砂-粉混合料不排水剪切相变强度特性试验研究

摘要：

砂-粉混合料是海岸工程建设中较为常见的岩土介质，其力学特性的研究对于海堤、防波堤等海岸防护工程的建设具有重要意义。其中相对密度（Dr）和细粒含量（CF）对砂-粉混合料相变特性的影响仍需深入讨论。利用GDS静三轴仪，开展了一系列不同相对密度和细粒含量的砂-粉混合料固结不排水剪切试验。结果表明：Dr对砂-粉混合料相变状态时的孔隙水压力ue、相变强度SPT以及相变有效内摩擦角φ′ PT的影响较为显著；细粒含量对砂-粉混合料相变状态时的ue、SPT影响同样显著，但对φ′ PT几乎没有影响。提出了引入复合密实状态参数e×Dr来评价砂-粉混合料相变强度的方法，该方法展示出了较好的预测性，具有实际工程应用价值。

关" 键" 词：

砂-粉混合料； 相变状态； 相变角； 相变强度； 不排水剪切特性

中图法分类号： TU411

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.01.025

收稿日期：2024-03-20；接受日期：2024-07-15

基金项目：

国家自然科学基金项目（52008206）

作者简介：

吴彥燊，男，工程师，主要从事海洋软弱土力学特性研究。E-mail：wuysh19@cosl.com.cn

通信作者：

吴" 琪，男，副教授，博士，博士生导师，主要从事海洋岩土动力特性研究。E-mail：qw09061801@163.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章编号：1001-4179（2025） 01-0187-06

引用本文：

吴彦燊，徐博远，刘璐，等.砂-粉混合料不排水剪切相变强度特性试验研究

［J］.人民长江，2025，56（1）：187-192.

0" 引 言

近年来，随着海平面上升和海岸工程建设，海岸侵蚀现象加剧，防护压力增加。在中国，大部分河流冲积平原和海滩均受到不同程度的侵蚀［1］。目前，中国海岸防护工程主要包括海堤工程、丁坝等硬性防护，及离岸潜堤和人工养滩等措施。砂-粉混合料广泛分布于长江三角洲、渤海湾和南海等地区表层［2］，由砂类土和细粒土混合组成，是海岸工程建设中广泛应用的岩土介质，其力学性质受密实度状态、应力状态、细粒含量、颗粒组构等影响［3］。根据多位学者以及实际地震案例调查发现，地震导致的液化不仅仅发生于纯砂场地，砂-粉混合料也同样会发生液化［4-6］，考虑砂-粉混合料由连续演变的颗粒组构及复杂的力学特性，开展不同组构的粗细粒混合土工程力学特性研究对海岸防护工程的抗震设计十分必要。

目前，已有不少学者对混合料的部分力学性质进行了研究。Xu等［7］使用CT三轴仪从微观与宏观的角度指出土石混合料物理力学特性十分复杂。Thevanayagam［8-11］指出粗细粒接触状态决定了混合料的力学性质。Hang等［12］基于理论最小孔隙比与试验最小孔隙比建立了区分颗粒接触状态的方法。朱建群等［13］研究发现粉粒含量较少时，松砂出现了静态液化现象，但随着粉粒含量的增加，这种现象也随之消失，同时粉粒含量的增加也使稳态线随之向下移动。Rahmani等［14］发现混合料的临界稳态线随细粒含量增加时，先向下移动，再向上移动。吴琪［15-16］、朱雨萌［17］等研究发现随着细粒含量的增加，混合料的小应变剪切模量Gmax、动强度CRR以及剪切波速Vs不会单调地发生变化。Wu［18］和Hang［19］等均指出基于孔隙比e无法统一表征混合料的Gmax。Chen等［20］采用等效骨架孔隙比统一表征混合料的CRR和Vs。由上述研究可知，随着混合料的组构不断发生变化，其物理、力学特性也会不断发生变化。对于砂土有一个特殊的性质，即剪切过程中会发生剪胀。剪胀对实际工程建设影响显著，目前常用状态临界线CSL来划分砂土在剪应力作用下是发生剪缩还是发生剪胀，但有学者［21-23］提出这种判别方式存在一定的问题，不能很好地判断中密砂的体变趋势，故提出了使用相变状态来划分砂土的松密程度。所以无论是从试验还是工程实际的角度来看，采用合理的量来统一表征相变状态是一个具有研究价值的课题。

