温度对透明砂土强度特性影响试验研究

2022-11-30孔纲强张天聪周杨孙学谨杨庆

铁道科学与工程学报 2022年10期

孔纲强，张天聪，周杨，孙学谨，杨庆

(1. 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点试验室，江苏南京 210098；2. 悉地(苏州)勘察设计顾问有限公司，江苏苏州 215000；3. 大连理工大学海岸与海洋工程国家重点试验室，辽宁大连 116024)

透明固体颗粒与折射率相匹配的孔隙液体混合，可制配成饱和透明土用于模拟天然饱和土[1]，以开展土体内部位移场和渗流场等物理模型试验的可视化研究。在模拟天然砂土的透明土制配方面，2010年，ISKANDER等[1-2]首次将熔融石英砂确定为潜在的制配透明土的固体颗粒材料之一；SUITS等[3-6]针对熔融石英砂和2种矿物油的混合物(折射率为1.458 5)制配的透明土材料，开展了物理力学性质测试，并与天然砂土物理力学性质进行对比分析，初步验证了其模拟天然饱和砂土的可行性。围绕由熔融石英砂和孔隙液体制配成的饱和透明砂土，孔纲强等[4,6-7]系统探讨了其强度特性、变形特性以及动力特性，初步揭示了孔隙液体对饱和透明砂土的力学特性及渗透特性的影响规律[8-9]，并分析了相关力学特性与天然砂土之间的异同点，进一步完善了该透明土材料的力学参数。温度引起的土体强度和变形问题是现阶段岩土工程领域的热点课题之一[10]。既有研究结果表明，饱和透明砂土的透明度依赖于孔隙液体与熔融石英砂固体颗粒的折射率的匹配程度；而孔隙液体的折射率对温度的敏感程度很高，温度变化会影响孔隙液体折射率，从而降低饱和透明砂土的透明度[5]。基于数字图像处理技术，通过观察温度变化引起的透明土材料的透明度变化，分析其相应灰度值、图像像素强度的变化与温度变化的关系，BLACK等[11-12]分别分析了透明土材料中热传递与交换过程，能量桩桩周温度场的变化规律；由此也证明了基于透明土材料和数字图像处理技术研究土体内部温度场的可行性。相关研究结果表明，温度改变会影响天然砂土的强度和变形特性[13-14]。温度影响下饱和透明砂土的力学性质变化，对基于透明土试验技术研究土体内部温度场的研究具有重要的意义。为此，本文基于温控三轴仪，针对熔融石英砂和有机溶液(混合油)制配而成的饱和透明砂土试样，开展一系列温控三轴固结排水(CD)试验，研究不同温度下透明砂土的强度与变形特性，为依托透明砂土模拟天然砂土内部温度场的可视化模型试验方法与应用提供技术支撑。

1 试验概况

1.1 透明土材料级配及特性

饱和透明砂土，由熔融石英砂和与之折射率一致的孔隙液体制配而成。试验选用的熔融石英砂由徐州新沂万和矿业有限公司生产，其实物图如图1所示，颗分曲线如图2所示，粒径分布级配参数见表1所示；粒径范围为0.1～1.0 mm，D60和D10的值分别为0.35和0.11。

表1 透明砂土粒径分布级配参数Table 1 Distribution of particle size gradation parameters of transparent sand

孔隙液体由5号白油和正12烷按质量比4:1混合制配而成，其折射率与熔融石英砂一致，均为1.458 5。饱和透明砂土的物理力学性质可参考文献[3-4]。

透明砂土的具体制备过程如下：熔融石英砂洗净烘干，去除杂质和水分；在常温条件下配制孔隙液体，由阿贝折射仪测定液体折射率，使其折射率达到1.458 5。先在模型槽里倒入配制好的孔隙液体，然后将熔融石英砂分层缓慢倾倒入孔隙液体中，并用玻璃棒不断搅拌，保持液体水平面略高于熔融石英砂颗粒表面。将试样置于真空箱中，利用真空泵抽真空，以去除试样中的气泡，抽真空后静置至气泡完全消失为止。

1.2 温控三轴试验制样及试验工况设计

综合考虑仪器的温度量程范围和现实工况，本文针对2种不同温度(25 ℃和50 ℃)下的透明砂土试样，进行4种不同围压(50，100，200和400 kPa)下的温控三轴试验。其中25 ℃对应常温下的土体，50 ℃对应高温条件下的土体。试验采用的应变控制温控三轴试验装置的实物图和示意图分别如图3(a)和3(b)所示。温控系统包括加热器、混合器和温度传感器，温度传感器安装在压力单元室内并连接到温度控制单元。试验根据《土工试验规程》[16]制备试样并饱和。制样时分层装样，并分层压实，确保密实度。试样直径为39.1 mm，长径比为2:1，制样目标相对密实度为60%(SUN等[17]研究表明，当相对密实度在60%左右时，配制得到的透明土透明度最优)。制样时采用双层乳胶膜，以避免有角颗粒刺穿膜，并最大限度地减少孔隙液体对乳胶膜的降解[3]。考虑实际工程情况，本文采用固结排水(CD)试验。孔隙液体黏度大导致透明土制配过程中易产生气泡、难以完全饱和，采取反压饱和，使得试样实现饱和。

