常压至高压下砂土强度、变形特性试验研究

摘要：砂土材料常压至高压下的强度、变形特性是构建砂土模型的首要问题。开展 3 种粒组砂土 8 MPa 围压范围
内的等向压缩试验以及 0.2～6.4 MPa 围压范围内的三轴剪切试验，将砂土常压至高压范围内的力学特性进行系统
分析，以获得能够将常压至高压范围内的强度、变形特性进行统一描述的力学参数。通过研究发现：(1) 砂土在
5 mm
3 mm
5 mm
3 mm
1 mm 1 mm
P/kPa
0
3 000
6 000
9 000
0
－0.5
ΔV/(105 mm3)
－1.0
－1.5 －2.0
砾砂 粗砂 细砂
－2.5
图 3 3 种粒组砂土的等向压缩固结体变–围压关系 Fig.3 Relationships between volume change and confining
高压下出现一定量的颗粒破碎，改变了砂土的剪切耗能机制，使得砂土三轴压缩剪切由剪胀软化特征向剪缩硬化
特征转变；(2) 砂土材料的三轴压缩剪切峰值应力比受砂土粒径、围压共同影响，M-C 强度准则在高压条件下不
再适用；而残余应力比则基本不受粒径、围压的影响，是典型的无黏性摩擦型岩土力学参数，应作为砂土基本力
论文在前人研究基础上采用室内三轴压缩剪切
试验设备开展常压至高压条件下的砂土力学试验， 系统分析砂土在常压至高压范围内的强度、变形特 性及特性演变规律，以期能够将常压至高压范围的 强度、变形特性进行统一描述，并最终促进砂土高、 低压统一模型的构建。
2 试验系统、材料及方案
2.1 试验系统、材料 不同压力水平下砂土强度、变形特性的三轴剪
Xuzhou，Jiangsu 221116，China)
Abstract：The isotropic compression tests and triaxial shear tests were carried out for 3 different groups of sand. The mechanical properties of sand were analyzed in detail. A certain amount of particle breakage occurred under high pressure，which changed the shear energy consumption and led to a transition from shear dilation and softening to shear contraction and hardening. The particle size of sand and the confining pressure affected the peak stress ratio of sand. The classical M-C strength criterion was found to be not applicable anymore under the high pressure condition. However，the strength formula of the residual stress ratio was hardly affected by the particle size and the confining pressure. The residual stress ratio was a typical cohesionless frictional geomaterial property. The sand showed notably critical state phenomenon in the shearing process from common pressure to high
1引言
砂土材料是最常见和最具代表性的颗粒岩土介 质，其物理力学特性以及工程特性被物理界与岩土 界的众多学者关注。随着高土坝建设的兴起及深部 地下工程的开发，产生的超大荷载造成岩土体中石 英砂、砾石等发生颗粒破碎，常规压力下的砂土力 学特性不再适用，这也促使高压条件下的砂土力学 特性作为岩土领域中的重要问题逐渐被众多学者所 研究。
H. Q. Gordor 和 T. N. W. Akroyd[1]在 1954 年对 黏质砂、粉质砂开展了最大围压 4.5 MPa 的三轴试 验，试验结果表明，砂的内摩擦角随围压的增大而 减小，黏质和粉质砂土的内摩擦角减小现象不明显。 A. S. Vesic 和 G. W. Clough[2]对砂土进行的围压高达 69 MPa 的三轴压缩试验，获得不同围压条件下的砂 土割线摩擦角，表明砂土剪切体变特性、强度包络 线与围压的变化密切相关。M. D. Bolton 等[3-9]从微观 角度对高压下的颗粒土的力学特性进行研究，采用 高分辨率的观测仪器和离散元数值模拟方法取得普 通连续介质力学所不能开展的研究成果。F. A. Chuhan 等[10]开展了不同种类砂的压缩试验，最大压 力达到 50 MPa，采用切片技术观察了高压下的砂土 破碎现象，认为粗糙砂颗粒较相对圆润砂颗粒的破 碎更为显著。I. Einav[11-12]发表了破碎力学第一、二 部分，对颗粒破碎从理论分析与模型计算两个角度 进行了探讨。Y. Erzin 和 I. Yilmaz[13]对取自东京不 同区域的 Anatolian 砂进行了一维压缩试验与三轴 剪切试验，得出砂土中的石英成分越高、方解石成 分越低，颗粒破碎程度越小；同样也发现砂土的密 实程度增大，颗粒破碎也越加显著。随着近些年国 内大型工业、民用以及能源工程建设的兴起，堆石、 砂石、粗粒料等的颗粒破碎对工程稳定性产生的影 响受到了重视，也促进了国内对高压土力学的深入 研究。目前国内针对此类问题的研究主要集中于粗 粒土颗粒破碎的度量方法、颗粒破碎对强度和变形 的影响、颗粒破碎的影响因素以及颗粒破碎的仿真 模拟等[14-25]。
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岩石力学与工程学报
2016 年
