标准砂冷冻法制样试验研究

刘忠　宋力　高玉琴　常芳芳　杨小平

摘要：为了科学评价黄河中下游地区砂土的力学性能，选择砂粒组中的标准砂力学性能指标为参考标准，对其进行一系列三轴固结排水剪切试验，研究了冷冻法制样和湿装法制样对标准砂应力应变关系和抗剪强度指标的影响。结果表明：①无论采用冷冻法制样还是采用湿装法制样，标准砂试样的主应力差都随相对密度的增大呈增大趋势，其应力应变关系曲线从硬化型过渡到软化型。②对于疏松状态的标准砂，轴向应变不大于5%时，湿装法制备试样的主应力差大于冷冻法的;对于密实状态的标准砂，轴向应变不大于6%时，湿装法制备试样的主应力差小于冷冻法的;但随着轴向应变的增大，二者强度趋于一致。③两种制样方法制备的试样，其内摩擦角均随相对密度的增大而增大，不同方法制备试样的内摩擦角相差不大。④对于疏松状态的标准砂采用湿装法制备试样，在装样过程中易受到扰动，导致其峰值强度高于冷冻法的，处于密实状态的标准砂采用湿装法制备试样，装样时对其扰动较少，但其峰值强度低于冷冻法制备试样的，因此对于疏松状态的标准砂建议采用冷冻法制样，且在动三轴试验仪器上进行常规三轴试验，以尽量减少装样对试样的扰动。

关键词：标准砂;冷冻法;三轴固结排水剪切试验;相对密度

中图分类号：TV14I;TV882.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2019.03.027

黄河是世界上著名的多沙河流，不同河段地质地貌的差异及水流挟沙能力随流速的变化导致泥沙出现部分沉积，形成具有成层、分片且颗粒分布极不均匀等特点的土层[1]。中下游地区，随着黄河河道的改道和摆动，该特征更为显著，造成砂土力学性能评价非常困难，因此选择砂粒组中的标准砂力学性能指标作为该特征土层的参考评价标准。

目前，室内三轴试验砂土试样的制备常采用干装法和湿装法，干装法指逐层装入烘干砂土、控制制样密度，湿装法指控制一定含水率并搅拌均匀再逐层装入潮湿砂土进行击实成样[2-3]。对于疏松和中密状态砂土，采用干装法易出现制样高度小于试验要求的试样高度的现象[4-6]。湿装法虽然容易控制试样高度，但对于标准砂，脱模时试样外观损失严重不易保证成样形状[7]，且在套橡皮膜的过程中试样易坍塌。无论是采用干装法还是湿装法制备试样，在装样时都易对试样产生扰动。

鉴于上述制样方法的不足，可采用冷冻法制备砂土试样。该方法较易控制试样高度，可以保证试样成形、减少拆模时的质量损失和试样倒塌，尤其是可以最大限度减少装样造成的扰动。笔者通过常规三轴固结排水剪切试验，研究冷冻法试样的应力应变关系及抗剪强度指标，并在此基础上与湿装法制备试样的试验结果进行对比分析，研究了不同相对密度条件下制样方法对试验结果的影响。

1 室内三轴试验

1.1 试验仪器及土料特性

采用小型电液伺服土动力三轴试验仪自动采集试验数据，由于该设备上压头固定在反力架上且助动器的活塞桿仅能竖向运动，因此可有效减少安装试样绑扎橡皮膜时对土样的扰动（见图1）。采用该仪器对砂土试样进行三轴固结排水剪切试验（简称CD试验）。

试验用砂为ISO标准砂（中级砂，粒径0.5 - 1.0mm）（简称标准砂）。该标准砂的最大干密度Pdmax=1.705 g/cm³，最小干密度Pdmin=1.407 g/cm³，相对体积质量G_{s<！--？/sup-->=2.65。试样采用煮沸后的标准砂制备，试样直径3.91 cm，高度8.0 cm。对三种相对密度DT=30%、50%、75%的砂土试样进行CD试验，对应的干密度分别为1.485、1.541、1.619 g/cm³。}

