砂柱法制样及剪切速率对黏性粗料三轴试验的影响

张富臣 王鹏程 张庆建 李玉贵 于磊

摘要：对砂柱法和常规方法制备的黏性粗粒土三轴试样进行饱和试验，对比其饱和效果，同时为论证砂柱对土体排水效果、应力-应变关系和强度特性的影响，开展砂柱法试样和常规试样在不同剪切速率下的三轴CD剪试验，并讨论剪切速率对试验的影响。试验结果表明：砂柱法配合反压饱和6 h，试样基本饱水均匀；常规试样的速率敏感度较高，随着剪切速率的增大，强度指标φd减小、Cd增大，同一围压下，峰值偏应力减小；体应变εv与剪切速率呈反比，且围压越大，越不利于土体排水，峰值偏应力减小的幅度越大；剪切速率与Ei呈反比，与Bi成正比，邓肯-张模型参数Rf、k、n、D和F值随剪切速率的增大而减小；砂柱法制备的试样速率敏感度较低，且砂柱法试样在0.3 mm/min剪切速率下具有同常规试样0.03 mm/min剪切速率下相似的三轴应力-应变特征；该方法获取了相近的CD剪强度指标和邓肯张模型参数，同时缩短了试验在饱和-固结-剪切3个阶段的用时，大幅提高了试验效率，具有良好的经济效益。研究结果可为与黏性粗粒土三轴试验相关的实践和研究工作提供参考。

摘要：黏性粗粒土； 剪切速率； CD剪； 砂柱法； 三轴试验

中图法分类号： TV16

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.01.031

0 引 言

土石坝已经成为水利水电大坝工程中应用最广泛、发展最迅速的一种坝型，透水性小的黏性粗粒土常常被用作心墙土料起到防渗作用［1］。为研究黏性粗粒土的应力-应变性质，通常需要在室内进行大型三轴试验，通过固结排水剪（CD）试验以确定相关模型参数，为工程设计提供必要依据［2-5］。然而，在实际工作中往往存在以下问题：① 黏性粗粒土透水性差，饱和耗时长，传统的抽气饱和法和反压饱和法均很难使试件土体快速均匀饱和；② 剪切速率问题，为保证试样内的孔压充分消散，加载速率必须很低，而较慢的剪切速率大大拉长了试验周期。由于对黏性粗粒土三轴剪切速率的研究资料甚少，试验剪切速率一般参考细粒土三轴试验结果而设定［6］。

為解决黏性粗粒土三轴试验的饱和问题，郑星等［7］于2015年发明了一种黏性粗粒土大三轴试验快速饱和、排水结构的实用新型专利。该方法采用砂柱法对黏性粗粒土试样进行饱和，在理论上加快了大型三轴黏性土料试样的饱和速度，同时缩短了固结和剪切时的排水时间，提高了试验效率，但缺乏相关试验数据支撑，尤其是砂柱结构对黏性土三轴试样应力-应变性质的影响，亟需论证。关于黏性粗粒土三轴剪切速率的研究，目前主要集中于三轴不排水剪（CU）试验［8-16］，认为剪切速率对孔压影响较大，土料性质不同，速率敏感度有较大差异。针对剪切速率对固结排水剪（CD）影响的研究较少，韩胜利等［17］研究认为剪切强度随剪切速率的增大而增大，而朱俊高等［18］对掺砾心墙料的研究结果表明，剪切强度与剪切速率成反比，并对土体的变形性质展开了讨论。

本文利用砂柱法制备黏性粗粒土三轴试样，验证砂柱对黏性粗粒土试样的饱和效果，论证砂柱对土体排水效果、应力-应变关系和强度特性的影响；为与常规制样试验形成对比，同时开展不同剪切速率下的三轴CD剪试验，讨论剪切速率对试样应力-应变特征、邓肯-张模型参数的影响。

1 研究方案

1.1 试验土料

选用黏性粗粒土料BKSJ进行试验，三轴试验按照最优含水率和最大干密度制样。试验在SZ30-4DA型粗粒土三轴压缩试验仪上进行，试样为圆柱体状，直径为30 cm、高60 cm，允许最大粒径60 mm，对超粒径（＞60 mm）土料按照等量替代法处理。试料的最优含水率、最大干密度、混合比重、理论饱和含水率、渗透系数等参数如表1所列，天然级配和试验级配如表2所列。

