砂-粉混合料不排水剪切相變強度特性試驗研究

摘要：

砂-粉混合料是海岸工程建設中較為常見的巖土介質，其力學特性的研究對于海堤、防波堤等海岸防護工程的建設具有重要意義。其中相對密度（Dr）和細粒含量（CF）對砂-粉混合料相變特性的影響仍需深入討論。利用GDS靜三軸儀，開展了一系列不同相對密度和細粒含量的砂-粉混合料固結不排水剪切試驗。結果表明：Dr對砂-粉混合料相變狀態時的孔隙水壓力ue、相變強度SPT以及相變有效內摩擦角φ′ PT的影響較為顯著；細粒含量對砂-粉混合料相變狀態時的ue、SPT影響同樣顯著，但對φ′ PT幾乎沒有影響。提出了引入復合密實狀態參數e×Dr來評價砂-粉混合料相變強度的方法，該方法展示出了較好的預測性，具有實際工程應用價值。

關" 鍵" 詞：

砂-粉混合料； 相變狀態； 相變角； 相變強度； 不排水剪切特性

中圖法分類號： TU411

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.01.025

收稿日期：2024-03-20；接受日期：2024-07-15

基金項目：

國家自然科學基金項目（52008206）

作者簡介：

吳彥燊，男，工程師，主要從事海洋軟弱土力學特性研究。E-mail：wuysh19@cosl.com.cn

通信作者：

吳" 琪，男，副教授，博士，博士生導師，主要從事海洋巖土動力特性研究。E-mail：qw09061801@163.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號：1001-4179（2025） 01-0187-06

引用本文：

吳彥燊，徐博遠，劉璐，等.砂-粉混合料不排水剪切相變強度特性試驗研究

［J］.人民長江，2025，56（1）：187-192.

0" 引 言

近年來，隨著海平面上升和海岸工程建設，海岸侵蝕現象加劇，防護壓力增加。在中國，大部分河流沖積平原和海灘均受到不同程度的侵蝕［1］。目前，中國海岸防護工程主要包括海堤工程、丁壩等硬性防護，及離岸潛堤和人工養灘等措施。砂-粉混合料廣泛分布于長江三角洲、渤海灣和南海等地區表層［2］，由砂類土和細粒土混合組成，是海岸工程建設中廣泛應用的巖土介質，其力學性質受密實度狀態、應力狀態、細粒含量、顆粒組構等影響［3］。根據多位學者以及實際地震案例調查發現，地震導致的液化不僅僅發生于純砂場地，砂-粉混合料也同樣會發生液化［4-6］，考慮砂-粉混合料由連續演變的顆粒組構及復雜的力學特性，開展不同組構的粗細粒混合土工程力學特性研究對海岸防護工程的抗震設計十分必要。

目前，已有不少學者對混合料的部分力學性質進行了研究。Xu等［7］使用CT三軸儀從微觀與宏觀的角度指出土石混合料物理力學特性十分復雜。Thevanayagam［8-11］指出粗細粒接觸狀態決定了混合料的力學性質。Hang等［12］基于理論最小孔隙比與試驗最小孔隙比建立了區分顆粒接觸狀態的方法。朱建群等［13］研究發現粉粒含量較少時，松砂出現了靜態液化現象，但隨著粉粒含量的增加，這種現象也隨之消失，同時粉粒含量的增加也使穩態線隨之向下移動。Rahmani等［14］發現混合料的臨界穩態線隨細粒含量增加時，先向下移動，再向上移動。吳琪［15-16］、朱雨萌［17］等研究發現隨著細粒含量的增加，混合料的小應變剪切模量Gmax、動強度CRR以及剪切波速Vs不會單調地發生變化。Wu［18］和Hang［19］等均指出基于孔隙比e無法統一表征混合料的Gmax。Chen等［20］采用等效骨架孔隙比統一表征混合料的CRR和Vs。由上述研究可知，隨著混合料的組構不斷發生變化，其物理、力學特性也會不斷發生變化。對于砂土有一個特殊的性質，即剪切過程中會發生剪脹。剪脹對實際工程建設影響顯著，目前常用狀態臨界線CSL來劃分砂土在剪應力作用下是發生剪縮還是發生剪脹，但有學者［21-23］提出這種判別方式存在一定的問題，不能很好地判斷中密砂的體變趨勢，故提出了使用相變狀態來劃分砂土的松密程度。所以無論是從試驗還是工程實際的角度來看，采用合理的量來統一表征相變狀態是一個具有研究價值的課題。

