基于图像测量的砂土制样方法影响研究

莫颜保 郭 莹*

(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024)



基于图像测量的砂土制样方法影响研究

莫颜保 郭 莹*

(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

基于全表面变形数字图像测量技术，采用干装法和湿装法制成了天然河砂及标准砂试样，并研究了两种试样在整个固结排水剪切(CD)试验过程中的变形规律，结果表明：试样在饱和、固结及剪切阶段均因制样方法的不同而表现出不同的力学特性；通过比较各个阶段密实度的变化发现试样密实度的变化并不是造成这种结果差异的主要原因。

砂土，测量系统，CD试验，密实度

1 研究背景

因制样方法的差异，试样在加载时具有不同的力学反应特性：不同的抗剪强度参数、不同的各向异性程度和液化现象[1,2]。对于制样方法的影响研究，由于测量技术和手段的限制，无法研究试样在饱和及固结过程中的变形特性，只能从应力应变反应类型、抗剪强度指标、应力路径及液化等差异方面探讨。将全表面变形数字图像测量系统运用于常规三轴试验中，能够实现土样全表面高度和直径的非接触式直接测量并对试样进行全程监测，适用于饱和及非饱和试样，比常规三轴测量手段的测量结果更加精准与可靠[3]。

本文基于全表面变形数字图像测量系统，采用干装敲击法和湿装夯击法制备疏松和密实的大连河砂以及密实的福建标准砂饱和试样，进行静力三轴固结排水剪切试验，获得了饱和、固结与排水剪切各阶段的试样变形的发展、密实度的变化，就制样方法对砂土CD试验各个过程的影响进行了研究。

2 试验设备与方法

2.1 全表面变形数字图像测量系统

测量系统主要由基于USB2.0/1394数据传输技术的CMOS摄像机、计算机和计算机图像处理软件组成。除此之外，在常规三轴试验仪的基础上对压力室进行了改造。为了防止在图像采集过程中外部光源对角点识别精度造成影响，特意加设了遮光罩，并将摄像机置于遮光罩内部。试验装置如图1所示。

2.2 试验土料与方法

试验土料采用大连河砂和过0.5 mm标准筛的福建标准砂，基本参数如表1所示，根据GB 50007—2011建筑地基基础设计规范将河砂定名为中砂，标准砂定名为细砂。采用干装敲击法(Dry Tapping，简称干装法，DT)和湿装夯击法(Moist Tapping，简称湿装法，MT)两种制样方法制成常规三轴试样。干装法制样时，在三轴仪底座上将四份等质量烘干的砂土分层装入对开承膜筒中，控制每层砂土的高度至最终成样；湿装法制样时，在击实筒中将加入等质量无气水并搅拌均匀的四份砂土，分层夯实到指定高度至最终制成具有一定初始含水率的湿装样。控制河砂相对密实度Dr分别为30%和70%，标准砂取70%，连续施加100 kPa，200 kPa，300 kPa围压并逐级固结稳定，最后在300 kPa围压条件下排水剪切，应变控制式加荷，剪切速率为0.16 mm/min。

表1 河砂和标准砂的基本参数

3 试验结果与分析

3.1 试样饱和与固结过程

无黏性土试样从制备到排水剪切一般包括以下几个步骤：1)采用某种制样方法制备要求密实度的试样；2)加20 kPa围压；3)以一定压力通CO2，替换试样内部的空气；4)通无气水至试样饱和度达到95%以上；5)施加指定围压排水固结至稳定；6)采用一定速率排水剪切直至试样破坏。全表面变形数字图像测量系统可以实现上述过程2)～过程6)每个阶段中试样的变形测量。图2为Dr=30%,70%的河砂及Dr=70%的标准砂在过程2)～过程5)中轴向应变εa、径向应变εr及体应变εv随时间t变化的曲线。其中，过程5)采用从20 kPa依次施加到100 kPa,200 kPa,300 kPa围压固结，每级围压下均固结稳定后再施加下一级围压。

图2中可以看到，施加20 kPa围压和通CO2的过程中，试样均有微小的体应变。其中，70%标准砂干装样表现出明显的体胀趋势。这种体胀趋势主要是由于CO2通入试样中产生轻微的径向变形所引起的，对试样的轴向变形没有太大的影响。然而在通无气水饱和阶段，干装样和湿装样则表现出了不同的变形特性，表现为：河砂干装样在通水时刻应变有一个较明显的突变，即试样在无气水和20 kPa围压条件下产生了压缩变形，并随着密度减小而增大；河砂湿装样在通水阶段则没有明显的突变现象，但是随着试样逐渐饱和，体积产生了较小的膨胀，特别是密实的湿装样较明显，应变主要发生在径向，对轴向应变影响较小；标准砂干湿装样在饱和阶段受无气水的影响没有河砂明显，体应变在±0.1%左右，应变量很小。由试验结果可知，对于河砂，干装法并不可取。饱和阶段无气水对干装样的影响机制还有待进一步研究。

