基于圖像測量粉砂三軸試樣變形特性試驗研究

孫益振 范志強

(1.大連理工現代工程檢測有限公司，遼寧大連 116024;2.中交第二航務工程勘察設計院有限公司廣州分公司，廣東廣州 511442)

土作為一種散粒體，其應力—應變關系十分復雜，三軸試驗是測試土體應力應變和強度特性最常用和最重要的試驗方法［1］。

土工三軸試樣變形數字圖像測量技術實現了三軸試樣軸向變形和徑向變形的非接觸式直接測量，采用亞像素角點識別技術，精度高且可以任意選擇測量斷面，克服了傳統測量方法的一些弊端，為三軸試驗提供了新的、更加合理的變形測量手段［2］。本文利用該方法測量三軸試樣的變形過程，根據所得的數據從細觀角度分析砂土變形過程及其影響因素。

文中選用的試驗材料粉砂是一種工程中經常遇到的材料，不管是應用于筑壩材料還是其他建筑地基中，由于其特殊工程特性，使得工程人員對這種材料不敢掉以輕心［3，4］，通過本文的研究工作，可以為工程人員提供更詳實的試驗數據，也希望對粉砂變形特性的研究和本構模型的建立有所裨益。

1 試驗土樣和制備

試驗材料選用石佛寺粉砂(下面簡稱粉砂)，顆粒級配如圖1所示，其物理性質指標為:平均粒徑d=0.18 mm，不均勻系數Cu=2.9，曲率系數 Cc=1.4，屬不良級配砂，顆粒比重 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。

圖1 試驗粉砂顆粒級配曲線

試驗時選用的圍壓和粉砂干密度如表1所示。對干燥和飽和狀態的土樣分別進行了三軸剪切試驗，對飽和試樣采用了固結排水(CD)剪切試驗。試樣為小試樣，即直徑39.1 mm，高80 mm，試驗時的加載速率都選擇為0.04 mm/min［5］。試樣成型方式的不同也會對試驗結果產生顯著的影響［6］，為了盡可能消除由于成樣方式不同所造成的影響，本文所有試樣統一采用分層干裝法制樣，飽和試樣采用二氧化碳飽和法。試驗在配備土樣變形數字圖像測量系統的三軸試驗設備上進行。

2 試驗結果分析

為了便于分析比較，繪圖時定義軸向應變以壓縮為正，徑向、體積應變則以壓縮為負。試驗中主要進行了飽和試樣的固結排水三軸試驗和干燥試樣的三軸剪切試驗，以便分析試樣中孔隙水對砂土變形的影響。圖2給出了各密度條件下干燥與飽和試樣在不同圍壓條件下的偏差應力—軸向應變試驗曲線。

表1 試驗控制圍壓和密度

圖2 干燥與飽和試樣偏差應力—軸向應變試驗曲線

圖2的應力—應變關系試驗曲線反映了干燥與飽和兩種狀態的試樣都是先經歷一個近似彈性變形區域，之后發生彈塑性變形直至屈服，最后試樣軟化破壞;偏差應力峰值及峰值前的增長速度都隨圍壓的增加有明顯增加;同種密度同種圍壓條件下飽和試樣的偏差應力值略低于干砂試樣，但曲線形狀相似。圖3給出的是ρ=1.641 g/cm3條件下干燥與飽和試樣的體積應變—軸向應變試驗曲線;圖4給出的是ρ=1.641 g/cm3條件下干燥試樣在三種圍壓條件下的體積應變—軸向應變試驗曲線;圖5給出的是3種密度條件下干粉砂在300 kPa圍壓條件下的體積應變—軸向應變試驗曲線。從圖3中可以看出，試樣體積變化在試驗開始階段以剪縮為主，之后慢慢過渡到剪脹。同種條件下飽和試樣維持剪縮的時間明顯高于干燥試樣。從圖4和圖5中圍壓和密度對試樣體積變形的影響來看，圍壓越大剪縮維持的時間越長，密度越小剪縮效應越明顯，密度的變化對試樣體積變化的影響要比圍壓明顯。

從細觀方面看砂土的變形主要是由其結構性決定的，即其顆粒特性、孔隙特性、排列特性以及聯結特性等［7，8］。

圖3 干燥與飽和粉砂試樣體積應變—軸向應變試驗曲線（ρ=1.641 g/cm3）

圖4 干砂試樣體積應變—軸向應變試驗曲線（ρ=1.641 g/cm3）

圖5 干砂試樣體積應變—軸向應變試驗曲線（σ3=300 kPa）

由試驗得出的應力應變曲線可將試驗變形過程分為三個階段:1)試驗初始階段，隨著有效應力的增加，土顆粒相互擠壓，發生變形、相對滑動、翻滾而填充到臨近的孔隙中，而此時圍壓的存在限制了其徑向變形(所以圍壓越大，該階段維持的時間越長)，從而使顆粒排列趨于穩定，宏觀上表現為體積應變—軸向應變試驗曲線所示的剪縮增長階段。對應圖2應力—應變關系的直線部分，該階段的應力應變關系近似為線彈性關系;2)之后隨著軸向位移的增加，有效應力變大，使顆粒之間的擠壓力增強，部分顆粒被擠壓碎，進一步填充到試樣孔隙中，使孔隙比進一步減小［9］，接下來單位軸向位移所引起的徑向應變逐漸增大，宏觀上表現為試樣剪縮向剪脹的過渡，對應圖2中應力—應變關系的屈服階段，偏差應力出現峰值，該階段試樣的變形表現出塑性變形形態;3)此階段由于試樣中顆粒排列十分緊密，軸向應變所需要的空間只能通過側向膨脹來滿足，試樣體積變形表現為剪脹。

對于飽和試樣，由于其部分組成顆粒浸水軟化，強度降低，塑性增大，顆粒易變形，棱角易破碎，顆粒表面因濕化使摩擦系數降低［10］。濕化顆粒的這種高塑性特性更容易得到發揮，所以飽和試樣的峰值應力偏低，且在高密度、高圍壓下，濕化顆粒更容易發生變形、滑移、破碎等，宏觀上表現為徑向應變量、體積應變量比干砂試樣小且速率低，維持剪縮的時間更長，如圖3所示。

3 結語

本文利用土工三軸試樣變形數字圖像測量系統，通過對工程中常見的粉砂材料進行的三軸試驗及模型參數分析，得出如下結論:1)根據粉砂在單調加載的三軸試驗中應力應變試驗曲線表現出的變形特性，可以把整個試驗過程分為三個階段來描述:a.初始加載小應變范圍顆粒重排列階段，試樣整體變形表現為體積縮小，應力—應變關系近似為彈性;b.顆粒體變形、破碎階段，試樣的變形表現出塑性變形形態;c.軟化剪脹階段，試樣體積變形表現為剪脹。2)對于飽和試樣，由于孔隙水的作用，剪縮的現象更明顯，同種條件下飽和試樣維持剪縮的時間明顯高于干燥試樣。3)圍壓和密度對試樣體積變形的影響規律是圍壓越大剪縮維持的時間越長，密度越小剪縮效應越明顯，其中密度的變化對試樣體積變化的影響要比圍壓明顯。

［1］黃文熙.土的工程性質［M］.北京:水利電力出版社，1983.

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