1.2 砂柱法制样

如图1所示，在试样轴心埋置贯通孔砂柱，沿试样高度方向等分4个横截面，横截面处设置十字沟槽，沟槽内埋置细砂并以贯通孔为交点。控制贯通孔及沟槽直径φ为1 cm。

1.3 试验方案

对常规装填试样和砂柱法试样分别采取抽气法与反压法进行饱和。常规试样抽气法饱和24 h，反压法饱和12 h，砂柱法试样抽气法饱和12 h，反压法饱和6 h，各组试样饱和完毕后，自上而下均分5层测含水率。反压饱和时，围压加载0.625 MPa，反压加载0.6 MPa。

对常规试样和砂柱法试样进行三轴CD剪试验，常规试样分别以剪切速率0.03，0.07 mm/min和0.30 mm/min完成3组（后文分别以慢、中、快速剪形容），各组试验剪切到轴向应变20%的时长分别为66.6，28.6 h和6.7 h，砂柱法试样则以0.03 mm/min和0.30 mm/min的剪切速率完成2组试验。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

为验证砂柱法制样的饱和效果，在到达预设时长后分别取出砂柱法试样和常规试样，自上而下等分5层测含水率。试验结果如表3所列。

对制备好的常规试样采用反压饱和12 h、砂柱法试样反压饱和6 h后开始固结，固结完成以固结曲线不再发生明显变化为标准，对轴向应力无明显峰值的试验取轴向应变15%处的偏应力为峰值偏应力，各组试验强度指标结果如表4所列。

2.2 饱水效果

本文以理论饱和含水率为基准，计算土体各层位的饱和度。在反压作用下，试样局部可能稍大于理论含水率，饱和度按1计算。如图2所示，常规制样后，抽气饱和24 h，试样仅顶底两面直接触水的部分含水率较高，饱和度接近0.9，试样中部含水率较低；采用反压饱和12 h后，试样整体的饱和度大于0.9，含水状态不均匀，上顶部含水率甚至大于理论饱和含水率，这是反压长时间在试件顶面作用的结果。砂柱法制样抽气饱和12 h后，试样饱和效果明显优于同样饱和方式的常规制样，但饱和水更多集中于顶底两面和砂柱通道附近，在无压力水的作用下，砂柱通道中的水依旧难以进入土体使其充分饱和；反压饱和6 h后，试样整体饱和度接近1，虽然各部位含水率稍有差异，但相对较小，可认为土体已饱水均匀。试料BKSJ渗透系数为4.71×10-8 cm/s，属于极微透水土，抽气法对试样饱和效果不理想，反压饱和法对于常规试样是一种有效的饱和手段，但往往饱水不均匀，而砂柱制样配合反压饱和，可以实现土体快速均匀饱水。

2.3 强度特征

试验结果表明，常规试样的速率敏感度较高，同一围压下，随着剪切速率增大，偏应力峰值强度减小，对比各组试验，剪切速率与强度指标φd成反比，与Cd和Δφ成正比。为进一步研究剪切速率对峰值强度的影响，整理了不同剪切速率下峰值强度随围压的变化关系，如图3所示。由图可知相同剪切速率下峰值偏应力随围压的增加几乎呈线性增长，当围压较小时（前两级），偏应力随着剪切速率的增加变化幅度不大，随着围压增大（后两级），偏应力随着剪切速率的增加明显减小。砂柱法制备的试样速率敏感度较低，随剪切速率的大幅增加，峰值偏应力下降幅度较小，强度指标呈Cd增大、φd减小的变化趋势，与常规试样试验规律相似，但变化幅度较小。

为分析砂柱法试样和常规试样在不同剪切速率下的强度误差，本文以常规试样慢速剪切（0.03 mm/min）为基准，分析相对误差（δ）变化。δ为负值表示偏小，正值表示偏大，δ～σ3关系曲线如图4所示。常规试样在中速和快速剪切下具有相似的曲线规律，相对误差δ基本为负值，且随σ3的增大整体呈下降趋势，剪切速率越大，|δ|值越大。反观砂柱法试样，不同σ3下δ基本接近0或者大于0，|δ|值也远远小于常规制样后的中、快速剪。理论上，对常规试样的固结排水剪（CD）试验，剪切速率越小所得结果越合理。尽管0.03 mm/min剪切速率已经很慢，但剪切过程中试样内部依旧有较小的孔压对试验造成影响。而砂柱法试样有利于孔压消散，其剪切过程或可以看做常规试样在更小剪切速率下进行试验，某种程度上代表固结排水剪的上限。