現有對于砂-粉混合料相變狀態的研究還較少，為此本文依托黃海一處離岸堤工程，重點考慮了相對密度（Dr）和細粒含量（CF）對于砂-粉混合料相變狀態影響，開展了一系列不同Dr和CF的砂-粉混合料固結不排水剪切試驗，探討了不同Dr和CF下應力路徑、相變強度以及相變有效內摩擦角的變化規律，以期為海岸防護堤壩的地基處理提供基礎理論支持。

1" 三軸固結不排水剪切試驗

1.1" 試驗儀器

試驗采用GDS靜三軸儀。該設備由三軸壓力室、壓力-體積控制器、數據采集系統以及計算機控制系統等部分組成。GDS靜三軸儀的控制器參數和傳感器量程、精度、偏差等主要技術指標如表1所列。

1.2" 試驗材料

試驗采用的砂-粉混合料取自黃海沿海灘涂的海相沉積砂類土，該砂類土的土粒比重Gs=2.70，最大孔隙比emax=1.29，最小孔隙比emin=0.63。該混合料掃描電鏡圖像如圖1所示。對原狀土進行烘干、篩分，土料烘干后呈灰色，松散、分選性好，顆粒呈不規則的多面體或六面體。篩分后，將粒徑在0.075～0.25 mm范圍內的顆粒作為純砂粒，將粒徑小于0.075 mm的顆粒作為純細粒。細粒的液限和塑限分別為30.75%和25.95%，其塑性指數Ip=5。將純砂粒與純細粒按照一定配比制備CF=0，10%，20%，30%，50%，70%，100%的混合料試樣，各組砂-粉混合料的物理屬性指標如表2所列，級配曲線見圖2。

1.3" 試驗方法與方案

試驗試樣為直徑50 mm、高100 mm實心圓柱樣。采用濕擊法裝樣，該方法多用于砂、粉砂和粉土試樣的制備，且可以較好地控制試樣的孔隙比。試樣總共分為4層裝樣，每層各粒組的質量需按級配配制，還需控制5 %的初始成樣含水率。

試樣的飽和分為3步：① 通15 min的CO2氣體；② 從試樣底部通入蒸餾水，直到排氣孔沒有小氣泡排出為止；③ 進行分級反壓飽和，利用孔壓系數B來判斷飽和的程度，以儀器顯示反壓體積的變化與時間關系確定孔壓系數，B高于0.97時可認為已處于完全飽和的狀態。對完全飽和的試樣進行均等固結，控制初始有效固結應力為100 kPa，待試樣平均應變率小于1×10-3 %/min時，固結完成。根據GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》［24］，固結不排水剪切試驗的剪切應變速率設為0.10%/min，直至軸向應變達到15%停止試驗。需要指出的是，實際海岸工程中，砂-粉混合料多分布在海床表面0～20 m深，因此，選擇100 kPa代表初始有效固結應力。

由于中密砂在剪切過程中會有著較為明顯的從剪縮到剪脹的相變轉變特性，Eslami等［25］將Dr為35%～65%的砂類土劃分為中密砂，李廣信等［26］將1/3＜Dr≤2/3的砂類土定為中密砂。因此為探討不同Dr和CF對砂-粉混合料固結不排水剪切特性的影響，對于CF相同的試樣，其Dr設定為35%，50%，60%；對于相同Dr的試樣，其CF設定為0，10%，20%，30%，50%，70%，100%。各組砂-粉混合料固結不排水剪切試驗工況詳見表3。

