基于圖像測量的砂土制樣方法影響研究

莫顏保 郭 瑩*

(大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

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基于圖像測量的砂土制樣方法影響研究

莫顏保 郭 瑩*

(大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

基于全表面變形數字圖像測量技術，采用干裝法和濕裝法制成了天然河砂及標準砂試樣，并研究了兩種試樣在整個固結排水剪切(CD)試驗過程中的變形規律，結果表明：試樣在飽和、固結及剪切階段均因制樣方法的不同而表現出不同的力學特性；通過比較各個階段密實度的變化發現試樣密實度的變化并不是造成這種結果差異的主要原因。

砂土，測量系統，CD試驗，密實度

1 研究背景

因制樣方法的差異，試樣在加載時具有不同的力學反應特性：不同的抗剪強度參數、不同的各向異性程度和液化現象[1,2]。對于制樣方法的影響研究，由于測量技術和手段的限制，無法研究試樣在飽和及固結過程中的變形特性，只能從應力應變反應類型、抗剪強度指標、應力路徑及液化等差異方面探討。將全表面變形數字圖像測量系統運用于常規三軸試驗中，能夠實現土樣全表面高度和直徑的非接觸式直接測量并對試樣進行全程監測，適用于飽和及非飽和試樣，比常規三軸測量手段的測量結果更加精準與可靠[3]。

本文基于全表面變形數字圖像測量系統，采用干裝敲擊法和濕裝夯擊法制備疏松和密實的大連河砂以及密實的福建標準砂飽和試樣，進行靜力三軸固結排水剪切試驗，獲得了飽和、固結與排水剪切各階段的試樣變形的發展、密實度的變化，就制樣方法對砂土CD試驗各個過程的影響進行了研究。

2 試驗設備與方法

2.1 全表面變形數字圖像測量系統

測量系統主要由基于USB2.0/1394數據傳輸技術的CMOS攝像機、計算機和計算機圖像處理軟件組成。除此之外，在常規三軸試驗儀的基礎上對壓力室進行了改造。為了防止在圖像采集過程中外部光源對角點識別精度造成影響，特意加設了遮光罩，并將攝像機置于遮光罩內部。試驗裝置如圖1所示。

2.2 試驗土料與方法

試驗土料采用大連河砂和過0.5 mm標準篩的福建標準砂，基本參數如表1所示，根據GB 50007—2011建筑地基基礎設計規范將河砂定名為中砂，標準砂定名為細砂。采用干裝敲擊法(Dry Tapping，簡稱干裝法，DT)和濕裝夯擊法(Moist Tapping，簡稱濕裝法，MT)兩種制樣方法制成常規三軸試樣。干裝法制樣時，在三軸儀底座上將四份等質量烘干的砂土分層裝入對開承膜筒中，控制每層砂土的高度至最終成樣；濕裝法制樣時，在擊實筒中將加入等質量無氣水并攪拌均勻的四份砂土，分層夯實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γ軐嵍菵r分別為30%和70%，標準砂取70%，連續施加100 kPa，200 kPa，300 kPa圍壓并逐級固結穩定，最后在300 kPa圍壓條件下排水剪切，應變控制式加荷，剪切速率為0.16 mm/min。

表1 河砂和標準砂的基本參數

3 試驗結果與分析

3.1 試樣飽和與固結過程

無黏性土試樣從制備到排水剪切一般包括以下幾個步驟：1)采用某種制樣方法制備要求密實度的試樣；2)加20 kPa圍壓；3)以一定壓力通CO2，替換試樣內部的空氣；4)通無氣水至試樣飽和度達到95%以上；5)施加指定圍壓排水固結至穩定；6)采用一定速率排水剪切直至試樣破壞。全表面變形數字圖像測量系統可以實現上述過程2)～過程6)每個階段中試樣的變形測量。圖2為Dr=30%,70%的河砂及Dr=70%的標準砂在過程2)～過程5)中軸向應變εa、徑向應變εr及體應變εv隨時間t變化的曲線。其中，過程5)采用從20 kPa依次施加到100 kPa,200 kPa,300 kPa圍壓固結，每級圍壓下均固結穩定后再施加下一級圍壓。

