成樣方法對砂土CU剪切特性影響

韓 杰 郭 瑩,2

(1.大連理工大學建設工程學部土木工程學院巖土工程研究所，遼寧 大連 116024；

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成樣方法對砂土CU剪切特性影響

韓 杰1郭 瑩1,2*

(1.大連理工大學建設工程學部土木工程學院巖土工程研究所，遼寧 大連 116024；

2.大連理工大學海岸和近海工程國家重點試驗室，遼寧 大連 116024)

采用干裝敲擊法與濕裝夯擊法兩種成樣方法，制備了三種典型砂土的中密狀態飽和試樣，并利用應變控制式靜力三軸儀進行固結不排水剪切實驗，比較分析了成樣方法對各砂土應力應變關系及抗剪強度指標的影響，實驗結果表明：成樣方法對試樣的應力應變關系及抗剪強度指標有顯著影響，但成樣方法對不同砂土影響程度不同。

砂土,成樣方法,CU實驗,抗剪強度

1 研究背景

室內制樣的方法、程序會使砂土形成不同的或特有的結構性，這對砂土的力學性質有明顯影響。Vaid等[1]在對40%密實度的Fraser River砂的固結不排水常規三軸壓縮/拉伸實驗中發現：在相同實驗條件下，水下沉積法所成樣在剪切過程中呈剪脹趨勢，而濕裝夯擊法所成樣則表現出體縮趨勢及液化現象。Wood等[2]在對含粉粒的Nevada砂進行詳盡的實驗研究后發現：固結不排水三軸剪切實驗中，相同實驗條件下，中密區間(54%～65%密實度)的砂樣由干裝漏斗灌入法所制備的會出現臨時液化現象，而由水下沉積法制備的試樣應力應變關系則表現穩定。

靜力三軸實驗是室內土工試驗的基礎之一，在砂土的力學特性研究中，不僅用來獲取抗剪強度指標及鄧肯—張模型參數，也用來進行砂土穩定性實驗研究[3]，在這類穩定性研究中，常采用濕裝夯擊法制備試樣并分析比較試樣的應力應變關系，但忽略了成樣方法對實驗結果的影響可能會使研究結論有較大偏差。因此考慮成樣方法的影響對靜力三軸的實驗研究具有重要參考價值。以往的研究僅針對某種砂土，本文對三種典型砂土進行實驗研究，以對成樣方法對固結不排水剪切實驗影響有一個較全面的分析，并就成樣方法對砂土試樣結構的影響進行探討。

2 實驗土料及實驗方法

實驗采用天然中砂、過0.5 mm篩的福建標準砂(細砂)和天然粉砂等三種類型砂土。表1為各砂土基本物理力學性質指標，圖1為各砂土的顆粒級配曲線。天然中砂的實驗結果來自文獻[4]。

表1 砂土的基本物理力學性質指標

采用干裝敲擊法(簡稱干裝法)及濕裝夯擊法(簡稱濕裝法)制樣，相對密實度均控制為50%，對應的成樣干密度見表1。按實驗要求：干裝樣制備直接在儀器上操作，將烘干土料分4等份逐次裝入到開承膜筒中，分層敲擊夯實到控制高度。濕裝夯擊法制樣時將烘干土料分為4份，控制含水率為8%，在每份干土中加入無氣水并攪拌均勻，將土料逐份放入擊實筒中夯實至控制高度成樣。

3 三軸實驗結果及分析

在100 kPa和300 kPa圍壓下，比較中砂的主應力差(σ1-σ3)與軸向應變εa、孔壓u與軸向應變εa以及q=(σ1-σ3)/2與p′=(σ1+σ3)/2的關系，實驗結果如圖2所示。由圖2a)可見，相同圍壓下干裝樣與濕裝樣的應力應變關系表現出明顯差異：干裝樣表現為應變硬化或弱應變軟化，濕裝樣表現為應變軟化。單從峰值主應力差的大小來看，干裝樣的強度遠高于濕裝樣。干裝樣與濕裝樣的明顯差別也可以從圖2b)看出：相同圍壓的干裝樣在開始孔壓為正，表現為剪縮，達到峰值后孔壓降低甚至為負，表現為剪脹；相反濕裝樣在整個剪切過程中孔壓均為正值表現出較強的剪縮性。100 kPa圍壓濕裝樣的孔壓最大值趨近100 kPa，致使有效圍壓幾乎為零，同時主應力差幾乎為零，出現完全液化現象。圖2c)的應力路徑的結果對比，也能看出干裝樣和濕裝樣結果的差異，但兩者獲得的破壞線斜率差異并不大。