现有对于砂-粉混合料相变状态的研究还较少，为此本文依托黄海一处离岸堤工程，重点考虑了相对密度（Dr）和细粒含量（CF）对于砂-粉混合料相变状态影响，开展了一系列不同Dr和CF的砂-粉混合料固结不排水剪切试验，探讨了不同Dr和CF下应力路径、相变强度以及相变有效内摩擦角的变化规律，以期为海岸防护堤坝的地基处理提供基础理论支持。

1" 三轴固结不排水剪切试验

1.1" 试验仪器

试验采用GDS静三轴仪。该设备由三轴压力室、压力-体积控制器、数据采集系统以及计算机控制系统等部分组成。GDS静三轴仪的控制器参数和传感器量程、精度、偏差等主要技术指标如表1所列。

1.2" 试验材料

试验采用的砂-粉混合料取自黄海沿海滩涂的海相沉积砂类土，该砂类土的土粒比重Gs=2.70，最大孔隙比emax=1.29，最小孔隙比emin=0.63。该混合料扫描电镜图像如图1所示。对原状土进行烘干、筛分，土料烘干后呈灰色，松散、分选性好，颗粒呈不规则的多面体或六面体。筛分后，将粒径在0.075～0.25 mm范围内的颗粒作为纯砂粒，将粒径小于0.075 mm的颗粒作为纯细粒。细粒的液限和塑限分别为30.75%和25.95%，其塑性指数Ip=5。将纯砂粒与纯细粒按照一定配比制备CF=0，10%，20%，30%，50%，70%，100%的混合料试样，各组砂-粉混合料的物理属性指标如表2所列，级配曲线见图2。

1.3" 试验方法与方案

试验试样为直径50 mm、高100 mm实心圆柱样。采用湿击法装样，该方法多用于砂、粉砂和粉土试样的制备，且可以较好地控制试样的孔隙比。试样总共分为4层装样，每层各粒组的质量需按级配配制，还需控制5 %的初始成样含水率。

试样的饱和分为3步：① 通15 min的CO2气体；② 从试样底部通入蒸馏水，直到排气孔没有小气泡排出为止；③ 进行分级反压饱和，利用孔压系数B来判断饱和的程度，以仪器显示反压体积的变化与时间关系确定孔压系数，B高于0.97时可认为已处于完全饱和的状态。对完全饱和的试样进行均等固结，控制初始有效固结应力为100 kPa，待试样平均应变率小于1×10-3 %/min时，固结完成。根据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》［24］，固结不排水剪切试验的剪切应变速率设为0.10%/min，直至轴向应变达到15%停止试验。需要指出的是，实际海岸工程中，砂-粉混合料多分布在海床表面0～20 m深，因此，选择100 kPa代表初始有效固结应力。

由于中密砂在剪切过程中会有着较为明显的从剪缩到剪胀的相变转变特性，Eslami等［25］将Dr为35%～65%的砂类土划分为中密砂，李广信等［26］将1/3＜Dr≤2/3的砂类土定为中密砂。因此为探讨不同Dr和CF对砂-粉混合料固结不排水剪切特性的影响，对于CF相同的试样，其Dr设定为35%，50%，60%；对于相同Dr的试样，其CF设定为0，10%，20%，30%，50%，70%，100%。各组砂-粉混合料固结不排水剪切试验工况详见表3。

2" 试验结果与分析

2.1" 典型试验结果及应力路径

图3为砂-粉混合料固结不排水剪切试验的典型应力-应变曲线、超静孔压-应变曲线以及应力路径。由图3（a）试验结果可知，试验所用砂-粉混合料的偏应力q随着应变的增大而逐渐增大，应力应变发展均呈现为应变硬化型。由图3（b）中可以观察到砂-粉混合料在整个剪切过程中，超静孔压ue先增大再减小，试样先发生剪缩再发生剪胀，且随着Dr或CF的增大，剪胀趋势更显著。由图3（c）可知，平均有效应力P′先减小再增大即ue先增大再减小，且砂-粉混合料伴随着先剪缩后剪胀，这种有效应力路径发生转折的临界状态称为相变状态，相变状态对应的q称为相变强度SPT。同时相变状态对应的有效内摩擦角称为相变有效内摩擦角φ′ PT，计算公式如下：