2.4 应力-应变特征

为对比分析各试样的应力-应变特征，分别绘制砂柱法试样在0.03 mm/min和0.3 mm/min剪切速率下与常规试验在0.03，0.07 mm/min和0.3 mm/min剪切速率下的（σ1-σ3）～ε1和εv～ε1关系曲线，即偏应力-轴向应变关系曲线和体应变-轴向应变关系曲线，如图5所示。

体应变（εv）曲线可以直观反映排水量变化，砂柱法制备的试样具有典型的双曲线特征，而常规制样试件，随着剪切速率变大，曲线逐渐从双曲线向线性趋势变化，表明在较快剪切速率下，试样排水不充分，试验结束时试样内部依旧有水在快速排出。此外，随着围压增大，曲线斜率有变大的趋势，表明围压越大，越不利于试样中水的快速充分排出。常规制样后，慢速剪时，第1级和第2级围压下εv分别在2.4%和2.7%左右，第3和第4级在3.1%～3.5%之间；中速剪时，第1级和第2级围压下εv在1%～2%之间，第3和第4级在2.0%～2.5%之间；快速剪时，εv明显偏小，第1～4级在1.0%～1.3%之间。以慢速剪（0.03 mm/min）为基准，中速剪和快速剪切的εv平均相对误差分别为-32.5%和-62.5%（负值表示偏小），而砂柱法在0.03 mm/min和0.3 mm/min剪切速率下的εv与其相近。整体来看，εv与剪切速率成反比，较慢的剪切速率有利于试样中水的充分排出，而快速剪切下水未充分排出就已完成20%的轴向应变，试验结束。

由（σ1-σ3）～ε1关系曲线可知，砂柱法试样与常规试样在0.03 mm/min剪切速率下呈典型的双曲线型，在ε1较大时，σ1-σ3趋于平缓，呈现应变硬化的特征。常规制样后随剪切速率的变大，（σ1-σ3）～ε1关系曲线应力硬化现象逐步增强，即双曲线的收敛特征越来越弱，在试验结束前，轴向应力还在以较快的速率增加。剪切速率对常规方法制备的试样应力应变强度性质影响显著，剪切速率越大，越不利于试样中水的充分排出，较大的孔隙水压力使试样抵抗变形的能力减弱，改变了土体的应力-应变性质，而砂柱有利于试样土体排水，砂柱法制备的试样对剪切速率的敏感度低，快速剪切时具有和慢速剪相似的应力-应变特征。

2.5 变形特征

为进一步了解砂柱法制样和剪切速率对试样变形特征的影响，整理各组试验的初始切线模量（Ei）和初始体积模量（Bi），如表5所列。绘制Ei～σ3与Bi～σ3关系曲线，如图6和图7所示。

如图6所示，各试验具有相似的Ei～σ3曲线趋势，随着σ3的增大，Ei逐漸变大，其中砂柱法试样和常规0.03 mm/min试样曲线近乎一致，而常规试样随着剪切速率的增大，Ei值减小。以0.03 mm/min为基准，0.07 mm/min和0.3 mm/min剪切速率下的Ei平均相对误差分别为-13.5%和-27.0%。

如图7所示，砂柱法试样和常规0.03 mm/min试样的Bi～σ3曲线近似线性，随着σ3的增大，Bi稍稍变大。而常规试样随着剪切速率增大，Bi～σ3曲线呈现非线性关系，其中0.3 mm/min的曲线尤为明显，随着σ3的增大，Bi上升速率逐渐变快，曲线呈上凹型。以0.03 mm/min为基准，0.07 mm/min和0.3 mm/min剪切的Bi平均相对误差分别为71.9%和221.5%。

以上变形特征表明，随剪切速率增大，常规制备的试样内部孔压容易集聚，土颗粒间的联结强度变弱，难以抵抗外力的作用，土颗粒发生相互错动且重新排列，试样变形随着这种作用的增强而不断增大，因而初始切线模量Ei呈下降的趋势。较快的剪切速率不利于试样快速充分排水，体积变形偏小，则初始体积模量Bi偏大，围压对土体排水的限制作用显著，快速剪切的试样在大围压下排水尤为困难，Bi值呈指数上升。砂柱法制备的试样有利于饱和水充分快速排出，快速剪切时土体也不易因孔压累积过大而改变试样变形性质。

