成樣方法對(duì)砂土CU剪切特性影響

韓 杰 郭 瑩,2

(1.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部土木工程學(xué)院巖土工程研究所，遼寧 大連 116024；

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成樣方法對(duì)砂土CU剪切特性影響

韓 杰1郭 瑩1,2*

(1.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部土木工程學(xué)院巖土工程研究所，遼寧 大連 116024；

2.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)試驗(yàn)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(tài)飽和試樣，并利用應(yīng)變控制式靜力三軸儀進(jìn)行固結(jié)不排水剪切實(shí)驗(yàn)，比較分析了成樣方法對(duì)各砂土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：成樣方法對(duì)試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)有顯著影響，但成樣方法對(duì)不同砂土影響程度不同。

砂土,成樣方法,CU實(shí)驗(yàn),抗剪強(qiáng)度

1 研究背景

室內(nèi)制樣的方法、程序會(huì)使砂土形成不同的或特有的結(jié)構(gòu)性，這對(duì)砂土的力學(xué)性質(zhì)有明顯影響。Vaid等[1]在對(duì)40%密實(shí)度的Fraser River砂的固結(jié)不排水常規(guī)三軸壓縮/拉伸實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：在相同實(shí)驗(yàn)條件下，水下沉積法所成樣在剪切過程中呈剪脹趨勢(shì)，而濕裝夯擊法所成樣則表現(xiàn)出體縮趨勢(shì)及液化現(xiàn)象。Wood等[2]在對(duì)含粉粒的Nevada砂進(jìn)行詳盡的實(shí)驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)：固結(jié)不排水三軸剪切實(shí)驗(yàn)中，相同實(shí)驗(yàn)條件下，中密區(qū)間(54%～65%密實(shí)度)的砂樣由干裝漏斗灌入法所制備的會(huì)出現(xiàn)臨時(shí)液化現(xiàn)象，而由水下沉積法制備的試樣應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系則表現(xiàn)穩(wěn)定。

靜力三軸實(shí)驗(yàn)是室內(nèi)土工試驗(yàn)的基礎(chǔ)之一，在砂土的力學(xué)特性研究中，不僅用來獲取抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及鄧肯—張模型參數(shù)，也用來進(jìn)行砂土穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究[3]，在這類穩(wěn)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(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，但忽略了成樣方法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響可能會(huì)使研究結(jié)論有較大偏差。因此考慮成樣方法的影響對(duì)靜力三軸的實(shí)驗(yàn)研究具有重要參考價(jià)值。以往的研究僅針對(duì)某種砂土，本文對(duì)三種典型砂土進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，以對(duì)成樣方法對(duì)固結(jié)不排水剪切實(shí)驗(yàn)影響有一個(gè)較全面的分析，并就成樣方法對(duì)砂土試樣結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行探討。

2 實(shí)驗(yàn)土料及實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用天然中砂、過0.5 mm篩的福建標(biāo)準(zhǔn)砂(細(xì)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(xué)性質(zhì)指標(biāo)，圖1為各砂土的顆粒級(jí)配曲線。天然中砂的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來自文獻(xiàn)[4]。

表1 砂土的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

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(duì)密實(shí)度均控制為50%，對(duì)應(yīng)的成樣干密度見表1。按實(shí)驗(yàn)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(shí)到控制高度。濕裝夯擊法制樣時(shí)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(shí)筒中夯實(shí)至控制高度成樣。

