統(tǒng)，采用干裝敲擊法和濕裝夯擊法制備疏松和密實(shí)的大連河砂以及密實(shí)的福建標(biāo)準(zhǔn)砂飽和試樣，進(jìn)行靜力三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，獲得了飽和、固結(jié)與排水剪切各階段的試樣變形的發(fā)展、密實(shí)度的變化，就制樣方法對(duì)砂土CD試驗(yàn)各個(gè)過(guò)程的影響進(jìn)行了研究。

2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

2.1 全表面變形數(shù)字圖像測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)主要由基于USB2.0/1394數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的CMOS攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)圖像處理軟件組成。除此之外，在常規(guī)三軸試驗(yàn)儀的基礎(chǔ)上對(duì)壓力室進(jìn)行了改造。為了防止在圖像采集過(guò)程中外部光源對(duì)角點(diǎn)識(shí)別精度造成影響，特意加設(shè)了遮光罩，并將攝像機(jī)置于遮光罩內(nèi)部。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

2.2 試驗(yàn)土料與方法

試驗(yàn)土料采用大連河砂和過(guò)0.5 mm標(biāo)準(zhǔn)篩的福建標(biāo)準(zhǔn)砂，基本參數(shù)如表1所示，根據(jù)GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范將河砂定名為中砂，標(biāo)準(zhǔn)砂定名為細(xì)砂。采用干裝敲擊法(Dry Tapping，簡(jiǎn)稱(chēng)干裝法，DT)和濕裝夯擊法(Moist Tapping，簡(jiǎn)稱(chēng)濕裝法，MT)兩種制樣方法制成常規(guī)三軸試樣。干裝法制樣時(shí)，在三軸儀底座上將四份等質(zhì)量烘干的砂土分層裝入對(duì)開(kāi)承膜筒中，控制每層砂土的高度至最終成樣；濕裝法制樣時(shí)，在擊實(shí)筒中將加入等質(zhì)量無(wú)氣水并攪拌均勻的四份砂土，分層夯實(shí)到指定高度至最終制成具有一定初始含水率的濕裝樣?？刂坪由跋鄬?duì)密實(shí)度Dr分別為30%和70%，標(biāo)準(zhǔn)砂取70%，連續(xù)施加100 kPa，200 kPa，300 kPa圍壓并逐級(jí)固結(jié)穩(wěn)定，最后在300 kPa圍壓條件下排水剪切，應(yīng)變控制式加荷，剪切速率為0.16 mm/min。

表1 河砂和標(biāo)準(zhǔn)砂的基本參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試樣飽和與固結(jié)過(guò)程

無(wú)黏性土試樣從制備到排水剪切一般包括以下幾個(gè)步驟：1)采用某種制樣方法制備要求密實(shí)度的試樣；2)加20 kPa圍壓；3)以一定壓力通CO2，替換試樣內(nèi)部的空氣；4)通無(wú)氣水至試樣飽和度達(dá)到95%以上；5)施加指定圍壓排水固結(jié)至穩(wěn)定；6)采用一定速率排水剪切直至試樣破壞。全表面變形數(shù)字圖像測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程2)～過(guò)程6)每個(gè)階段中試樣的變形測(cè)量。圖2為Dr=30%,70%的河砂及Dr=70%的標(biāo)準(zhǔn)砂在過(guò)程2)～過(guò)程5)中軸向應(yīng)變?chǔ)臿、徑向應(yīng)變?chǔ)舝及體應(yīng)變?chǔ)舦隨時(shí)間t變化的曲線。其中，過(guò)程5)采用從20 kPa依次施加到100 kPa,200 kPa,300 kPa圍壓固結(jié)，每級(jí)圍壓下均固結(jié)穩(wěn)定后再施加下一級(jí)圍壓。