2.6 邓肯-张模型参数

为进一步分析砂柱法制样和剪切速率对邓肯-张模型参数的影响，整理各组试验的E～μ模型参数如表6所列。

由表可知，常规制备的试样随剪切速率增大，破坏比Rf呈下降趋势，Ei参数k、n值逐渐减小，参数F和D减小。砂柱法制备的试样邓肯-张参数随剪切速率增加变化不大，与常规慢剪试样E～μ模型参数大小相近，在剪切试验过程中土体具有相似的变形性质。

3 讨 论

一般认为，影响黏性粗粒土大三轴试验的主要因素有土料性质、制样密度、饱和固结程度等。通过对常规试样不同剪切速率下试样应力-应变性质的分析表明，剪切速率的增大弱化了土体力学性质，而与砂柱法试样的进一步对比可知，导致试样抵抗变形能力变弱的直接原因是快速剪切下土體排水能力的衰减。

对于常规试样，土体在剪切过程中饱和水沿土颗粒间的毛细通道缓慢排出，宜设置较小的剪切速率，一旦速率过大，饱和水由于无法快速排出而在土体内部累积形成孔压，随着孔压逐渐变大，原有的毛细通道进一步无序扩张，破坏试样内部结构，使得峰值偏应力变小。在低围压下，土骨架的支撑作用承担载荷，土颗粒间的强胶结作用抑制孔隙水压的产生；在大围压下，试样的侧向约束力大，初始试样土颗粒之间接触紧密具有较大的黏结力。慢速剪切时，较小的应力作用不易使试样破坏，但快速剪切时，紧密咬合的土颗粒反而越不利于土体排水，孔压在试样内部迅速累积，当增大到一定程度时，原有较少的毛细通道迅速扩张，改变了土颗粒间的黏结结构，试样抵抗轴向应力的能力快速变弱。因此，在大围压下，轴向应力随剪切速率的增加大幅下降。

对于砂柱法制备的试样，直观地看，砂柱可能会破坏土体的完整性，对试样三轴强度造成一定程度折损，但试验结果表明，直径1 cm的砂柱并未明显折损试样强度，反而在快速剪切下获得了同常规试样慢速剪相似的强度指标。究其原因，砂柱不同于试样中的（隐微）裂隙，裂隙往往是不规则的，且具有分散扩张趋势，而砂柱呈规则圆柱体状相互连通，在较快剪切速率下，饱和水先通过土颗粒间的毛细通道汇入砂柱，再顺砂柱排出土体，不易因孔压累积过大而破坏试样结构。

本文对砂柱法试样和常规试样的三轴CD剪应力-应变特征进行了较为详尽的对比分析，从经济角度考虑，砂柱法试样大大缩短了试验周期，具有良好的经济效益，但砂柱直径大小对试样整体结构的影响是复杂的，土体微观结构的变化以及与实际工况的相关性等方面仍需展开进一步深入研究。

4 结 论

（1） 采用直径为1 cm的砂柱法制备黏性粗粒土大三轴试样，配合反压饱和6 h后，试样基本实现均匀饱水，与常规试样相比，饱水速度快，效果好。

（2） 常规制备的试样对剪切速率敏感度较高，随剪切速率的增大，强度指标φd减小、Cd增大，同一围压下，峰值偏应力减小。体应变εv与剪切速率呈反比，且围压越大，越不利于排水，较大的孔隙水压力使试样抵抗变形的能力减弱，大围压下，峰值偏应力随着剪切速率的增加大幅下降。剪切速率与初始切线模量Ei呈反比，与初始体积模量Bi成正比。邓肯-张模型参数Rf、k、n、D和F值与剪切速率成反比，G值规律不明显。

（3） 砂柱法制备的试样对剪切速率敏感度较低，随剪切速率的大幅增加（0.03 mm/min至0.3 mm/min），试样强度特征和变形性质无显著变化。砂柱法试样在快速剪切下（0.3 mm/min）具有同常规试样慢速剪（0.03 mm/min）相似的三轴应力-应变特征，获取了相近的CD剪强度指标和邓肯-张模型参数，同时大幅缩短了试验周期，提高了试验效率。某种程度上，砂柱法试验可以代表黏性粗粒土三轴固结排水剪切的上限。关于砂柱对土体宏观和微观结构性质的影响还有待进一步深入研究。

参考文献：

［1］ 李广信，张丙印，于玉贞.土力学［M］.北京：清华大学出版社，2013.

［2］ 中华人民共和国水利部.碾压式土石坝设计规范：SL 274-2020［S］.北京：中国水利水电出版社，2020.

［3］ 刘赛朝，吴鑫磊，徐卫卫，等.堆石料缩尺效应试验研究［J］.人民长江，2021，52（1）：173-176.

