成样方法对砂土CU剪切特性影响

韩 杰 郭 莹,2

(1.大连理工大学建设工程学部土木工程学院岩土工程研究所，辽宁 大连 116024；



成样方法对砂土CU剪切特性影响

韩 杰1郭 莹1,2*

(1.大连理工大学建设工程学部土木工程学院岩土工程研究所，辽宁 大连 116024；

2.大连理工大学海岸和近海工程国家重点试验室，辽宁 大连 116024)

采用干装敲击法与湿装夯击法两种成样方法，制备了三种典型砂土的中密状态饱和试样，并利用应变控制式静力三轴仪进行固结不排水剪切实验，比较分析了成样方法对各砂土应力应变关系及抗剪强度指标的影响，实验结果表明：成样方法对试样的应力应变关系及抗剪强度指标有显著影响，但成样方法对不同砂土影响程度不同。

砂土,成样方法,CU实验,抗剪强度

1 研究背景

室内制样的方法、程序会使砂土形成不同的或特有的结构性，这对砂土的力学性质有明显影响。Vaid等[1]在对40%密实度的Fraser River砂的固结不排水常规三轴压缩/拉伸实验中发现：在相同实验条件下，水下沉积法所成样在剪切过程中呈剪胀趋势，而湿装夯击法所成样则表现出体缩趋势及液化现象。Wood等[2]在对含粉粒的Nevada砂进行详尽的实验研究后发现：固结不排水三轴剪切实验中，相同实验条件下，中密区间(54%～65%密实度)的砂样由干装漏斗灌入法所制备的会出现临时液化现象，而由水下沉积法制备的试样应力应变关系则表现稳定。

静力三轴实验是室内土工试验的基础之一，在砂土的力学特性研究中，不仅用来获取抗剪强度指标及邓肯—张模型参数，也用来进行砂土稳定性实验研究[3]，在这类稳定性研究中，常采用湿装夯击法制备试样并分析比较试样的应力应变关系，但忽略了成样方法对实验结果的影响可能会使研究结论有较大偏差。因此考虑成样方法的影响对静力三轴的实验研究具有重要参考价值。以往的研究仅针对某种砂土，本文对三种典型砂土进行实验研究，以对成样方法对固结不排水剪切实验影响有一个较全面的分析，并就成样方法对砂土试样结构的影响进行探讨。

2 实验土料及实验方法

实验采用天然中砂、过0.5 mm筛的福建标准砂(细砂)和天然粉砂等三种类型砂土。表1为各砂土基本物理力学性质指标，图1为各砂土的颗粒级配曲线。天然中砂的实验结果来自文献[4]。

表1 砂土的基本物理力学性质指标

采用干装敲击法(简称干装法)及湿装夯击法(简称湿装法)制样，相对密实度均控制为50%，对应的成样干密度见表1。按实验要求：干装样制备直接在仪器上操作，将烘干土料分4等份逐次装入到开承膜筒中，分层敲击夯实到控制高度。湿装夯击法制样时将烘干土料分为4份，控制含水率为8%，在每份干土中加入无气水并搅拌均匀，将土料逐份放入击实筒中夯实至控制高度成样。

3 三轴实验结果及分析

在100 kPa和300 kPa围压下，比较中砂的主应力差(σ1-σ3)与轴向应变εa、孔压u与轴向应变εa以及q=(σ1-σ3)/2与p′=(σ1+σ3)/2的关系，实验结果如图2所示。由图2a)可见，相同围压下干装样与湿装样的应力应变关系表现出明显差异：干装样表现为应变硬化或弱应变软化，湿装样表现为应变软化。单从峰值主应力差的大小来看，干装样的强度远高于湿装样。干装样与湿装样的明显差别也可以从图2b)看出：相同围压的干装样在开始孔压为正，表现为剪缩，达到峰值后孔压降低甚至为负，表现为剪胀；相反湿装样在整个剪切过程中孔压均为正值表现出较强的剪缩性。100 kPa围压湿装样的孔压最大值趋近100 kPa，致使有效围压几乎为零，同时主应力差几乎为零，出现完全液化现象。图2c)的应力路径的结果对比，也能看出干装样和湿装样结果的差异，但两者获得的破坏线斜率差异并不大。

在100 kPa和300 kPa围压下，比较细砂的(σ1-σ3)—εa，u—εa以及q—p′关系的实验结果如图3所示。从图3a)可以看出，相同围压实验中，干装样与湿装样的应力应变关系均表现为弱应变软化，但就峰值主应力差的大小比较，干装样的结果依然高于湿装样。从图3b)可以看出：相同围压的干装样与湿装样均表现出强烈的剪胀性：剪切开始后，孔压小幅上升迅速到达峰值，之后随应变增加孔压显著下降至负值并很快趋于稳定，孔压趋于稳定开始主应力差达到峰值，这种强烈的剪胀现象与黄博等[5]在密实状态砂土的固结不排水剪切实验中所得结果类似。图3c)对比看，干装样和湿装样的应力路径的结果差异并不大，破坏线斜率差异也不大。在100 kPa和300 kPa围压下，比较粉砂的(σ1-σ3)—εa，u—εa以及q—p′关系的实验结果如图4所示。从图4a)看出，干装样与湿装样的应力—应变关系差异相当巨大：相同围压条件下，干装样表现为弱应变软化，湿装样表现为应变软化并出现完全液化现象，干装样的峰值主应力差远远高于湿装样的结果。从图4b)可见，相同围压时，干装样在剪切过程中表现出先剪缩后剪胀，湿装样则表现出明显的剪缩性。湿装样的孔压最大值逼近围压,出现完全液化现象。图4c)的对比也能看出干装样和湿装样应力路径存在明显差异，但破坏线斜率的差异依然不大。成样方法对不同种类的砂土的固结不排水剪切试验结果影响程度并不完全一致：相对而言，中砂及粉砂的实验结果的规律比较一致，但细砂的实验结果与中砂和细砂的结果差异明显，细砂的干装样与湿装样的实验结果差别明显较小：相同围压下，干装样与湿装样均表现出弱应变硬化和剪胀。

4 结语

利用应变控制式静力三轴仪，针对三种常见典型砂土采用干装敲击法及湿装夯击法两种成样方法制备的50%密实度饱和试样进行固结不排水剪切实验，获得如下结论：1)成样方法对三种砂土的固结不排水剪切实验结果有显著影响：干装样的结果基本一致，表现明显的剪胀性；湿装样的结果不一致：细砂依然剪胀，中砂和粉砂明显剪缩且均出现静态液化现象。相同实验条件下干装样与湿装样的应力应变曲线形状明显不同，并且干装样的峰值主应力差明显高于湿装样的。实验所用三种砂土由干装法所成样的有效抗剪强度指标明显高于由湿装法所成样。2)成样方法对不同砂土的固结不排水剪切试验结果影响程度并不完全一致：中砂及粉砂的实验结果差异更加显著，细砂在相同围压下干装样与湿装样的实验结果差别明显较小。

[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] 符新军,赵仲辉.饱和粉砂不稳定性的实验研究[J].岩土力学,2008,29(2):381-385.

[4] 郭 莹,陈 珍.成样方法对砂土静力三轴固结不排水剪切实验结果的影响[J].中国港湾建设,2010(2):30-34.

[5] 黄 博,汪清静,凌道盛,等.饱和砂土三轴实验中反压设置与抗剪强度的研究[J].岩土工程学报,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

韩 杰(1991- )，男，在读硕士

郭 莹(1963- )，女，博士，副教授

TU441.4

A