φ′PT=arcsinσ′1-σ′3σ′1+σ′3（1）

式中：σ′1为有效大主应力，σ′3为有效小主应力。

图4为砂-粉混合料不排水有效应力路径。当Dr为定值，CF从0逐渐增大到100%，混合料达到相变状态时的ue先增大再减小；当CF=30%时，各组ue达到最大值，为初始有效固结应力的31.9%～55.1%；当CF=100%时，各组ue达到最小值，其值为初始有效固结应力的14.6%～37.1%。该现象产生的原因可能是对于具有不同CF的混合料，都会存在一个阈值细粒含量CFth，当小于该阈值时，为类砂粒土；当大于该阈值时，为类细粒土。试验所用的砂-粉混合料的粒径比为2，根据Rahman等［27］提出的经验公式确定砂类土CFth：

CFth=0.40×11+exp（α-β·χ）+1χ

（2）

式中：α和β的最佳拟合值分别取0.50和0.13；颗粒粒径比χ=ds10/df50，其中ds10为砂粒有效粒径，df50为细粒平均粒径。该混合料的CFth大约为35 %。CF＜CFth时，砂粒充当骨架，细粒主要起到填充孔隙作用，小部分参与骨架传力，随着细粒含量的增大，砂粒间的摩擦减小，剪缩的趋势随之增大，导致ue增大；CF＞CFth时，

砂粒处于悬浮状态，细粒充当骨架，随着细粒含量的增大，细粒间的咬合更加紧密，剪缩的趋势随之减小，导致ue的减小。

综上，3组在相同Dr下的砂-粉混合料ue随着细粒含量的增大，呈现出了先增大再减少的规律。同时，随着Dr的增大，ue逐渐减小，这主要与颗粒间的排列和接触状态有关。

2.2" 相变强度分析

图5为不同细粒含量下的砂-粉混合料对应的相变强度SPT。当给定Dr时，混合料的SPT随着细粒含量的增大呈现出了先减小后增大的规律。且均在CFth处出现最小值，最小值相较于CF=0时的SPT下降了23%～27%，相较于CF=100%时的SPT下降了19%～28%。当CF=0～35%时，混合料属于类砂粒土，随细粒含量的增加，组成骨架的砂粒减少，导致土结构强度的弱化，故相变强度有所下降；当CF=35%～100%时，混合料属于类细粒土，随着细粒含量的增加，组成骨架的细粒增加，土结构强度得到回升，故相变强度有所上升。不同Dr下，SPT均随着细粒含量的增大而先下降再上升。这与吴琪等［16，28］给出的细粒含量对相同相对密度下的砂-粉混合料液化强度及小应变剪切模量的影响规律基本一致。同时可知，细粒含量不变，混合料SPT随着相对密度的增大而增大。

图6给出了砂-粉混合料SPT与孔隙比e的关系曲线。当细粒含量相同时，SPT随e的增大而减小；当相对密度相同时，SPT与e没有单一的相关性。SPT与e的相关性表明，对于相同细粒含量下的砂-粉混合料，e可以表征土体的密实程度。但对于相同相对密度、不同细粒含量下的砂-粉混合料，e不能表征细粒对骨架颗粒接触状态的影响，故e不能作为评价SPT的单一指标。

通过回归分析的方法，引入了复合密实状态参数e×Dr评价混合料的SPT，图7为SPT与e×Dr的关系。由图7可知，SPT随e×Dr的增大而增大，且两者有较强的相关性。因此，可建立混合料SPT预测方法：