［4］ 李向阳，左永振，周跃峰，等.坝基深厚覆盖层粗粒土原位密度与力学特性研究［J］.人民长江，2021，52（7）：180-184.

［5］ 贾宇峰，葛培杰，相彪，等.红石岩堰塞坝力学参数随机场模拟研究［J］.人民长江，2022，53（8）：173-178.

［6］ 中华人民共和国住房和城乡建设部，国家市场监督管理总局.土工试验方法标准：GB/T 50123-2019［S］.北京：中国计划出版社，2019.

［7］ 郑星，敖大华，张胜.一种黏性粒土大三轴试验快速饱和、排水结构：201521086059.3［P］.2016-08-03.

［8］ CRAWFORD C B.The influence of rate of strain on effectivestresses in sensitive clay［M］.Ottawa：ASTM Special Technical Publication，1959，254：36-48.

［9］ THOMAS C S，CHARLES C L，JOHN T G.Rate-dependent undrained shear behavior of saturated clay［J］.Journal of Geotechnical Engineering，ASCE，1996，122（2）：99-108.

［10］ ZHU J G，YIN J H.Strain-rate-dependent stress-strain behaviour of overconsolidated Hong Kong marine deposits［J］.Canadian Geotechnical Journal，2000，37（6）：1272-1282.

［11］ 高彦斌，汪中为.应变速率对黏土不排水抗剪强度的影响［J］.岩石力学与工程学报，2005，24 （增2）：5779-5783.

［12］ 周小军，邹强，向灵芝.粗粒土应力-应变特征试验［J］.西南科技大学学报，2012，27（4）：40-43.

［13］ 武建胜.不同剪切应变速率下软黏土力学响应及微观结构分析［D］.广州：广东工业大学，2018.

［14］ 冀慧，张涛.剪切速率对饱和黄土强度特性的影响［J］.电力学报，2015，30（5）：451-456.

［15］ 拓勇飞，孔令伟，郭爱国，等.湛江地區结构性软土的赋存规律及其工程特性［J］.岩土力学，2004，25（12）：1879-1884.

［16］ 蔡羽，孔令伟，郭爱国，等.剪应变率对湛江强结构性黏土力学性状的影响［J］.岩土力学，2006，27（8）：1235-1239.

［17］ 韩胜利，何昌荣，徐丽丽.剪切速率对心墙料应力-应变-强度特性影响［J］.路基工程，2009（6）：142-143.

［18］ 朱俊高，龚选，周建方，等.不同剪切速率下掺砾料大三轴试验［J］.河海大学学报（自然科学版），2014，42（1）：29-34.

（编辑：郭甜甜）

Influence of sample preparation by sand column method and shear rate on triaxial test of cohesive coarse-grained soil

ZHANG Fuchen，WANG Pengcheng，ZHANG Qingjian，LI Yugui，YU Lei

（China Water Resources Beifang Investigation，Design and Research Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China）

Abstract：

The saturation tests were carried out on triaxial samples of cohesive coarse-grained soil prepared by the sand column method and conventional method，and the saturation effects were compared.To demonstrate the influence of sand column on soil drainage effect，stress-strain relationship and strength characteristics，CD shear tests of sand column method samples and conventional samples at different shear rates were carried out，as well as the influence of the shear rate on the test were discussed.The test results were as follows：after combining the sand column method with pressure saturation for 6 hours，the sample was basically saturated with water evenly.The rate sensitivity of conventional samples was high.With the increase of the shear rate，the strength index φd decreased，Cd increased，and under the same confining pressure，the peak deviatoric stress decreased.The volume strain εv was inversely proportional to the shear rate，and the greater the confining pressure，the less conducive it was to soil drainage，and the greater the decrease of the peak deviatoric stress.The shear rate was inversely proportional to Ei and directly proportional to Bi，and the values of the DuncanChang model parameters Rf，k，n，D and F decreased with the increase of the shear rate.The rate sensitivity of the sample prepared using the sand column method was low.The sample prepared using the sand column method at 0.3 mm/min shear rate had similar triaxial stress-strain characteristics，CD shear strength index and Duncan-Chang model parameters to the conventional sample at 0.03 mm/min shear rate.The test time in the three stages of saturation-consolidation-shearing was shortened，so the test efficiency was greatly improved.The research results can provide a reference for the practice and research work related to the cohesive coarse-grained soil triaxial test.

Key words：

cohesive coarse-grained soil；shear rate；CD shear；sand column method；triaxial test