常压至高压下砂土强度、变形特性试验研究

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动力扰动和高温联合作用下砂岩力学特性及破坏特征

第 54 卷第 3 期2023 年 3 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.54 No.3Mar. 2023动力扰动和高温联合作用下砂岩力学特性及破坏特征任松1, 2，李凯鑫1, 2，张平1, 2(1. 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆，400044；2. 重庆大学资源与安全学院，重庆，400044)摘要：为分析不同动力扰动和温度条件下砂岩的力学特性和破坏特征，开展了单轴压缩试验和声发射试验。

首先，对中粒径砂岩试件进行不同温度的加热；其次，进行单轴压缩并全过程监测声发射信号；最后，结合峰值应变、单轴抗压强度等数据，分析砂岩的力学特性及破坏特征。

研究结果表明：循环扰动和温度作用对岩石强度影响极大，无循环扰动的试件抗压强度随温度升高而先上升后下降，其余试件抗压强度与两者呈负相关，且受温度影响更为显著；砂岩峰值应变随着温度升高呈先降低后上升的趋势，200 ℃为该类砂岩的拐点，砂岩峰值应变与循环扰动幅度呈正相关，有加速上升趋势，且对温度变化更敏感；试件临近破坏时，内部裂纹发展情况存在突变，R A (上升时间与幅值之比)和F A (平均频率)的分布明显变化。

F A /R A >K 的声发射信号急剧减少、F A /R A <K 的声发射信号陡然增多，新产生的裂纹中剪切裂纹占比很大，这种F A /R A 的波动与实际物理过程一致且更提前，可作为岩石破坏先兆；随着循环幅度和温度增大，试件内部新产生裂纹的主要形式由张拉裂纹向剪切裂纹逐渐转变，试件的宏观破坏形式也由脆性破坏向延性破坏逐渐转变。

关键词：动力扰动；高温；砂岩；声发射；破坏模式中图分类号：TU451 文献标志码：A 文章编号：1672-7207（2023）03-1087-11Mechanical properties and failure characteristics of sandstone under combined effect of dynamic disturbance and high temperatureREN Song 1, 2, LI Kaixin 1, 2, ZHANG Ping 1, 2(1. State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control, Chongqing University,Chongqing 400044, China;2. School of Resources and Safety, Chongqing University, Chongqing 400044, China)Abstract: In order to analyze the mechanical properties and failure characteristics of sandstone with different收稿日期： 2022 −08 −12；修回日期： 2022 −10 −25基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(52074048) (Project(52074048) supported by the National Natural ScienceFoundation of China)通信作者：任松，教授，长期从事岩土工程监测及可靠性分析、岩层稳定性及控制研究；E-mail ：**************.cnDOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2023.03.025引用格式：任松, 李凯鑫, 张平. 动力扰动和高温联合作用下砂岩力学特性及破坏特征[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2023, 54(3): 1087−1097.Citation: REN Song, LI Kaixin, ZHANG Ping. Mechanical properties and failure characteristics of sandstone under combined effect of dynamic disturbance and high temperature[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2023, 54(3): 1087−1097.第 54 卷中南大学学报(自然科学版)dynamic disturbances and temperatures, uniaxial compression tests and acoustic emission tests were carried out.Firstly, the medium-size sandstone samples were heated at different temperatures. Secondly, uniaxial compression test was carried out and the acoustic emission signal was monitored in the whole process. Finally, combined with the peak strain, uniaxial compressive strength and other data, the mechanical properties and failure characteristicsof sandstone were analyzed. The results show that cyclic disturbance and temperature effect have great influenceon rock strength. The compressive strength of the specimens without cyclic disturbance increases firstly and then decreases with the increase of temperature. The compressive strength of the other specimens is negatively correlated with both, and the effect of temperature is more significant. The peak strain of sandstone decreases firstly and then increases with the increase of temperature. 200 ℃ is the inflection point of this kind of sandstone. The peak strain of sandstone is positively correlated with the amplitude of cyclic disturbance, and has an accelerating upward trend, which is more sensitive to the change of temperature. When the specimen is close tofailure, there is a sudden change in the internal crack development, and the distribution of RA(ratio of rise time toamplitude) and FA (average frequency) values change significantly. The acoustic emission signal of FA/RA>Kdecreases sharply, and the acoustic emission signal of FA /RA<K increases sharply. The shear crack accounts for alarge proportion of the new cracks. The fluctuation of the FA /RAis consistent with the actual physical process andearlier, which can be used as a precursor of rock failure. With the increase of cycle amplitude and temperature, the main form of new cracks in the specimen gradually changes from tension cracks to shear cracks, and the macroscopic failure form of the specimen also gradually changes from brittle failure to ductile failure.Key words: dynamic disturbance; high temperature; sandstone; acoustic emission; failure mode随着社会经济快速发展，能源及基础设施需求强烈，涌现了大量高温工程，如地热开发、核废料处置和高地温隧道施工等。

