標(biāo)準(zhǔn)砂冷凍法制樣試驗(yàn)研究

劉忠　宋力　高玉琴　常芳芳　楊小平

摘要：為了科學(xué)評(píng)價(jià)黃河中下游地區(qū)砂土的力學(xué)性能，選擇砂粒組中的標(biāo)準(zhǔn)砂力學(xué)性能指標(biāo)為參考標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其進(jìn)行一系列三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，研究了冷凍法制樣和濕裝法制樣對(duì)標(biāo)準(zhǔn)砂應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響。結(jié)果表明：①無(wú)論采用冷凍法制樣還是采用濕裝法制樣，標(biāo)準(zhǔn)砂試樣的主應(yīng)力差都隨相對(duì)密度的增大呈增大趨勢(shì)，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線從硬化型過(guò)渡到軟化型。②對(duì)于疏松狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)砂，軸向應(yīng)變不大于5%時(shí)，濕裝法制備試樣的主應(yīng)力差大于冷凍法的;對(duì)于密實(shí)狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)砂，軸向應(yīng)變不大于6%時(shí)，濕裝法制備試樣的主應(yīng)力差小于冷凍法的;但隨著軸向應(yīng)變的增大，二者強(qiáng)度趨于一致。③兩種制樣方法制備的試樣，其內(nèi)摩擦角均隨相對(duì)密度的增大而增大，不同方法制備試樣的內(nèi)摩擦角相差不大。④對(duì)于疏松狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)砂采用濕裝法制備試樣，在裝樣過(guò)程中易受到擾動(dòng)，導(dǎo)致其峰值強(qiáng)度高于冷凍法的，處于密實(shí)狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)砂采用濕裝法制備試樣，裝樣時(shí)對(duì)其擾動(dòng)較少，但其峰值強(qiáng)度低于冷凍法制備試樣的，因此對(duì)于疏松狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)砂建議采用冷凍法制樣，且在動(dòng)三軸試驗(yàn)儀器上進(jìn)行常規(guī)三軸試驗(yàn)，以盡量減少裝樣對(duì)試樣的擾動(dòng)。

關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)砂;冷凍法;三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn);相對(duì)密度

中圖分類號(hào)：TV14I;TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)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(zhì)地貌的差異及水流挾沙能力隨流速的變化導(dǎo)致泥沙出現(xiàn)部分沉積，形成具有成層、分片且顆粒分布極不均勻等特點(diǎn)的土層[1]。中下游地區(qū)，隨著黃河河道的改道和擺動(dòng)，該特征更為顯著，造成砂土力學(xué)性能評(píng)價(jià)非常困難，因此選擇砂粒組中的標(biāo)準(zhǔn)砂力學(xué)性能指標(biāo)作為該特征土層的參考評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

目前，室內(nèi)三軸試驗(yàn)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(jìn)行擊實(shí)成樣[2-3]。對(duì)于疏松和中密狀態(tài)砂土，采用干裝法易出現(xiàn)制樣高度小于試驗(yàn)要求的試樣高度的現(xiàn)象[4-6]。濕裝法雖然容易控制試樣高度，但對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)砂，脫模時(shí)試樣外觀損失嚴(yán)重不易保證成樣形狀[7]，且在套橡皮膜的過(guò)程中試樣易坍塌。無(wú)論是采用干裝法還是濕裝法制備試樣，在裝樣時(shí)都易對(duì)試樣產(chǎn)生擾動(dòng)。

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(shí)的質(zhì)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(dòng)。筆者通過(guò)常規(guī)三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，研究冷凍法試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上與濕裝法制備試樣的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，研究了不同相對(duì)密度條件下制樣方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1 室內(nèi)三軸試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器及土料特性

采用小型電液伺服土動(dòng)力三軸試驗(yàn)儀自動(dòng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由于該設(shè)備上壓頭固定在反力架上且助動(dòng)器的活塞桿僅能豎向運(yùn)動(dòng)，因此可有效減少安裝試樣綁扎橡皮膜時(shí)對(duì)土樣的擾動(dòng)（見(jiàn)圖1）。采用該儀器對(duì)砂土試樣進(jìn)行三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)（簡(jiǎn)稱CD試驗(yàn)）。

試驗(yàn)用砂為ISO標(biāo)準(zhǔn)砂（中級(jí)砂，粒徑0.5 - 1.0mm）（簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)砂）。該標(biāo)準(zhǔn)砂的最大干密度Pdmax=1.705 g/cm³，最小干密度Pdmin=1.407 g/cm³，相對(duì)體積質(zhì)量G_{s<！--？/sup-->=2.65。試樣采用煮沸后的標(biāo)準(zhǔn)砂制備，試樣直徑3.91 cm，高度8.0 cm。對(duì)三種相對(duì)密度DT=30%、50%、75%的砂土試樣進(jìn)行CD試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)的干密度分別為1.485、1.541、1.619 g/cm³。}