圖2中可以看到，施加20 kPa圍壓和通CO2的過程中，試樣均有微小的體應變。其中，70%標準砂干裝樣表現出明顯的體脹趨勢。這種體脹趨勢主要是由于CO2通入試樣中產生輕微的徑向變形所引起的，對試樣的軸向變形沒有太大的影響。然而在通無氣水飽和階段，干裝樣和濕裝樣則表現出了不同的變形特性，表現為：河砂干裝樣在通水時刻應變有一個較明顯的突變，即試樣在無氣水和20 kPa圍壓條件下產生了壓縮變形，并隨著密度減小而增大；河砂濕裝樣在通水階段則沒有明顯的突變現象，但是隨著試樣逐漸飽和，體積產生了較小的膨脹，特別是密實的濕裝樣較明顯，應變主要發生在徑向，對軸向應變影響較??；標準砂干濕裝樣在飽和階段受無氣水的影響沒有河砂明顯，體應變在±0.1%左右，應變量很小。由試驗結果可知，對于河砂，干裝法并不可取。飽和階段無氣水對干裝樣的影響機制還有待進一步研究。

圖3為固結階段試樣在三個圍壓下徑向應變εr與軸向應變εa的關系曲線。其中，應變以試樣飽和后的狀態起算。試樣在各向等壓固結條件下，如果徑向應變εr與軸向應變εa相同，即試樣表現為各向同性性質，否則為各向異性性質。由圖3可知，因制樣方法的不同，兩種砂土表現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于干裝樣，但是，標準砂干裝樣的各向異性卻強于濕裝樣，不同砂土表現不同。砂土顆粒在外力條件下發生定向排列是形成土體各向異性的重要因素。對于純凈的標準砂來說，濕裝法制樣時由于水的影響使得顆粒難以定向排列，干裝法制樣時顆粒在重力的作用下，顆粒長軸更傾向于水平排列，表現出的各向異性比濕裝樣要強；但是對河砂來說，因其顆粒性狀與顆粒級配不同于標準砂，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準砂的原因。

3.2 試樣剪切過程

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

3.3 原因分析

主要考慮試樣密實度的變化。表2給出了各試樣在過程2)～過程5)中相對密實度的變化。由表2可見，各個過程對試樣的密實度有不同程度的影響：過程2)施加初始20 kPa圍壓和過程3)通加CO2這兩個過程對試樣的密實度幾乎沒有影響，密實度的變化都很??；過程4)通水過程只對疏松河砂干裝樣的密實度影響比較明顯，飽和后的相對密實度提高到了38.07%，試樣由疏松變為中密，而疏松狀態的河砂濕裝樣密實度幾乎沒變，說明制備疏松的河砂試樣，干裝法并不可取。在過程5)固結過程結束后，疏松和密實的河砂試樣在剪切前干裝樣均比濕裝樣要密實很多，這是河砂干裝樣的應力峰值高于濕裝樣的一個原因。與河砂不同，固結后標準砂干裝樣的密實度低于濕裝樣，但是干裝樣的應力峰值依然高于濕裝樣，并且后期剪切帶的發育程度也不相同。因此，固結后的密實度并不是唯一決定干裝樣和濕裝樣力學特性差異的原因。這與采用靜力三軸儀研究原狀與重塑粉土固結不排水剪切特性的結論[4]相同，其將產生試驗結果差異的原因歸結于試樣結構的不同。

表2 過程2)～過程5)中試樣的相對密實度

4 結語

基于裝配了全表面變形數字圖像測量系統的靜力三軸儀，研究了密實、疏松兩種狀態的飽和河砂及密實的飽和標準砂在飽和、固結和排水剪切試驗各個階段試樣的變形發展和密實度變化，得出主要結論如下：1)試驗過程中的飽和階段和固結階段都會對試樣的變形和密實度產生影響，其程度因砂土類型和制樣方法而異。其中，通無氣水飽和過程對干裝天然河砂疏松試樣影響較大，建議謹慎選用干裝法制備疏松的河砂試樣。2)試樣飽和過程以及固結后密實度的變化并不是導致干裝樣和濕裝樣剪切特性差異的主要原因，應該與試樣內部結構特征有關。

[1] 郭 瑩,高軍程.初始成樣含水率對飽和細砂固結與剪切過程的影響[J].防災減災工程學報,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,邵龍潭,郭曉霞.土工三軸試驗試樣全表面變形數字圖像測量系統的精度分析[J].巖石力學與工程學報,2012,31(S1):2881-2887.

[4] 郭 瑩,王躍新.原狀與重塑粉土固結不排水剪切特性的對比試驗[J].水利學報,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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