圖2中可以看到，施加20 kPa圍壓和通CO2的過(guò)程中，試樣均有微小的體應(yīng)變。其中，70%標(biāo)準(zhǔn)砂干裝樣表現(xiàn)出明顯的體脹趨勢(shì)。這種體脹趨勢(shì)主要是由于CO2通入試樣中產(chǎn)生輕微的徑向變形所引起的，對(duì)試樣的軸向變形沒(méi)有太大的影響。然而在通無(wú)氣水飽和階段，干裝樣和濕裝樣則表現(xiàn)出了不同的變形特性，表現(xiàn)為：河砂干裝樣在通水時(shí)刻應(yīng)變有一個(gè)較明顯的突變，即試樣在無(wú)氣水和20 kPa圍壓條件下產(chǎn)生了壓縮變形，并隨著密度減小而增大；河砂濕裝樣在通水階段則沒(méi)有明顯的突變現(xiàn)象，但是隨著試樣逐漸飽和，體積產(chǎn)生了較小的膨脹，特別是密實(shí)的濕裝樣較明顯，應(yīng)變主要發(fā)生在徑向，對(duì)軸向應(yīng)變影響較?。粯?biāo)準(zhǔn)砂干濕裝樣在飽和階段受無(wú)氣水的影響沒(méi)有河砂明顯，體應(yīng)變?cè)凇?.1%左右，應(yīng)變量很小。由試驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)于河砂，干裝法并不可取。飽和階段無(wú)氣水對(duì)干裝樣的影響機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

圖3為固結(jié)階段試樣在三個(gè)圍壓下徑向應(yīng)變?chǔ)舝與軸向應(yīng)變?chǔ)臿的關(guān)系曲線。其中，應(yīng)變以試樣飽和后的狀態(tài)起算。試樣在各向等壓固結(jié)條件下，如果徑向應(yīng)變?chǔ)舝與軸向應(yīng)變?chǔ)臿相同，即試樣表現(xiàn)為各向同性性質(zhì)，否則為各向異性性質(zhì)。由圖3可知，因制樣方法的不同，兩種砂土表現(xiàn)出了不同程度的初始各向異性，即：河砂濕裝樣的各向異性強(qiáng)于干裝樣，但是，標(biāo)準(zhǔn)砂干裝樣的各向異性卻強(qiáng)于濕裝樣，不同砂土表現(xiàn)不同。砂土顆粒在外力條件下發(fā)生定向排列是形成土體各向異性的重要因素。對(duì)于純凈的標(biāo)準(zhǔn)砂來(lái)說(shuō)，濕裝法制樣時(shí)由于水的影響使得顆粒難以定向排列，干裝法制樣時(shí)顆粒在重力的作用下，顆粒長(zhǎng)軸更傾向于水平排列，表現(xiàn)出的各向異性比濕裝樣要強(qiáng)；但是對(duì)河砂來(lái)說(shuō)，因其顆粒性狀與顆粒級(jí)配不同于標(biāo)準(zhǔn)砂，這有可能是除了重力和水等因素外河砂干濕裝樣各向異性特征有別于標(biāo)準(zhǔn)砂的原因。

3.2 試樣剪切過(guò)程

所有河砂試樣在剪切過(guò)程中均為鼓脹破壞，由圖4a)可見(jiàn)，在300 kPa圍壓下，干裝樣和濕裝樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系有很大差異。密實(shí)的河砂干裝樣比濕裝樣表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，而疏松的河砂干裝樣和濕裝樣均表現(xiàn)出應(yīng)變硬化現(xiàn)象，并且干裝樣的峰值應(yīng)力要高于相同初始密實(shí)度的濕裝樣。標(biāo)準(zhǔn)砂在剪切過(guò)程中因制樣方法的影響卻沒(méi)有河砂試樣明顯：在剪切初期，干裝樣和濕裝樣的偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變的變化基本一致，見(jiàn)圖4b)；在剪切后期，干裝樣和濕裝樣均出現(xiàn)剪切帶，其中干裝樣的剪切帶發(fā)育情況比濕裝樣更完全。