在100 kPa和300 kPa圍壓下，比較細砂的(σ1-σ3)—εa，u—εa以及q—p′關系的實驗結果如圖3所示。從圖3a)可以看出，相同圍壓實驗中，干裝樣與濕裝樣的應力應變關系均表現為弱應變軟化，但就峰值主應力差的大小比較，干裝樣的結果依然高于濕裝樣。從圖3b)可以看出：相同圍壓的干裝樣與濕裝樣均表現出強烈的剪脹性：剪切開始后，孔壓小幅上升迅速到達峰值，之后隨應變增加孔壓顯著下降至負值并很快趨于穩定，孔壓趨于穩定開始主應力差達到峰值，這種強烈的剪脹現象與黃博等[5]在密實狀態砂土的固結不排水剪切實驗中所得結果類似。圖3c)對比看，干裝樣和濕裝樣的應力路徑的結果差異并不大，破壞線斜率差異也不大。在100 kPa和300 kPa圍壓下，比較粉砂的(σ1-σ3)—εa，u—εa以及q—p′關系的實驗結果如圖4所示。從圖4a)看出，干裝樣與濕裝樣的應力—應變關系差異相當巨大：相同圍壓條件下，干裝樣表現為弱應變軟化，濕裝樣表現為應變軟化并出現完全液化現象，干裝樣的峰值主應力差遠遠高于濕裝樣的結果。從圖4b)可見，相同圍壓時，干裝樣在剪切過程中表現出先剪縮后剪脹，濕裝樣則表現出明顯的剪縮性。濕裝樣的孔壓最大值逼近圍壓,出現完全液化現象。圖4c)的對比也能看出干裝樣和濕裝樣應力路徑存在明顯差異，但破壞線斜率的差異依然不大。成樣方法對不同種類的砂土的固結不排水剪切試驗結果影響程度并不完全一致：相對而言，中砂及粉砂的實驗結果的規律比較一致，但細砂的實驗結果與中砂和細砂的結果差異明顯，細砂的干裝樣與濕裝樣的實驗結果差別明顯較小：相同圍壓下，干裝樣與濕裝樣均表現出弱應變硬化和剪脹。

4 結語

利用應變控制式靜力三軸儀，針對三種常見典型砂土采用干裝敲擊法及濕裝夯擊法兩種成樣方法制備的50%密實度飽和試樣進行固結不排水剪切實驗，獲得如下結論：1)成樣方法對三種砂土的固結不排水剪切實驗結果有顯著影響：干裝樣的結果基本一致，表現明顯的剪脹性；濕裝樣的結果不一致：細砂依然剪脹，中砂和粉砂明顯剪縮且均出現靜態液化現象。相同實驗條件下干裝樣與濕裝樣的應力應變曲線形狀明顯不同，并且干裝樣的峰值主應力差明顯高于濕裝樣的。實驗所用三種砂土由干裝法所成樣的有效抗剪強度指標明顯高于由濕裝法所成樣。2)成樣方法對不同砂土的固結不排水剪切試驗結果影響程度并不完全一致：中砂及粉砂的實驗結果差異更加顯著，細砂在相同圍壓下干裝樣與濕裝樣的實驗結果差別明顯較小。

[1] Vaid Y P,Sivathayalan S,Stedman D.Influence of specimen-reconstituting method on the undrained response of sand[J].Geotechnical Testing Journal,1999,22(3):187-195.

[2] Wood F M,Yamamuro J A,Lade P V.Effect of depositional method on the undrained response of silty sand[J].Canadian Geotechnical Journal,2008(45):1525-1537.

[3] 符新軍,趙仲輝.飽和粉砂不穩定性的實驗研究[J].巖土力學,2008,29(2):381-385.

[4] 郭 瑩,陳 珍.成樣方法對砂土靜力三軸固結不排水剪切實驗結果的影響[J].中國港灣建設,2010(2):30-34.

[5] 黃 博,汪清靜,凌道盛,等.飽和砂土三軸實驗中反壓設置與抗剪強度的研究[J].巖土工程學報,2012,34(7):1313-1319.

Influence of specimen-reconstituting method on Consolidation Un-drained shear characters of sands

Han Jie1Guo Ying1，2*

(1.InstituteofGeotechnicalEngineering,SchoolofCivilEngineering,

FacultyofInfrastructureEngineering,DalianUniversityofTechnology，Dalian116024，China;2.StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology，Dalian116024，China)

A set of Consolidated Un-drained triaxial tests were conducted on three kinds of sands prepared by dry-rapping method and moist-tapping method controlling the same density. The comparative analysis of stress-strain relationship and effective shear resistance index of specimens prepared by different methods show that specimen-reconstituting method have a significance impact on the stress-strain response and effective resistance index of sand, but the influence of specimen-reconstituting method differ by the type of sand.

sand, sample-reconstituting method, CU test, shear resistance

1009-6825(2016)16-0064-02

2016-03-24

韓 杰(1991- )，男，在讀碩士

郭 瑩(1963- )，女，博士，副教授

TU441.4

A