砂土蠕变特性试验研究_杨奇

LABORATORY TEST STUDY OF CREEP BEHAVIOR OF SANDY
YANG Qi1，2，LENG Wuming1，NIE Rusong1，ZHOU Wenquan1，ZHU Wenbing1
(1. School of Civil Engineering，Central South University，Changsha，Hunan 410075，China；2. Mobile Post-doctoral Stations of Traffic and Transportation Engineering，Central South University，Changsha，Hunan 410075，China)
加载方案 Loading cases
?
1 200 1 400 压力 p/k线 p-
图2 Fig.2
9(2)层粉砂夹中粗砂土蠕变特性曲线
Creep characteristics curves of silty sand 9(2) containing medium and coarse sand
摘要：高速铁路对基础的变形要求十分严格，为研究高速铁路桥梁桩底砂土层的蠕变变形规律，获取其蠕变模型和模型参数，开展桩底砂土的蠕变试验。针对超长桩桩端高应力环境，通过室内侧限高压单向压缩试验获得桩底土样在多级荷载作用下的应力–应变–时间关系曲线。砂土的压缩变形主要经历瞬时变形、固结变形和衰减型稳态蠕变变形 3 个阶段。砂土黏弹性蠕变模量受应力水平影响小，蠕变模型可不考虑非线性流变特性。研制蠕变参数拟合程序(CPF)，并利用试验成果，对砂土蠕变模型进行识别和参数确定，结果表明，Schiffman 黏弹性模型能较好地描述桩底砂土层的蠕变变形特性。研究成果可供持力层为砂土的超长桩基工后沉降计算及评估利用和参考。关键词：土力学；砂土；蠕变试验；蠕变特性；流变模型；参数拟合中图分类号：TU 47 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2014)增 2–4282–05

砂土稳态强度试验研究及颗粒流模拟

《魏曼！！篇星第２章砂土的稳态强度试验研究三轴仪主要由主机、轴向力测量系统、轴向变形测量系统、轴向控制系统、围压控制系统、反压控制系统、孔隙水压力测量系统、计算机系统等几部分组成，其中轴向力测量、轴向变形测量、轴向控制等单元都装在一个控制箱内，而主机由围压室、轴向加载系统构成，另外围压控制系统及反压控制系统分别连接两个体积控制器。

该仪器最突出的优点就是它的加载及压力控制系统．通过调整上帽及底座的压力，可对土体施加压缩或拉伸荷载。

通过使用计算机控制系统，该设备可自动完成如下操作：（１）反压饱和／测量Ｂ值（２）各向同性固结（３）单调加载试验（４）循环加载试验（５）动态加载试验（６）Ｋｏ固结（７）应力路径试验以上所有试验都可以由应变控制或应力控制完成。

试验机配置的计算机系统，所有操作步骤均由计算机进行控制，同时计算机自动对试验数据进行采集和处理，试验曲线可同步在显示器上显示，便于及时发现问题。

试样直径可分别选用３￥ｍｍ、７５ｒａｍ、１００ｍｍ三种类型。

本试验采用的是直图２．２英国ＧＤＳ土体多功能三轴试验仪Ｆｉｇ．２．２ＧＤＳｔｒｉａｘｉａｌｔｅｓｔａｐｇａｍｓｔｕｓ１９！塞蜜怒！：妻罴第２鬻骖±豹稳悫强度试验研究径为３８ｍｍ，黼度为７６ｍｍ的试样。

２．１．２三皴辫切试验原理格瑶场取潮来得蟊柱髂瓣主（蒙敬榉）套在橡皮壤游或者在橡皮骥露装±成样（重塑样），放在密封的压力室中。

橡皮膜下端用橡皮嘲固定在底座上，上端同样用橡皮圈嗣定在试撑楼上，爱试撵内戆魏骧承与压力室内驰水完全隔开。

安装完成的试样如黼２．３所示。

张燎水通过试群下端懿逶窳石与魏隙水压力量测系统连通，绒者通过上端透水石与摊水管连通。

然露角压力黧内施加压力ｆ瘩压或气臌），使试件备向受到周嗣搓力以，压力在整个瓣续过覆孛操持不变，这时试件内各向的三个主图＂试簸用试样威力都相等，媳种情况为Ｆｉｇ·２·３Ｓａｍｐｌｅｆｏｒｔｒｉａｘｉａｌｔｅｓｔ等向固结，整个圈结过程笼编痊力＜赘藏秀）产垒。

高围压下冻结砂土的强度特性_马巍

第18卷　第3期1996年冰川冻土J O U RN A L O F GL A CIO L O GY AN D GEO CRYO LO GY V ol.18　N o.31996高围压下冻结砂土的强度特性①马　巍　吴紫汪　常小晓　盛　煜(中国科学院兰州冰川冻土研究所冻土工程国家重点实验室,730000)摘　要　在高围压条件下,对冻结兰州砂土在不同温度和不同应变速率下进行三轴压缩试验。

试验结果表明,围压的增大和应变速率的减小明显增强了冻土的塑性性能;同时,随围压的增大,冻土的抗剪强度增加,但随围压的进一步增加,它出现降低的趋势,存在一个临界围压,此临界围压值随温度的变化而变化,但不随应变速率而变化。

