標準砂冷凍法制樣試驗研究

劉忠　宋力　高玉琴　常芳芳　楊小平

摘要：為了科學評價黃河中下游地區砂土的力學性能，選擇砂粒組中的標準砂力學性能指標為參考標準，對其進行一系列三軸固結排水剪切試驗，研究了冷凍法制樣和濕裝法制樣對標準砂應力應變關系和抗剪強度指標的影響。結果表明：①無論采用冷凍法制樣還是采用濕裝法制樣，標準砂試樣的主應力差都隨相對密度的增大呈增大趨勢，其應力應變關系曲線從硬化型過渡到軟化型。②對于疏松狀態的標準砂，軸向應變不大于5%時，濕裝法制備試樣的主應力差大于冷凍法的;對于密實狀態的標準砂，軸向應變不大于6%時，濕裝法制備試樣的主應力差小于冷凍法的;但隨著軸向應變的增大，二者強度趨于一致。③兩種制樣方法制備的試樣，其內摩擦角均隨相對密度的增大而增大，不同方法制備試樣的內摩擦角相差不大。④對于疏松狀態的標準砂采用濕裝法制備試樣，在裝樣過程中易受到擾動，導致其峰值強度高于冷凍法的，處于密實狀態的標準砂采用濕裝法制備試樣，裝樣時對其擾動較少，但其峰值強度低于冷凍法制備試樣的，因此對于疏松狀態的標準砂建議采用冷凍法制樣，且在動三軸試驗儀器上進行常規三軸試驗，以盡量減少裝樣對試樣的擾動。

關鍵詞：標準砂;冷凍法;三軸固結排水剪切試驗;相對密度

中圖分類號：TV14I;TV882.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2019.03.027

黃河是世界上著名的多沙河流，不同河段地質地貌的差異及水流挾沙能力隨流速的變化導致泥沙出現部分沉積，形成具有成層、分片且顆粒分布極不均勻等特點的土層[1]。中下游地區，隨著黃河河道的改道和擺動，該特征更為顯著，造成砂土力學性能評價非常困難，因此選擇砂粒組中的標準砂力學性能指標作為該特征土層的參考評價標準。

目前，室內三軸試驗砂土試樣的制備常采用干裝法和濕裝法，干裝法指逐層裝入烘干砂土、控制制樣密度，濕裝法指控制一定含水率并攪拌均勻再逐層裝入潮濕砂土進行擊實成樣[2-3]。對于疏松和中密狀態砂土，采用干裝法易出現制樣高度小于試驗要求的試樣高度的現象[4-6]。濕裝法雖然容易控制試樣高度，但對于標準砂，脫模時試樣外觀損失嚴重不易保證成樣形狀[7]，且在套橡皮膜的過程中試樣易坍塌。無論是采用干裝法還是濕裝法制備試樣，在裝樣時都易對試樣產生擾動。

鑒于上述制樣方法的不足，可采用冷凍法制備砂土試樣。該方法較易控制試樣高度，可以保證試樣成形、減少拆模時的質量損失和試樣倒塌，尤其是可以最大限度減少裝樣造成的擾動。筆者通過常規三軸固結排水剪切試驗，研究冷凍法試樣的應力應變關系及抗剪強度指標，并在此基礎上與濕裝法制備試樣的試驗結果進行對比分析，研究了不同相對密度條件下制樣方法對試驗結果的影響。

1 室內三軸試驗

1.1 試驗儀器及土料特性

采用小型電液伺服土動力三軸試驗儀自動采集試驗數據，由于該設備上壓頭固定在反力架上且助動器的活塞桿僅能豎向運動，因此可有效減少安裝試樣綁扎橡皮膜時對土樣的擾動（見圖1）。采用該儀器對砂土試樣進行三軸固結排水剪切試驗（簡稱CD試驗）。

試驗用砂為ISO標準砂（中級砂，粒徑0.5 - 1.0mm）（簡稱標準砂）。該標準砂的最大干密度Pdmax=1.705 g/cm³，最小干密度Pdmin=1.407 g/cm³，相對體積質量G_{s<！--？/sup-->=2.65。試樣采用煮沸后的標準砂制備，試樣直徑3.91 cm，高度8.0 cm。對三種相對密度DT=30%、50%、75%的砂土試樣進行CD試驗，對應的干密度分別為1.485、1.541、1.619 g/cm³。}