1.2 制樣

根據(jù)試驗(yàn)要求的試樣相對(duì)密度和體積稱取所需風(fēng)干標(biāo)準(zhǔn)砂質(zhì)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?dāng)嚢杈鶆?，?層放人套有橡皮膜的擊實(shí)筒（擊實(shí)筒內(nèi)徑39.5 mm），橡皮膜兩端翻出筒外，夯實(shí)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?dāng)嚢杈鶆颍?層放人三開(kāi)模夯實(shí)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(shí)際尺寸和密度見(jiàn)表1。從表1可以看出，相同密實(shí)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(guò)0.03 g/cm³。冷凍法拆除三開(kāi)模后模內(nèi)壁粘砂的質(zhì)量均不超過(guò)1.0 9，試樣完整程度及三開(kāi)模內(nèi)壁粘砂情況見(jiàn)圖2。

1.3 試樣飽和

試樣安裝好后對(duì)其直徑進(jìn)行測(cè)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(duì)試樣進(jìn)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(guò)5 kPa，時(shí)間為1-2 h。緩慢降低圍壓，同時(shí)從上排水管抽真空，在20 kPa負(fù)壓下從試樣底部通人蒸餾水，抽氣通水時(shí)間一般為2h。此時(shí)試樣孔隙水壓力系數(shù)B為0.92 - 0.95。由于砂土在排水剪切（固結(jié)排水）條件下，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與反壓設(shè)定值基本無(wú)關(guān)[8-9]，因此采用反壓等于零的固結(jié)排水剪切試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)方案

在試樣各向等壓固結(jié)后進(jìn)行排水剪切試驗(yàn)，軸向變形控制剪切速率為0.16 mm/min。試驗(yàn)中各試樣的相對(duì)密度、圍壓、制樣方法見(jiàn)表1。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同制樣方法標(biāo)準(zhǔn)砂應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

（1）相同相對(duì)密度，不同圍壓。相對(duì)密度D，=300-/0、50%、75%的標(biāo)準(zhǔn)砂在不同圍壓條件下的主應(yīng)力差（σ1 -σ3）一軸向應(yīng)變?chǔ)?關(guān)系曲線見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，軸向應(yīng)變?chǔ)?≤5%時(shí)，相對(duì)密度D_r=30%的標(biāo)準(zhǔn)砂，濕裝法制備試樣的主應(yīng)力差高于冷凍法的，軸向應(yīng)變?chǔ)?>5%時(shí)，兩者的主應(yīng)力差基本相同;相對(duì)密度D_r= 50%的標(biāo)準(zhǔn)砂，濕裝法制備試樣的主應(yīng)力差與冷凍法的相差不大;軸向應(yīng)變81≤6%時(shí)，相對(duì)密度D_r=75%的標(biāo)準(zhǔn)砂，冷凍法制備試樣的主應(yīng)力差高于濕裝法的，軸向應(yīng)變?chǔ)?>6%時(shí)，兩者的主應(yīng)力差相差不大。

（2）相同圍壓，不同相對(duì)密度。為了進(jìn)一步分析制樣方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)砂的影響，給出了相對(duì)密度D_r為30%、50%、75%的試樣在相同圍壓下的（σ1 -σ3）—ε1關(guān)系曲線，見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，無(wú)論是采用冷凍法還是濕裝法制樣，試樣應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線均從硬化型過(guò)渡到軟化型。相同圍壓下，隨著相對(duì)密度D.的增大，冷凍法制樣的試樣強(qiáng)度逐漸大于濕裝法制樣的試樣強(qiáng)度，但破壞時(shí)的殘余強(qiáng)度趨于一致。

2.2 不同制樣方法抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比

采用常規(guī)三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)對(duì)比分析不同制樣方法對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響，見(jiàn)表2。由表2可以看出：無(wú)論冷凍法制樣還是濕裝法制樣，其內(nèi)摩擦角均隨相對(duì)密度的增大而增大;標(biāo)準(zhǔn)砂處于疏松狀態(tài)（相對(duì)密度D_r= 30%）時(shí)，冷凍法制備試樣的內(nèi)摩擦角略大于濕裝法的;標(biāo)準(zhǔn)砂處于中密狀態(tài)（相對(duì)密度D_r=50%）時(shí)，兩種制樣方法試樣的內(nèi)摩擦角相同;標(biāo)準(zhǔn)砂處于密實(shí)狀態(tài)（相對(duì)密度D_r= 75%）時(shí)，濕裝法制備試樣的內(nèi)摩擦角大于冷凍法的，但二者的內(nèi)摩擦角比較接近。

3 結(jié)論

采用常規(guī)三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，對(duì)比分析不同制樣方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，結(jié)論如下：

（1）軸向應(yīng)變?chǔ)?≤5%且相對(duì)密度D_r=30%的標(biāo)準(zhǔn)砂，濕裝法制備試樣的主應(yīng)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(guò)程中更易受到擾動(dòng)，引起試樣高度減小，導(dǎo)致其峰值強(qiáng)度高于冷凍法制備試樣的峰值強(qiáng)度。因此，建議疏松狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)砂試樣制備采用冷凍法。

（2）對(duì)于密實(shí)狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)砂，軸向應(yīng)變不大于6%時(shí)，冷凍法制備試樣的主應(yīng)力差大于濕裝法的;軸向應(yīng)變持續(xù)增大時(shí)，兩種制樣方法制備試樣的主應(yīng)力差和殘余強(qiáng)度趨于相同。

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

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