透明砂土试样温控及加载路径如图4所示(其中：p为平均有效应力；q为剪应力；T为温度)。剪切(偏)应力q和有效平均应力p可由公式q=σ1-σ3，p=(σ1+2σ3)/3求得，σ1和σ3分别为轴向应力和围压应力。试验步骤如下：

1) 各向同性固结(路径0→1)。

2) 排水升温(路径1→2)。

3) 排水剪切(试验的路径1→3或环境温度50 ℃下的路径2→3′)，通过应用标准三轴剪切路径或通过应用一个恒定的p路径。

2 试验结果与分析

2.1 热致体变规律分析

在固结至设定围压(点1)后，在排水条件下升高试样的温度(路径1→2，从25 ℃至50 ℃)(图4)。排水加热过程中土体的体积应变可以由饱和试样中排出的水的体积计算得到。假定收缩体积变化为正、膨胀为负。透明砂土试样的热致体积应变规律曲线如图5所示；由图5可见，加热会使透明砂土试样产生膨胀；本文试验条件下，透明砂土的热致体积应变随着围压的增大而变化相对更大。透明砂土的热体积变化如图5所示；LIU等[18]标准砂试样相应的热体积变化(相对密度为90%，50，100和200 kPa围压，25，35，45和55 ℃温度条件下)也显示在图5中。由图5可知，二者在温度升高的过程中都呈现出体积膨胀趋势；在同等围压条件下，升温引起的透明砂土体积应变大于标准砂。这可能是由如下2方面原因造成的：1) 相对密实度对体积变形存在一定影响；2) 孔隙液体的热膨胀性质和砂土存在一定的差异。另外值得注意的一点，标准砂的热体积应变随围压的增大并无明显变化规律，表明围压对于标准砂热体积变化影响相对较小，透明砂土热体积应变受围压的影响相对明显，围压越大其热体积应变越明显。综上所述，温度效应对透明砂土体积应变的影响不同于标准砂，温度升高引起的透明砂土热体积应变大于标准砂，且透明砂土热体积应变对围压的敏感度也大于标准砂。这一区别特性在利用透明砂土模拟天然砂土的实际工程中应当引起重视。

2.2 温度对抗剪强度的影响规律分析

在不同围压σ3下加热至不同温度后透明砂土试样的剪切应力-应变曲线分别如图6和图7所示。50，100，200和400 kPa围压、25 ℃和50 ℃温度条件下透明砂土应力-应变曲线分别如图6(a)～6(d)，图7(a)～7(b)所示。由图6可见，在高温下测试的试样显示出更高的剪切强度。还研究了在大应变下不同温度的剪切特性，在∂q/∂εs=∂εv/∂εs=0的情况下，高温下获得的剪切应力往往与环境温度下测试的试样处于不同的临界状态(εs是偏应力或剪切应变，εs=2(ε1-ε3)/3)。这与在不同温度下剪切的试样的体积变化趋势一致。由图7可知，给定温度下土的抗剪强度随着围压的增加而增加，增加围压会导致屈服前出现更强的响应，并增加最大偏应力。不同围压、不同温度条件下透明砂土剪切过程中的热体积应变曲线分别如图6(a)～6(d)，图7(a)～7(b)所示。由图6可知，相较于常温条件，高温条件使试样呈现膨胀性的体积变化趋势，在高围压下膨胀更为明显。由图7可知，透明砂土试样在低围压下表现出高度的膨胀响应，土的剪胀性随着围压的减小而增大。

在25 ℃和50 ℃下进行的三轴剪切试验获得的割线模量如图8所示。轴向应变ε1为0.5%时的初始割线模量由不同围压和温度条件下的应力-应变曲线计算得到。由图8可知，围压增加初始割线模量增大，且所有试样的初始割线模量都随着温度的升高而增加。高温下透明砂的强度增长和弹性模量可能受到孔隙液体的影响。孔隙液体(混合油)不同于水。标准砂试样[10]的割线模量结果也显示在图8中。由图8可知，二者初始割线模量受围压影响的变化趋势基本相同，但是相较于透明砂土，不同温度条件下标准砂的割线模量并无明显变化规律，且二者割线模量值存在一定的差别，这可能是由于标准砂为密实砂样，也可能是孔隙液体不同于砂土的热性质所导致的。

温度对孔隙液体黏度的影响如图9所示；由图9可知，透明砂土试样中孔隙液体(由5白油和正12烷混合)的黏度随着温度的升高而降低。

2.3 温度对临界状态的影响

透明土试样、既有文献获得的p-q临界状态线以及Ottawa砂[15]的p-q破坏包络线均如图10所示。由图10可知，各种试验条件(25 ℃和50 ℃)下的CSL线(Critical state line即临界状态线)相似，50 ℃温度条件下p-q线的斜率略高于25 ℃温度条件下的试样；从临界状态来看，透明砂土的平均内摩擦角略大于ASTM-Ottawa砂；25 ℃和50 ℃温度条件下，透明砂土材料的临界状态M值[19](即p-q线的斜率)分别为1.08和1.10，在天然砂的UH模型中，应力比的临界状态M值是主要输入参数之一，M增大，说明土体能够承受更高的剪切峰值应力比。这种差异也可能是由于孔隙液体的黏度变化造成的。