2" 試驗結果與分析

2.1" 典型試驗結果及應力路徑

圖3為砂-粉混合料固結不排水剪切試驗的典型應力-應變曲線、超靜孔壓-應變曲線以及應力路徑。由圖3（a）試驗結果可知，試驗所用砂-粉混合料的偏應力q隨著應變的增大而逐漸增大，應力應變發展均呈現為應變硬化型。由圖3（b）中可以觀察到砂-粉混合料在整個剪切過程中，超靜孔壓ue先增大再減小，試樣先發生剪縮再發生剪脹，且隨著Dr或CF的增大，剪脹趨勢更顯著。由圖3（c）可知，平均有效應力P′先減小再增大即ue先增大再減小，且砂-粉混合料伴隨著先剪縮后剪脹，這種有效應力路徑發生轉折的臨界狀態稱為相變狀態，相變狀態對應的q稱為相變強度SPT。同時相變狀態對應的有效內摩擦角稱為相變有效內摩擦角φ′ PT，計算公式如下：

φ′PT=arcsinσ′1-σ′3σ′1+σ′3（1）

式中：σ′1為有效大主應力，σ′3為有效小主應力。

圖4為砂-粉混合料不排水有效應力路徑。當Dr為定值，CF從0逐漸增大到100%，混合料達到相變狀態時的ue先增大再減小；當CF=30%時，各組ue達到最大值，為初始有效固結應力的31.9%～55.1%；當CF=100%時，各組ue達到最小值，其值為初始有效固結應力的14.6%～37.1%。該現象產生的原因可能是對于具有不同CF的混合料，都會存在一個閾值細粒含量CFth，當小于該閾值時，為類砂粒土；當大于該閾值時，為類細粒土。試驗所用的砂-粉混合料的粒徑比為2，根據Rahman等［27］提出的經驗公式確定砂類土CFth：

CFth=0.40×11+exp（α-β·χ）+1χ

（2）

式中：α和β的最佳擬合值分別取0.50和0.13；顆粒粒徑比χ=ds10/df50，其中ds10為砂粒有效粒徑，df50為細粒平均粒徑。該混合料的CFth大約為35 %。CF＜CFth時，砂粒充當骨架，細粒主要起到填充孔隙作用，小部分參與骨架傳力，隨著細粒含量的增大，砂粒間的摩擦減小，剪縮的趨勢隨之增大，導致ue增大；CF＞CFth時，

砂粒處于懸浮狀態，細粒充當骨架，隨著細粒含量的增大，細粒間的咬合更加緊密，剪縮的趨勢隨之減小，導致ue的減小。

綜上，3組在相同Dr下的砂-粉混合料ue隨著細粒含量的增大，呈現出了先增大再減少的規律。同時，隨著Dr的增大，ue逐漸減小，這主要與顆粒間的排列和接觸狀態有關。

2.2" 相變強度分析

圖5為不同細粒含量下的砂-粉混合料對應的相變強度SPT。當給定Dr時，混合料的SPT隨著細粒含量的增大呈現出了先減小后增大的規律。且均在CFth處出現最小值，最小值相較于CF=0時的SPT下降了23%～27%，相較于CF=100%時的SPT下降了19%～28%。當CF=0～35%時，混合料屬于類砂粒土，隨細粒含量的增加，組成骨架的砂粒減少，導致土結構強度的弱化，故相變強度有所下降；當CF=35%～100%時，混合料屬于類細粒土，隨著細粒含量的增加，組成骨架的細粒增加，土結構強度得到回升，故相變強度有所上升。不同Dr下，SPT均隨著細粒含量的增大而先下降再上升。這與吳琪等［16，28］給出的細粒含量對相同相對密度下的砂-粉混合料液化強度及小應變剪切模量的影響規律基本一致。同時可知，細粒含量不變，混合料SPT隨著相對密度的增大而增大。

圖6給出了砂-粉混合料SPT與孔隙比e的關系曲線。當細粒含量相同時，SPT隨e的增大而減小；當相對密度相同時，SPT與e沒有單一的相關性。SPT與e的相關性表明，對于相同細粒含量下的砂-粉混合料，e可以表征土體的密實程度。但對于相同相對密度、不同細粒含量下的砂-粉混合料，e不能表征細粒對骨架顆粒接觸狀態的影響，故e不能作為評價SPT的單一指標。