3 三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在100 kPa和300 kPa圍壓下，比較中砂的主應(yīng)力差(σ1-σ3)與軸向應(yīng)變?chǔ)臿、孔壓u與軸向應(yīng)變?chǔ)臿以及q=(σ1-σ3)/2與p′=(σ1+σ3)/2的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出明顯差異：干裝樣表現(xiàn)為應(yīng)變硬化或弱應(yīng)變軟化，濕裝樣表現(xiàn)為應(yīng)變軟化。單從峰值主應(yīng)力差的大小來看，干裝樣的強(qiáng)度遠(yuǎn)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(xiàn)為剪縮，達(dá)到峰值后孔壓降低甚至為負(fù)，表現(xiàn)為剪脹；相反濕裝樣在整個(gè)剪切過程中孔壓均為正值表現(xiàn)出較強(qiáng)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(shí)主應(yīng)力差幾乎為零，出現(xiàn)完全液化現(xiàn)象。圖2c)的應(yīng)力路徑的結(jié)果對(duì)比，也能看出干裝樣和濕裝樣結(jié)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(xì)砂的(σ1-σ3)—εa，u—εa以及q—p′關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3a)可以看出，相同圍壓實(shí)驗(yàn)中，干裝樣與濕裝樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系均表現(xiàn)為弱應(yīng)變軟化，但就峰值主應(yīng)力差的大小比較，干裝樣的結(jié)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(xiàn)出強(qiáng)烈的剪脹性：剪切開始后，孔壓小幅上升迅速到達(dá)峰值，之后隨應(yīng)變?cè)黾涌讐猴@著下降至負(fù)值并很快趨于穩(wěn)定，孔壓趨于穩(wěn)定開始主應(yīng)力差達(dá)到峰值，這種強(qiáng)烈的剪脹現(xiàn)象與黃博等[5]在密實(shí)狀態(tài)砂土的固結(jié)不排水剪切實(shí)驗(yàn)中所得結(jié)果類似。圖3c)對(duì)比看，干裝樣和濕裝樣的應(yīng)力路徑的結(jié)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(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從圖4a)看出，干裝樣與濕裝樣的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系差異相當(dāng)巨大：相同圍壓條件下，干裝樣表現(xiàn)為弱應(yīng)變軟化，濕裝樣表現(xiàn)為應(yīng)變軟化并出現(xiàn)完全液化現(xiàn)象，干裝樣的峰值主應(yīng)力差遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于濕裝樣的結(jié)果。從圖4b)可見，相同圍壓時(shí)，干裝樣在剪切過程中表現(xiàn)出先剪縮后剪脹，濕裝樣則表現(xiàn)出明顯的剪縮性。濕裝樣的孔壓最大值逼近圍壓,出現(xiàn)完全液化現(xiàn)象。圖4c)的對(duì)比也能看出干裝樣和濕裝樣應(yīng)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(duì)不同種類的砂土的固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)結(jié)果影響程度并不完全一致：相對(duì)而言，中砂及粉砂的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的規(guī)律比較一致，但細(xì)砂的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與中砂和細(xì)砂的結(jié)果差異明顯，細(xì)砂的干裝樣與濕裝樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果差別明顯較?。合嗤瑖鷫合?，干裝樣與濕裝樣均表現(xiàn)出弱應(yīng)變硬化和剪脹。

4 結(jié)語

利用應(yīng)變控制式靜力三軸儀，針對(duì)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(shí)度飽和試樣進(jìn)行固結(jié)不排水剪切實(shí)驗(yàn)，獲得如下結(jié)論：1)成樣方法對(duì)三種砂土的固結(jié)不排水剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果有顯著影響：干裝樣的結(jié)果基本一致，表現(xiàn)明顯的剪脹性；濕裝樣的結(jié)果不一致：細(xì)砂依然剪脹，中砂和粉砂明顯剪縮且均出現(xiàn)靜態(tài)液化現(xiàn)象。相同實(shí)驗(yàn)條件下干裝樣與濕裝樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀明顯不同，并且干裝樣的峰值主應(yīng)力差明顯高于濕裝樣的。實(shí)驗(yàn)所用三種砂土由干裝法所成樣的有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)明顯高于由濕裝法所成樣。2)成樣方法對(duì)不同砂土的固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)結(jié)果影響程度并不完全一致：中砂及粉砂的實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異更加顯著，細(xì)砂在相同圍壓下干裝樣與濕裝樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2008,29(2):381-385.

[4] 郭 瑩,陳 珍.成樣方法對(duì)砂土靜力三軸固結(jié)不排水剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響[J].中國港灣建設(shè),2010(2):30-34.

[5] 黃 博,汪清靜,凌道盛,等.飽和砂土三軸實(shí)驗(yàn)中反壓設(shè)置與抗剪強(qiáng)度的研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),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

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