图3为固结阶段试样在三个围压下径向应变εr与轴向应变εa的关系曲线。其中，应变以试样饱和后的状态起算。试样在各向等压固结条件下，如果径向应变εr与轴向应变εa相同，即试样表现为各向同性性质，否则为各向异性性质。由图3可知，因制样方法的不同，两种砂土表现出了不同程度的初始各向异性，即：河砂湿装样的各向异性强于干装样，但是，标准砂干装样的各向异性却强于湿装样，不同砂土表现不同。砂土颗粒在外力条件下发生定向排列是形成土体各向异性的重要因素。对于纯净的标准砂来说，湿装法制样时由于水的影响使得颗粒难以定向排列，干装法制样时颗粒在重力的作用下，颗粒长轴更倾向于水平排列，表现出的各向异性比湿装样要强；但是对河砂来说，因其颗粒性状与颗粒级配不同于标准砂，这有可能是除了重力和水等因素外河砂干湿装样各向异性特征有别于标准砂的原因。

3.2 试样剪切过程

所有河砂试样在剪切过程中均为鼓胀破坏，由图4a)可见，在300 kPa围压下，干装样和湿装样的应力应变关系有很大差异。密实的河砂干装样比湿装样表现出明显的应变软化现象，而疏松的河砂干装样和湿装样均表现出应变硬化现象，并且干装样的峰值应力要高于相同初始密实度的湿装样。标准砂在剪切过程中因制样方法的影响却没有河砂试样明显：在剪切初期，干装样和湿装样的偏应力随轴向应变的变化基本一致，见图4b)；在剪切后期，干装样和湿装样均出现剪切带，其中干装样的剪切带发育情况比湿装样更完全。

3.3 原因分析

主要考虑试样密实度的变化。表2给出了各试样在过程2)～过程5)中相对密实度的变化。由表2可见，各个过程对试样的密实度有不同程度的影响：过程2)施加初始20 kPa围压和过程3)通加CO2这两个过程对试样的密实度几乎没有影响，密实度的变化都很小；过程4)通水过程只对疏松河砂干装样的密实度影响比较明显，饱和后的相对密实度提高到了38.07%，试样由疏松变为中密，而疏松状态的河砂湿装样密实度几乎没变，说明制备疏松的河砂试样，干装法并不可取。在过程5)固结过程结束后，疏松和密实的河砂试样在剪切前干装样均比湿装样要密实很多，这是河砂干装样的应力峰值高于湿装样的一个原因。与河砂不同，固结后标准砂干装样的密实度低于湿装样，但是干装样的应力峰值依然高于湿装样，并且后期剪切带的发育程度也不相同。因此，固结后的密实度并不是唯一决定干装样和湿装样力学特性差异的原因。这与采用静力三轴仪研究原状与重塑粉土固结不排水剪切特性的结论[4]相同，其将产生试验结果差异的原因归结于试样结构的不同。

表2 过程2)～过程5)中试样的相对密实度

4 结语

基于装配了全表面变形数字图像测量系统的静力三轴仪，研究了密实、疏松两种状态的饱和河砂及密实的饱和标准砂在饱和、固结和排水剪切试验各个阶段试样的变形发展和密实度变化，得出主要结论如下：1)试验过程中的饱和阶段和固结阶段都会对试样的变形和密实度产生影响，其程度因砂土类型和制样方法而异。其中，通无气水饱和过程对干装天然河砂疏松试样影响较大，建议谨慎选用干装法制备疏松的河砂试样。2)试样饱和过程以及固结后密实度的变化并不是导致干装样和湿装样剪切特性差异的主要原因，应该与试样内部结构特征有关。

[1] 郭 莹,高军程.初始成样含水率对饱和细砂固结与剪切过程的影响[J].防灾减灾工程学报,2013,33(5):510-516.

[2] Vincent B, Gregorio De. Loading systems, sample preparation, and liquefaction[J]. Journal of Geotechnical Engineering,1990,116(5):805-821.

[3] 刘 潇,邵龙潭,郭晓霞.土工三轴试验试样全表面变形数字图像测量系统的精度分析[J].岩石力学与工程学报,2012,31(S1):2881-2887.

[4] 郭 莹,王跃新.原状与重塑粉土固结不排水剪切特性的对比试验[J].水利学报,2011,42(1):68-75.

Study on the influence of sample preparation on image measuring system of sand

Mo Yanbao Guo Ying*

(StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

Deformation in the process of Consolidation Drained shear(CD) test of the nature river sand and standard sand in various densities which made by Dry Tapping and Moist Tamping method has been studied by the whole-surface digital image measuring system. Results reveal that the specimens show the different mechanical properties by different sample preparation methods in the stage of saturated, consolidation and shear, the change of the density occurred in all the stages can’t be the main reason.

sand, measuring system, CD test, density

1009-6825(2017)10-0070-03

2017-01-21

莫颜保(1991- )，男，在读硕士

郭 莹(1963- )，女，博士，副教授

TU441.4

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