SPT=a·e×Dr+b（3）

式中：a和b为拟合参数，其中a反映了e×Dr对SPT的影响程度。对于砂-粉混合料，a=185.6，b=-17.7，R2=0.893。

2.3" 相变有效内摩擦角

图8给出了3组相对密度下，CF=0，10%，20%，30%，50%，70%及100%时所对应的φ′ PT。各组φ′ PT最大值出现在CFth处，最大值相较于CF=0时，φ′PT增大了0.09°～0.19°；相较于CF=100%时，φ′ PT增大0.17°～0.26°。由此可知，CF的变化对混合料的φ′ PT几乎没有影响。相较于细粒含量的影响，相对密度对φ′ PT的影响更显著。以CF=50%为例，Dr =35%时φ′ PT约为24.12°；Dr =50%相比Dr =35%时的φ′ PT增大了1.14°；Dr =60%相比Dr =35%时的φ′ PT增大了1.97°。这主要是因为相对密度越大，砂-粉混合料越密实，颗粒间的咬合就越强，颗粒重排列、颗粒破碎就需要外力额外做功，因此提高了混合料的φ′ PT。

3" 结" 论

本文探讨了不同相对密度和细粒含量对砂-粉混合料固结不排水的应力路径、相变强度和相变有效内摩擦角的影响。主要结论如下：

（1） 当细粒含量固定，混合料达到相变状态时的ue随着相对密度的增大而减小，SPT随着相对密度的增大而增大，φ′ PT随着相对密度的增大而增大。

（2） 当相对密度固定，混合料达到相变状态时的ue随着细粒含量的增大而先增大再减小，SPT随着细粒含量的增大先减小再增大，φ′ PT随着细粒含量的增大基本保持不变。

（3） 通过回归分析，引入了e×Dr评价砂-粉混合料的SPT。SPT随e×Dr的增大而增大，且呈现出较好的预测性，可供实际工程建设参考。

参考文献：

［1］" 陈吉余.中国海岸侵蚀概要［M］.北京：海洋出版社，2010.

［2］" 孙增春，刘汉龙，肖杨.砂-粉混合料的分数阶塑性本构模型［J］.岩土工程学报，2024，46（8）：1596-1604.

［3］" 常利营，叶发明，陈群.砾石土粗粒含量对高土石坝蓄水期渗流的影响［J］.人民长江，2021，52（6）：141-147.

［4］" 曹振中，袁晓铭，陈龙伟，等.汶川大地震液化宏观现象概述［J］.岩土工程学报，2010，32（4）：645-650.

［5］" SASAKIA Y，TOWHATA I，MIYAMOTO K，et al.Reconnaissance report on damage in and around riverlevees caused by the 2011 off the Pacific coast of Tohoku earthquake［J］.Soils and Foundations，2012，52（5）：1016-1032.

［6］" 程敏，任杰.饱和尾矿料动力特性试验及动参数规律研究［J］.人民长江，2022，53（增2）：119-123.

［7］" XU W J，ZHANG H Y.Meso and macroscale mechanical behaviors of soil-rock mixtures［J］.Acta Geotechnica，2022，17（9）：3765-3782

［8］" THEVANAYAGAM S.Effect of fines and confining stress on undrained shear strength of silty sands［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1998，124（6）：479-491

［9］" THEVANAYAGAM S，FIORILLO M，LIANG J.Effects of non-plastic fines on undrained cyclic strength of silty sands［C］∥Geotechnical Special Publication，2000（107）：77-91.

［10］THEVANAYAGAM S，SHENTHAN T，MOHAN S，et al.Undrained fragility of clean sands，silty sands，and sandy silts［J］.Journal of the Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2002，128（10）：849-859

［11］THEVANAYAGAM S，MARTIN G R.Liquefaction in silty soils-screening and remediation issue［J］.Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2002，22（9/10/11/12）：1035-1042.

［12］HANG T，WU Q，WANG Z，et al.A new procedure for characterizing the critical intergranular contact state of non-plastic sand-fines mixed materials［J］.Case Studies in Construction Materials，2024，20：e02881.

［13］朱建群，孔令伟，钟方杰.粉粒含量对砂土强度特性的影响［J］.岩土工程学报，2007，180（11）：1647-1652.

［14］RAHMANI H，NAEINI S A.Influence of non-plastic fine on static iquefaction and undrained monotonic behavior of sandy gravel［J］.Engineering Geology，2020，275：105729.