1.2 制样

根据试验要求的试样相对密度和体积称取所需风干标准砂质量，分别采用湿装法和冷冻法制备试样。湿装法成样步骤：将4等分的烘干土样分别加入适量蒸馏水搅拌均匀，分4层放人套有橡皮膜的击实筒（击实筒内径39.5 mm），橡皮膜两端翻出筒外，夯实到指定高度，然后装样加载。冷冻法成样步骤：将4等分的烘干土样分别加入适量蒸馏水搅拌均匀，分4层放人三开模夯实到指定高度，制好的试样放人-20℃冰箱冷冻24 h后备用。

试样实际尺寸和密度见表1。从表1可以看出，相同密实度和围压条件下，冷冻法制备试样密度与湿装法制备试样密度相差不超过0.03 g/cm³。冷冻法拆除三开模后模内壁粘砂的质量均不超过1.0 9，试样完整程度及三开模内壁粘砂情况见图2。

1.3 试样饱和

试样安装好后对其直径进行测量。为使试样充分饱和，采用先通CO，和蒸馏水再施加反压的方法对试样进行饱和。将冷冻后的试样安装完成后，施加围压20 kPa.通CO，压力不超过5 kPa，时间为1-2 h。缓慢降低围压，同时从上排水管抽真空，在20 kPa负压下从试样底部通人蒸馏水，抽气通水时间一般为2h。此时试样孔隙水压力系数B为0.92 - 0.95。由于砂土在排水剪切（固结排水）条件下，应力应变关系与反压设定值基本无关[8-9]，因此采用反压等于零的固结排水剪切试验。

1.4 试验方案

在试样各向等压固结后进行排水剪切试验，轴向变形控制剪切速率为0.16 mm/min。试验中各试样的相对密度、围压、制样方法见表1。

2 试验结果及分析

2.1 不同制样方法标准砂应力应变关系

（1）相同相对密度，不同围压。相对密度D，=300-/0、50%、75%的标准砂在不同围压条件下的主应力差（σ1 -σ3）一轴向应变ε1关系曲线见图3。从图3可以看出，轴向应变ε1≤5%时，相对密度D_r=30%的标准砂，湿装法制备试样的主应力差高于冷冻法的，轴向应变ε1>5%时，两者的主应力差基本相同;相对密度D_r= 50%的标准砂，湿装法制备试样的主应力差与冷冻法的相差不大;轴向应变81≤6%时，相对密度D_r=75%的标准砂，冷冻法制备试样的主应力差高于湿装法的，轴向应变ε1>6%时，两者的主应力差相差不大。

（2）相同围压，不同相对密度。为了进一步分析制样方法对标准砂的影响，给出了相对密度D_r为30%、50%、75%的试样在相同围压下的（σ1 -σ3）—ε1关系曲线，见图4。从图4可以看出，无论是采用冷冻法还是湿装法制样，试样应力一应变关系曲线均从硬化型过渡到软化型。相同围压下，随着相对密度D.的增大，冷冻法制样的试样强度逐渐大于湿装法制样的试样强度，但破坏时的残余强度趋于一致。

2.2 不同制样方法抗剪强度指标对比

采用常规三轴固结排水剪切试验对比分析不同制样方法对抗剪强度指标的影响，见表2。由表2可以看出：无论冷冻法制样还是湿装法制样，其内摩擦角均随相对密度的增大而增大;标准砂处于疏松状态（相对密度D_r= 30%）时，冷冻法制备试样的内摩擦角略大于湿装法的;标准砂处于中密状态（相对密度D_r=50%）时，两种制样方法试样的内摩擦角相同;标准砂处于密实状态（相对密度D_r= 75%）时，湿装法制备试样的内摩擦角大于冷冻法的，但二者的内摩擦角比较接近。

3 结论

采用常规三轴固结排水剪切试验，对比分析不同制样方法对试验结果的影响，结论如下：

（1）轴向应变ε1≤5%且相对密度D_r=30%的标准砂，湿装法制备试样的主应力差大于冷冻法的，主要原因是湿装法制备疏松试样在装样过程中更易受到扰动，引起试样高度减小，导致其峰值强度高于冷冻法制备试样的峰值强度。因此，建议疏松状态标准砂试样制备采用冷冻法。

（2）对于密实状态的标准砂，轴向应变不大于6%时，冷冻法制备试样的主应力差大于湿装法的;轴向应变持续增大时，两种制样方法制备试样的主应力差和残余强度趋于相同。

（3）無论是冷冻法制备试样还是湿装法制备试样，内摩擦角均随着相对密度的增大而增大，且二者的内摩擦角比较接近。

参考文献：

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