饱和砂土不排水剪切条件下变形特性试验研究

饱和砂土不排水剪切条件下变形特性试验研究

柴中正

西宁金禾岩土工程有限公司      青海，西宁市   810000

摘要：本次研究重点是不排水剪切作用下饱和砂土变形特性试验，通过选择具体的试验砂土并利用专业设备开展试验来研究其变形量与时间之间的关系及不同因素对于其变形过程的影响。试验研究表明：饱和砂土变形特性受诸多因素综合影响，主要有砂土微观结构，应力状态和含水量。该研究对不排水剪切作用下饱和砂土工程行为的认识与预测提供理论依据与试验数据。

关键词：饱和砂土；不排水剪切；变形特性

引言

饱和砂土是常用的土体材料之一，它在工程实际中起着举足轻重的作用。不排水剪切作用下砂土变形特性除了受其微观结构变化影响外，与其宏观力学响应密切相关。为深入了解饱和砂土变形机理，研究目的是通过系列试验来揭示微观结构变化对于变形的影响及宏观力学响应和变形之间的联系。

1.饱和砂土不排水剪切条件下变形特性试验材料与方法

1.1 试验砂土的选取

研究饱和砂土在不排水剪切作用下的变形特征时，试验砂土选择非常关键。为保证试验结果准确可比，选取有代表性砂土样品为第一要务。首先，砂土颗粒组成显著影响砂土力学性能，所以选用试验砂土时须对颗粒级配及颗粒形状作细致分析。理想试验砂土应该颗粒级配均匀，也就是颗粒大小分布应该比较集中而不是太分散，这就能确保砂土受力后变形均匀。其次，砂土中矿物成分对力学特性亦有重要影响。选用测试砂土时应挑选矿物成分比较稳定，化学性质比较惰性的砂土试样，以免测试时产生化学反应而影响测试结果的正确性。再者，砂土初始含水率及密度亦为影响试验结果之关键因子。试验之前需测定所选砂土试样的标准含水率及密度以保证其一致性及代表性。最后，提出为提高试验结果广泛适用性而选择不同来源、不同原因砂土样品做对比试验。从而能够对不排水剪切作用下饱和砂土变形特征有一个较为全面的认识，并为工程实际应用提供较为可靠的证据。通过对试验砂土进行科学而严格的筛选，可为之后的试验研究奠定坚实基础，保证试验结果可靠、科学。

1.2 试验设备与流程

在对不排水剪切作用下饱和砂土变形特征的研究中，试验设备选型应以能够精确地模拟真实工况为先决条件。常用的装置有三轴试验机、不排水剪切试验装置等，它们能提供准确的控制与测量以保证试验数据准确。该三轴试验机可施加不同围压及轴向应力来模拟实际工程中砂土所受应力状态，并且该装置精度较高、操作方便、适合各种情况砂土力学试验。不排水剪切试验装置能够在试验过程中维持试样的饱和状态，从而准确地反映砂土在不排水条件下的变形行为。

特定试验流程下，砂土样品需先行配制。按试验要求对所选砂土样品进行标准试样配制，通常采用圆柱形。配制时试样初始密度及含水率需控制以保证其一致性。然后将配制好的样品置于试验设备内并饱和。饱和处理旨在确保样品内孔隙水压力分布均匀，使测试过程能逼真地模拟不排水条件。饱和处理一般采用分级加压的方法，即逐级提高围压及轴向应力的方法使试件逐渐趋于饱和。饱和处理结束时，开始不排水剪切试验。试验时，该装置在维持围压不变的条件下将产生轴向应力并记录样品变形及孔隙水压力的变化规律。逐级提高轴向应力直至试件破坏可获得砂土应力应变关系曲线及破坏强度。并对试验数据进行了处理分析并结合试验前样品检测数据获得了不排水剪切作用下砂土变形特征。
2.饱和砂土不排水剪切条件下变形特性试验结果与分析

2.1 变形量随时间的变化

饱和砂土不排水剪切试验中，变形量与时间变化呈现显著的阶段性。初期阶段，由于试样所受剪切应力大，颗粒之间相对运动大，变形量急剧增大，呈现出明显的初始变形。该阶段变形主要由于砂土内结构调整，孔隙水压力急剧变化所致。样品随时间进入稳定变形阶段后，颗粒之间相对运动在此阶段趋于均衡，变形量增大速率显著变缓。现阶段砂土变形以持续剪切应力为主，孔隙水压力变化渐趋平缓。试验后期，变形量增长趋向缓慢乃至停止，这时试件可能已经达到了极限状态或者破坏状态而变形量已经不发生明显改变。对试验数据进行详细的分析可以看出，变形量随着时间变化而变化，前期变形较快，中期变形较平稳，后期变形减缓，反映出不排水剪切作用下砂土典型的变形特征。对该规律的认识对工程设计及防灾减灾有重要指导作用，可协助工程师对地基变形进行预测与控制，保障工程安全与稳定。

2.2 不同因素对变形的影响

在进行饱和砂土的不排水剪切试验时，变形特性会受到多个因素的影响，这些因素包括应力状况、初始密度、含水量以及颗粒的组成等。一方面，应力状态对变形有显著的影响。试验表明：砂土变形量随轴向应力增大而明显变大，其原因是应力水平升高将使颗粒之间相互作用加强而产生更大变形。另一方面，初始密度对于砂土变形特性同样具有显著影响。密实度越大的砂土试样因为颗粒之间接触越紧，其变形量越小，疏松砂土试样因为颗粒间孔隙越大，易产生大变形。另外，含水率也是砂土变形过程中最关键的因素。饱和情况下孔隙水压力对于砂土剪切变形起主要影响。高含水率可使孔隙水压力升高，进而降低有效应力并引起砂土变形加剧。相反，含水率越小，砂土抗剪强度越强，变形越小。同时，砂土颗粒组成对变形亦有显著影响。颗粒形状及尺寸分布情况决定着砂土力学性质的优劣、粒径均一、形状规整的砂土试样受力后表现为变形较小，但粒径不规则，级配不均匀的砂土可能会产生大变形。

结束语

综上所述，该研究以精心设计的试验为基础，深入地探讨了不排水剪切作用下饱和砂土的形变特征。试验结果既揭示微观结构变化在变形过程中的作用，又显示宏观力学响应和变形之间的联系。这些研究结果对了解与预测饱和砂土的实际工程行为有重要的指导意义。今后研究可对不同种类砂土，在不同应力路径作用下变形特性做进一步探索，并可在更多工程实践上运用上述研究成果。经过不断研究及实践可以对饱和砂土工程行为有更深入地认识及控制，从而为土木工程安全稳定运行提供了保障。

参考文献

[1]蒋明镜, 沈振义, 刘俊, 杨涛, 谭亚飞鸥. 含微生物气泡高饱和砂土循环三轴剪切CFD-DEM模拟[J]. 地震工程学报, 2021, 43 (02): 353-360.

[2]蒋明镜, 孙若晗, 李涛, 杨涛, 谭亚飞鸥. 微生物处理砂土不排水循环三轴剪切CFD-DEM模拟[J]. 岩土工程学报, 2020, 42 (01): 20-28.