基于图像测量粉砂三轴试样变形特性试验研究

孙益振 范志强

(1.大连理工现代工程检测有限公司，辽宁大连 116024;2.中交第二航务工程勘察设计院有限公司广州分公司，广东广州 511442)

土作为一种散粒体，其应力—应变关系十分复杂，三轴试验是测试土体应力应变和强度特性最常用和最重要的试验方法［1］。

土工三轴试样变形数字图像测量技术实现了三轴试样轴向变形和径向变形的非接触式直接测量，采用亚像素角点识别技术，精度高且可以任意选择测量断面，克服了传统测量方法的一些弊端，为三轴试验提供了新的、更加合理的变形测量手段［2］。本文利用该方法测量三轴试样的变形过程，根据所得的数据从细观角度分析砂土变形过程及其影响因素。

文中选用的试验材料粉砂是一种工程中经常遇到的材料，不管是应用于筑坝材料还是其他建筑地基中，由于其特殊工程特性，使得工程人员对这种材料不敢掉以轻心［3，4］，通过本文的研究工作，可以为工程人员提供更详实的试验数据，也希望对粉砂变形特性的研究和本构模型的建立有所裨益。

1 试验土样和制备

试验材料选用石佛寺粉砂(下面简称粉砂)，颗粒级配如图1所示，其物理性质指标为:平均粒径d=0.18 mm，不均匀系数Cu=2.9，曲率系数 Cc=1.4，属不良级配砂，颗粒比重 Gs=2.64 g/cm3，最大干密度 ρmax=1.74 g/cm3，最小干密度 ρmin=1.39 g/cm3。

图1 试验粉砂颗粒级配曲线

试验时选用的围压和粉砂干密度如表1所示。对干燥和饱和状态的土样分别进行了三轴剪切试验，对饱和试样采用了固结排水(CD)剪切试验。试样为小试样，即直径39.1 mm，高80 mm，试验时的加载速率都选择为0.04 mm/min［5］。试样成型方式的不同也会对试验结果产生显著的影响［6］，为了尽可能消除由于成样方式不同所造成的影响，本文所有试样统一采用分层干装法制样，饱和试样采用二氧化碳饱和法。试验在配备土样变形数字图像测量系统的三轴试验设备上进行。

2 试验结果分析

为了便于分析比较，绘图时定义轴向应变以压缩为正，径向、体积应变则以压缩为负。试验中主要进行了饱和试样的固结排水三轴试验和干燥试样的三轴剪切试验，以便分析试样中孔隙水对砂土变形的影响。图2给出了各密度条件下干燥与饱和试样在不同围压条件下的偏差应力—轴向应变试验曲线。

表1 试验控制围压和密度

图2 干燥与饱和试样偏差应力—轴向应变试验曲线

图2的应力—应变关系试验曲线反映了干燥与饱和两种状态的试样都是先经历一个近似弹性变形区域，之后发生弹塑性变形直至屈服，最后试样软化破坏;偏差应力峰值及峰值前的增长速度都随围压的增加有明显增加;同种密度同种围压条件下饱和试样的偏差应力值略低于干砂试样，但曲线形状相似。图3给出的是ρ=1.641 g/cm3条件下干燥与饱和试样的体积应变—轴向应变试验曲线;图4给出的是ρ=1.641 g/cm3条件下干燥试样在三种围压条件下的体积应变—轴向应变试验曲线;图5给出的是3种密度条件下干粉砂在300 kPa围压条件下的体积应变—轴向应变试验曲线。从图3中可以看出，试样体积变化在试验开始阶段以剪缩为主，之后慢慢过渡到剪胀。同种条件下饱和试样维持剪缩的时间明显高于干燥试样。从图4和图5中围压和密度对试样体积变形的影响来看，围压越大剪缩维持的时间越长，密度越小剪缩效应越明显，密度的变化对试样体积变化的影响要比围压明显。

从细观方面看砂土的变形主要是由其结构性决定的，即其颗粒特性、孔隙特性、排列特性以及联结特性等［7，8］。

图3 干燥与饱和粉砂试样体积应变—轴向应变试验曲线（ρ=1.641 g/cm3）

图4 干砂试样体积应变—轴向应变试验曲线（ρ=1.641 g/cm3）

图5 干砂试样体积应变—轴向应变试验曲线（σ3=300 kPa）

由试验得出的应力应变曲线可将试验变形过程分为三个阶段:1)试验初始阶段，随着有效应力的增加，土颗粒相互挤压，发生变形、相对滑动、翻滚而填充到临近的孔隙中，而此时围压的存在限制了其径向变形(所以围压越大，该阶段维持的时间越长)，从而使颗粒排列趋于稳定，宏观上表现为体积应变—轴向应变试验曲线所示的剪缩增长阶段。对应图2应力—应变关系的直线部分，该阶段的应力应变关系近似为线弹性关系;2)之后随着轴向位移的增加，有效应力变大，使颗粒之间的挤压力增强，部分颗粒被挤压碎，进一步填充到试样孔隙中，使孔隙比进一步减小［9］，接下来单位轴向位移所引起的径向应变逐渐增大，宏观上表现为试样剪缩向剪胀的过渡，对应图2中应力—应变关系的屈服阶段，偏差应力出现峰值，该阶段试样的变形表现出塑性变形形态;3)此阶段由于试样中颗粒排列十分紧密，轴向应变所需要的空间只能通过侧向膨胀来满足，试样体积变形表现为剪胀。

对于饱和试样，由于其部分组成颗粒浸水软化，强度降低，塑性增大，颗粒易变形，棱角易破碎，颗粒表面因湿化使摩擦系数降低［10］。湿化颗粒的这种高塑性特性更容易得到发挥，所以饱和试样的峰值应力偏低，且在高密度、高围压下，湿化颗粒更容易发生变形、滑移、破碎等，宏观上表现为径向应变量、体积应变量比干砂试样小且速率低，维持剪缩的时间更长，如图3所示。

3 结语

本文利用土工三轴试样变形数字图像测量系统，通过对工程中常见的粉砂材料进行的三轴试验及模型参数分析，得出如下结论:1)根据粉砂在单调加载的三轴试验中应力应变试验曲线表现出的变形特性，可以把整个试验过程分为三个阶段来描述:a.初始加载小应变范围颗粒重排列阶段，试样整体变形表现为体积缩小，应力—应变关系近似为弹性;b.颗粒体变形、破碎阶段，试样的变形表现出塑性变形形态;c.软化剪胀阶段，试样体积变形表现为剪胀。2)对于饱和试样，由于孔隙水的作用，剪缩的现象更明显，同种条件下饱和试样维持剪缩的时间明显高于干燥试样。3)围压和密度对试样体积变形的影响规律是围压越大剪缩维持的时间越长，密度越小剪缩效应越明显，其中密度的变化对试样体积变化的影响要比围压明显。

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