通過回歸分析的方法，引入了復合密實狀態參數e×Dr評價混合料的SPT，圖7為SPT與e×Dr的關系。由圖7可知，SPT隨e×Dr的增大而增大，且兩者有較強的相關性。因此，可建立混合料SPT預測方法：

SPT=a·e×Dr+b（3）

式中：a和b為擬合參數，其中a反映了e×Dr對SPT的影響程度。對于砂-粉混合料，a=185.6，b=-17.7，R2=0.893。

2.3" 相變有效內摩擦角

圖8給出了3組相對密度下，CF=0，10%，20%，30%，50%，70%及100%時所對應的φ′ PT。各組φ′ PT最大值出現在CFth處，最大值相較于CF=0時，φ′PT增大了0.09°～0.19°；相較于CF=100%時，φ′ PT增大0.17°～0.26°。由此可知，CF的變化對混合料的φ′ PT幾乎沒有影響。相較于細粒含量的影響，相對密度對φ′ PT的影響更顯著。以CF=50%為例，Dr =35%時φ′ PT約為24.12°；Dr =50%相比Dr =35%時的φ′ PT增大了1.14°；Dr =60%相比Dr =35%時的φ′ PT增大了1.97°。這主要是因為相對密度越大，砂-粉混合料越密實，顆粒間的咬合就越強，顆粒重排列、顆粒破碎就需要外力額外做功，因此提高了混合料的φ′ PT。

3" 結" 論

本文探討了不同相對密度和細粒含量對砂-粉混合料固結不排水的應力路徑、相變強度和相變有效內摩擦角的影響。主要結論如下：

（1） 當細粒含量固定，混合料達到相變狀態時的ue隨著相對密度的增大而減小，SPT隨著相對密度的增大而增大，φ′ PT隨著相對密度的增大而增大。

（2） 當相對密度固定，混合料達到相變狀態時的ue隨著細粒含量的增大而先增大再減小，SPT隨著細粒含量的增大先減小再增大，φ′ PT隨著細粒含量的增大基本保持不變。

（3） 通過回歸分析，引入了e×Dr評價砂-粉混合料的SPT。SPT隨e×Dr的增大而增大，且呈現出較好的預測性，可供實際工程建設參考。

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（編輯：鄭 毅）

Experimental study on undrained shear phase transition strength of sand-silt mixtures

WU Yanshen1，XU Boyuan1，LIU Lu1，BO Zhao2，WU Qi3

（1.China Oilfield Services Ltd.Marine Survey amp; Geotech Operating Company，Tianjin 300459，China；

2.Tianjin Branch of CNOOC Ltd.，Tianjin 300459，China；

3.Institute of Geotechnical Engineering，Nanjing Technology University，Nanjing 210009，China）

Abstract：

With the extensive application of sand-silt mixtures in engineering construction，studying its mechanical properties has significant meanings to construction of sea dykes and breakwater.Although there is a substantial researches on the mechanical properties of sand-silt mixtures，the effects of relative density （Dr） and fines content （CF） on the phase transition characteristics of sand-silt mixtures still require further investigation.Using the GDS static triaxial instrument，we carried out a series of consolidation undrained shear tests on the mixtures with different Dr and CF.It is found that Dr has a notable effect on the pore water pressure （ue），phase transition strength （SPT） and effective internal friction angle （φ′PT） in the phase transition state of the sand-silt mixtures；CF has a similarly significant effect on ue and SPT in the phase transition state of the sand-silt mixtures，but has almost no effect on the phase transition angle of the sand-silt mixtures.In addition，a composite compaction state parameter e×Dr was introduced to establish a method to evaluate the SPT of sand-silt mixtures.This method demonstrates a good predictive capability and has practical engineering application values.

Key words：

sand-silt mixtures； phase transition state； phase transition angle； phase transition strength； undrained shear characteristics