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pressure. Both the critical state curve and the isotropic compression curve declined exponentially and crossed each other under the high pressure. Two curves together constituted the state interval of sand which reflects the shear dilation and shear contraction. Key words：soil mechanics；high pressure；isotropic compression curve；critical state curve
学特性指标；(3) 砂土材料在常压至高压范围内的剪切过程中存在较明显的临界状态现象，临界状态曲线与等向
压缩曲线形态相同均呈指数衰减型并在高压条件下产生交叉，两者共同构成砂土材料的状态区间能够体现常压至
高压范围内的剪胀与剪缩特征。
关键词：土力学；高压；等向压缩曲线；临界状态曲线
中图分类号：TU 432
(1. School of Civil Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou，Jiangsu 215011，China； 2. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology，
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2016)11–2369–08
Experimental study of strength and deformation characteristics of sand under different pressures
LU Yong1，ZHOU Guoqing2，GU Huanda1
收稿日期：2016–03–21；修回日期：2016–07–31 基金项目：江苏省高校自然科学研究面上项目(15KJB170017)；住房和城乡建设部科技计划资助项目(2015–K4–034)；国家自然科学基金面上项目 (51378327) Supported by the Natural Science Research Project of Jiangsu Province(Grant No. 15KJB170017)，Ministry of Housing and Urban Rural Construction Science and Technology Project of China(Grant No. 2015–K4–034) and National Natural Science Foundation of China(Grant No. 51378327) 作者简介：陆 勇(1987–)，男，博士，2009 年毕业于中国矿业大学土木工程专业，现任讲师，主要从事岩土材料力学特性及岩土数值分析方面的教 学与研究工作。E-mail：cumtluyong@163.com DOI：10.13722/j.cnki.jrme.2016.0273
第 35 卷 第 11 期
陆 勇等：常压至高压下砂土强度、变形特性试验研究
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力学特性，也为将来获取不同初始孔隙比砂样的力 学特性参数提供参考。经过称量计算得到“落雨” 法制得的砾砂、粗砂、细砂的试样密度ρ分别为 1.458×10－6，1.469×10－6，1.516×10－6 kg/mm3，初 始孔隙比 e 分别为 0.815，0.802，0.748。
切试验根据压力等级的不同分别采用 GDS 中、常压 三轴试验仪(围压为 0～3 MPa)以及 GDS 高压三轴 试验仪(围压范围 0～10 MPa)，如图 1 所示。2 套试 验系统均由压力仓、轴向加荷系统、围压系统、反 压系统、轴向位移和体变量测系统构成，试验过程 由微机自动控制，围压、孔压、排水体积、轴向荷 载、轴向位移等试验数据均由传感器及数据转换装 置自动采集和输出。
(a) 中、常压三轴试验仪
(b) 高压三轴试验仪
图 1 GDS 三轴试验设备
Fig.1 GDS triaxial apparatus
为能考虑颗粒尺寸对砂土强度、变形特性的影 响，同时也为将来对更大尺寸范围内的粗粒土材料 进行分析，试验采用 ISO 标准砂经筛分获得不同粒 径范围的干砂试样，即砾砂(1～2 mm)、粗砂(0.5～ 1 mm)及细砂(0.075～0.25 mm)作为试验材料。各组 试验的试样制备均采用“落雨”法进行，旨在探究 某一特定制样方法获得的砂土材料在常压至高压下
图 2 为 3 种粒组砂土在 1.6 MPa 围压条件下试 验前、等向压缩后以及三轴剪切后的试样扫描图片， 用于定性分析 3 种粒组砂样的颗粒破碎现象及其对 砂土力学特性的影响。
3 试验成果
3.1 等向压缩结果 对 3 种粒组砂土分别进行了 0～8 MPa 围压条
件下的等向压缩试验，以研究不同粒组砂土在常压 至高压下的固结压缩特性。试验中忽略水体压缩变 形，同时高压三轴试验仪的压力室以及进排水通道 均为钢制材料，也已避免了压力室变形。对等向压 缩试验中采集到的等向围压 P、体变ΔV 进行整理得 到砂土的等向压缩曲线(见图 3)。
第 35 卷 第 11 期 2016 年 11 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.35 No.11 Nov.，2016
常压至高压下砂土强度、变形特性试验研究
陆 勇 1，周国庆 2，顾欢达 1
(1. 苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011； 2. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116)