1.2 制樣

根據試驗要求的試樣相對密度和體積稱取所需風干標準砂質量，分別采用濕裝法和冷凍法制備試樣。濕裝法成樣步驟：將4等分的烘干土樣分別加入適量蒸餾水攪拌均勻，分4層放人套有橡皮膜的擊實筒（擊實筒內徑39.5 mm），橡皮膜兩端翻出筒外，夯實到指定高度，然后裝樣加載。冷凍法成樣步驟：將4等分的烘干土樣分別加入適量蒸餾水攪拌均勻，分4層放人三開模夯實到指定高度，制好的試樣放人-20℃冰箱冷凍24 h后備用。

試樣實際尺寸和密度見表1。從表1可以看出，相同密實度和圍壓條件下，冷凍法制備試樣密度與濕裝法制備試樣密度相差不超過0.03 g/cm³。冷凍法拆除三開模后模內壁粘砂的質量均不超過1.0 9，試樣完整程度及三開模內壁粘砂情況見圖2。

1.3 試樣飽和

試樣安裝好后對其直徑進行測量。為使試樣充分飽和，采用先通CO，和蒸餾水再施加反壓的方法對試樣進行飽和。將冷凍后的試樣安裝完成后，施加圍壓20 kPa.通CO，壓力不超過5 kPa，時間為1-2 h。緩慢降低圍壓，同時從上排水管抽真空，在20 kPa負壓下從試樣底部通人蒸餾水，抽氣通水時間一般為2h。此時試樣孔隙水壓力系數B為0.92 - 0.95。由于砂土在排水剪切（固結排水）條件下，應力應變關系與反壓設定值基本無關[8-9]，因此采用反壓等于零的固結排水剪切試驗。

1.4 試驗方案

在試樣各向等壓固結后進行排水剪切試驗，軸向變形控制剪切速率為0.16 mm/min。試驗中各試樣的相對密度、圍壓、制樣方法見表1。

2 試驗結果及分析

2.1 不同制樣方法標準砂應力應變關系

（1）相同相對密度，不同圍壓。相對密度D，=300-/0、50%、75%的標準砂在不同圍壓條件下的主應力差（σ1 -σ3）一軸向應變ε1關系曲線見圖3。從圖3可以看出，軸向應變ε1≤5%時，相對密度D_r=30%的標準砂，濕裝法制備試樣的主應力差高于冷凍法的，軸向應變ε1>5%時，兩者的主應力差基本相同;相對密度D_r= 50%的標準砂，濕裝法制備試樣的主應力差與冷凍法的相差不大;軸向應變81≤6%時，相對密度D_r=75%的標準砂，冷凍法制備試樣的主應力差高于濕裝法的，軸向應變ε1>6%時，兩者的主應力差相差不大。

（2）相同圍壓，不同相對密度。為了進一步分析制樣方法對標準砂的影響，給出了相對密度D_r為30%、50%、75%的試樣在相同圍壓下的（σ1 -σ3）—ε1關系曲線，見圖4。從圖4可以看出，無論是采用冷凍法還是濕裝法制樣，試樣應力一應變關系曲線均從硬化型過渡到軟化型。相同圍壓下，隨著相對密度D.的增大，冷凍法制樣的試樣強度逐漸大于濕裝法制樣的試樣強度，但破壞時的殘余強度趨于一致。

2.2 不同制樣方法抗剪強度指標對比

采用常規三軸固結排水剪切試驗對比分析不同制樣方法對抗剪強度指標的影響，見表2。由表2可以看出：無論冷凍法制樣還是濕裝法制樣，其內摩擦角均隨相對密度的增大而增大;標準砂處于疏松狀態（相對密度D_r= 30%）時，冷凍法制備試樣的內摩擦角略大于濕裝法的;標準砂處于中密狀態（相對密度D_r=50%）時，兩種制樣方法試樣的內摩擦角相同;標準砂處于密實狀態（相對密度D_r= 75%）時，濕裝法制備試樣的內摩擦角大于冷凍法的，但二者的內摩擦角比較接近。

3 結論

采用常規三軸固結排水剪切試驗，對比分析不同制樣方法對試驗結果的影響，結論如下：

（1）軸向應變ε1≤5%且相對密度D_r=30%的標準砂，濕裝法制備試樣的主應力差大于冷凍法的，主要原因是濕裝法制備疏松試樣在裝樣過程中更易受到擾動，引起試樣高度減小，導致其峰值強度高于冷凍法制備試樣的峰值強度。因此，建議疏松狀態標準砂試樣制備采用冷凍法。

（2）對于密實狀態的標準砂，軸向應變不大于6%時，冷凍法制備試樣的主應力差大于濕裝法的;軸向應變持續增大時，兩種制樣方法制備試樣的主應力差和殘余強度趨于相同。

（3）無論是冷凍法制備試樣還是濕裝法制備試樣，內摩擦角均隨著相對密度的增大而增大，且二者的內摩擦角比較接近。

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