3.3 原因分析

主要考慮試樣密實(shí)度的變化。表2給出了各試樣在過(guò)程2)～過(guò)程5)中相對(duì)密實(shí)度的變化。由表2可見(jiàn)，各個(gè)過(guò)程對(duì)試樣的密實(shí)度有不同程度的影響：過(guò)程2)施加初始20 kPa圍壓和過(guò)程3)通加CO2這兩個(gè)過(guò)程對(duì)試樣的密實(shí)度幾乎沒(méi)有影響，密實(shí)度的變化都很?。贿^(guò)程4)通水過(guò)程只對(duì)疏松河砂干裝樣的密實(shí)度影響比較明顯，飽和后的相對(duì)密實(shí)度提高到了38.07%，試樣由疏松變?yōu)橹忻?，而疏松狀態(tài)的河砂濕裝樣密實(shí)度幾乎沒(méi)變，說(shuō)明制備疏松的河砂試樣，干裝法并不可取。在過(guò)程5)固結(jié)過(guò)程結(jié)束后，疏松和密實(shí)的河砂試樣在剪切前干裝樣均比濕裝樣要密實(shí)很多，這是河砂干裝樣的應(yīng)力峰值高于濕裝樣的一個(gè)原因。與河砂不同，固結(jié)后標(biāo)準(zhǔn)砂干裝樣的密實(shí)度低于濕裝樣，但是干裝樣的應(yīng)力峰值依然高于濕裝樣，并且后期剪切帶的發(fā)育程度也不相同。因此，固結(jié)后的密實(shí)度并不是唯一決定干裝樣和濕裝樣力學(xué)特性差異的原因。這與采用靜力三軸儀研究原狀與重塑粉土固結(jié)不排水剪切特性的結(jié)論[4]相同，其將產(chǎn)生試驗(yàn)結(jié)果差異的原因歸結(jié)于試樣結(jié)構(gòu)的不同。

表2 過(guò)程2)～過(guò)程5)中試樣的相對(duì)密實(shí)度

4 結(jié)語(yǔ)

基于裝配了全表面變形數(shù)字圖像測(cè)量系統(tǒng)的靜力三軸儀，研究了密實(shí)、疏松兩種狀態(tài)的飽和河砂及密實(shí)的飽和標(biāo)準(zhǔn)砂在飽和、固結(jié)和排水剪切試驗(yàn)各個(gè)階段試樣的變形發(fā)展和密實(shí)度變化，得出主要結(jié)論如下：1)試驗(yàn)過(guò)程中的飽和階段和固結(jié)階段都會(huì)對(duì)試樣的變形和密實(shí)度產(chǎn)生影響，其程度因砂土類(lèi)型和制樣方法而異。其中，通無(wú)氣水飽和過(guò)程對(duì)干裝天然河砂疏松試樣影響較大，建議謹(jǐn)慎選用干裝法制備疏松的河砂試樣。2)試樣飽和過(guò)程以及固結(jié)后密實(shí)度的變化并不是導(dǎo)致干裝樣和濕裝樣剪切特性差異的主要原因，應(yīng)該與試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。

[1] 郭 瑩,高軍程.初始成樣含水率對(duì)飽和細(xì)砂固結(jié)與剪切過(guò)程的影響[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),2013,33(5):510-516.

[2] Vincent B, Gregorio De. Loading systems, sample preparation, and liquefaction[J]. Journal of Geotechnical Engineering,1990,116(5):805-821.

[3] 劉 瀟,邵龍?zhí)?郭曉霞.土工三軸試驗(yàn)試樣全表面變形數(shù)字圖像測(cè)量系統(tǒng)的精度分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(S1):2881-2887.

[4] 郭 瑩,王躍新.原狀與重塑粉土固結(jié)不排水剪切特性的對(duì)比試驗(yàn)[J].水利學(xué)報(bào),2011,42(1):68-75.

Study on the influence of sample preparation on image measuring system of sand

Mo Yanbao Guo Ying*

(StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

Deformation in the process of Consolidation Drained shear(CD) test of the nature river sand and standard sand in various densities which made by Dry Tapping and Moist Tamping method has been studied by the whole-surface digital image measuring system. Results reveal that the specimens show the different mechanical properties by different sample preparation methods in the stage of saturated, consolidation and shear, the change of the density occurred in all the stages can’t be the main reason.

sand, measuring system, CD test, density

1009-6825(2017)10-0070-03

2017-01-21

莫顏保(1991- )，男，在讀碩士

郭 瑩(1963- )，女，博士，副教授

TU441.4

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