［15］吴琪，陈国兴，周正龙，等.细粒含量对细粒-砂粒-砾粒混合料动强度的影响［J］.岩土工程学报，2017，39（6）：1038-1047.

［16］吴琪，杨文保，朱雨萌，等.砂-粉混合料小应变剪切模量弯曲元试验研究［J］.东南大学学报（自然科学版），2018，48（6）：1059-1067.

［17］朱雨萌，吴琪，陈国兴.基于颗粒接触状态理论的砂-粉混合料剪切波速试验［J］.岩土力学，2019，40（4）：1457-1464，1473.

［18］WU Q，HANG T，JIANG J，et al.A binary packing material-based method for estimating small-strain shear modulus of sandy soils［J］.Acta Geotechnica，2024，19：6357-6373.

［19］HANG T，FAN H，XIAO X，et al.Prediction model for small-strain shear modulus of non-plastic fine-coarse-grained soil mixtures based on extreme void ratios［J］.Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2024，176：108279.

［20］CHEN G，WU Q，ZHAO K，et al.A binary packing material-based procedure for evaluating soil liquefaction triggering during earthquakes［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2020，146（6）：04020040.

［21］赵春雷，赵成刚，张卫华.饱和砂土基于相变状态的不排水本构模型［J］.工程力学，2015，32（12）：68-76.

［22］张卫华，赵成刚，傅方.饱和砂土相变状态边界面本构模型［J］.岩土工程学报，2013，35（5）：930-939.

［23］董晓丽，赵成刚，张卫华.考虑相变状态的较密实饱和砂土弹塑性模型［J］.工程力学，2017，34（1）：51-57.

［24］中华人民共和国住房和城乡建设部.土工试验方法标准：GB/T 50123—2019［S］.北京：中国计划出版社，2019.

［25］ESLAMI A，MOSHFEGHI S，MOLAABASI H，et al.Piezocone and cone penetration test（CPTu and CPT） applications in foundation engineering［M］.Oxford：Butterworth-Heinemann，2019.

［26］李广信.土力学［M］.北京：清华大学出版社有限公司，2013.

［27］RAHMAN M M，LO S R，GNANENDRAN C T.On equivalent granular void ratio and steady state behaviour of loose sand with fines［J］.Canadian Geotechnical Journal，2008，45（10）：1439-1456

［28］吴琪，陈国兴，周正龙，等.基于颗粒接触状态理论的粗细粒混合料液化强度试验研究［J］.岩土工程学报，2018，40（3）：475-485.

（编辑：郑 毅）

Experimental study on undrained shear phase transition strength of sand-silt mixtures

WU Yanshen1，XU Boyuan1，LIU Lu1，BO Zhao2，WU Qi3

（1.China Oilfield Services Ltd.Marine Survey amp; Geotech Operating Company，Tianjin 300459，China；

2.Tianjin Branch of CNOOC Ltd.，Tianjin 300459，China；

3.Institute of Geotechnical Engineering，Nanjing Technology University，Nanjing 210009，China）

Abstract：

With the extensive application of sand-silt mixtures in engineering construction，studying its mechanical properties has significant meanings to construction of sea dykes and breakwater.Although there is a substantial researches on the mechanical properties of sand-silt mixtures，the effects of relative density （Dr） and fines content （CF） on the phase transition characteristics of sand-silt mixtures still require further investigation.Using the GDS static triaxial instrument，we carried out a series of consolidation undrained shear tests on the mixtures with different Dr and CF.It is found that Dr has a notable effect on the pore water pressure （ue），phase transition strength （SPT） and effective internal friction angle （φ′PT） in the phase transition state of the sand-silt mixtures；CF has a similarly significant effect on ue and SPT in the phase transition state of the sand-silt mixtures，but has almost no effect on the phase transition angle of the sand-silt mixtures.In addition，a composite compaction state parameter e×Dr was introduced to establish a method to evaluate the SPT of sand-silt mixtures.This method demonstrates a good predictive capability and has practical engineering application values.

Key words：

sand-silt mixtures； phase transition state； phase transition angle； phase transition strength； undrained shear characteristics