关键词　高围压　冻土　强度1　前言砂土是常见的地基土中的一种。

早在30年代,Tsy tovich(1975)在不同的加荷速率和负温下进行了冻结砂土的单轴压缩试验,并得出随着加荷速率的增加或负温的降低,其单轴压缩强度随之增加。

此后又有许多学者研究了不同条件下冻结砂土的强度特性,得到过类似的结论,一些重要的结论已被广泛应用于工程设计当中。

但是围压对冻土强度的影响也是一个不可忽略的因素,自60年代以来,许多学者致力于冻土三轴强度的研究并得出:静水压力的作用仅仅是增强了冻土内部的强化作用,即增加了冻土的强度的结论。

随着研究的进一步深入,有学者(Chamberlain et al.,1972;Pa ram eswa ran et al., 1981;Jo nes et al.,1983;Maw ei et al.,1993)通过试验发现,随着围压的增大,冻土的强度会出现最大值;随着围压的继续增大,强度逐渐降低。

此结论的正确与否,或高围压冻土的强度如何变化,直接关系到冻土地基的稳定性评价、人工冻结凿井工程的设计施工以及多年冻土区洞、坑、道的开挖和地震波的传播等。

为了能更好地了解冻土的高围压特性,我们在不同的围压下,对饱水冻结兰州砂土在不同温度和不同变形速率下进行了三轴压缩试验,希望能为工程实践提供可靠的理论依据。

波浪荷载作用下砂土变形特性的模拟试验研究

波浪荷载作用下砂土变形特性的模拟试验研究
张晨明;董秀竹;郭莹;栾茂田
【期刊名称】《地震工程与工程振动》
【年(卷),期】2005(25)2
【摘要】利用新研制的“土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪”模拟波浪荷载作用,对福建标准砂进行了4组三轴-扭转耦合振动剪切试验,以研究海床砂土在波浪荷载作用下的变形特性及其对砂土初始密度和固结压力的依赖性。

试验结果表明,应力-应变呈现出良好的双曲线关系,与等效线性模型理论相吻合;阻尼比和模量随应变幅值的变化规律均依赖于土体的初始密度和固结压力;归一化后的
E/Emax-ε及G/Gmax-γ曲线对相对密度和固结压力仍具有明显的依赖性;但完全归一化后的E/Emax-ε/εr及G/Gmax-γ/γr的关系曲线则与固结压力无关。

【总页数】5页(P155-159)
【关键词】波浪荷载;三轴-扭转耦合振动剪切试验;变形特性;阻尼比;模量
【作者】张晨明;董秀竹;郭莹;栾茂田
【作者单位】同济大学地下建筑与工程系;大连理工大学海岸和近海工程国家重点工程实验室
【正文语种】中文
【中图分类】P315.98
【相关文献】
1.循环剪切作用下砂土变形特性的颗粒流模拟试验 [J], 沈映;胡敏云;刘延志
2.动荷载下砂土与EPS颗粒混合的轻质土变形特性的试验研究 [J], 高玉峰;王庶懋;王伟
3.循环荷载作用下粉砂土路基累积变形试验研究 [J], 张宏博;黄茂松;宋修广
4.循环荷载下砂土变形的细观数值模拟I:松砂试验结果 [J], 刘洋;周健;吴顺川
5.循环荷载下砂土变形的细观数值模拟Ⅱ:密砂试验结果 [J], 刘洋;吴顺川;周健因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

砂土地震液化大变形研究进展

砂土地震液化大变形研究进展
孙恒矗
【期刊名称】《广东水利水电》
【年(卷),期】2009(000)008
【摘要】从震害现象调查、室内试验、宏观现象及计算方法研究四个方面对地震后砂土液化大变形研究进展情况进行较为详细的综述,并对其未来发展的一些方向和有待进一步研究的问题提出一些建议.
【总页数】5页(P12-16)
【作者】孙恒矗
【作者单位】广州市住宅建筑设计院,广东广州,510623
【正文语种】中文
【中图分类】TU435
【相关文献】
1.大桑水电站厂址砂土地震液化分析 [J], 杨玉娟;甘霖;李小泉
2.砂土地震液化大变形防治技术 [J], 余亦勤
3.含弱渗透性覆盖层饱和砂土地震液化特性研究 [J], 董瑞;景立平;单振东;张雷;刘廷俊
4.基于地面运动强度及标准贯入试验的上海地区砂土地震液化评价 [J], 李雪;曾毓燕;郁飞;施刚
5.砂土地震液化后大变形特性试验研究 [J], 刘汉龙;周云东;高玉峰
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

单、双向振动条件下饱和粉砂变形特性对比试验研究

单、双向振动条件下饱和粉砂变形特性对比试验研究刘潇;张学;赵俭斌;侯世伟;郝哲【摘要】由于仪器水平的限制,关于土体的动力特性的研究目前多采用单向激振方式替代双向激振方式.而这两种激振方式在试验原理方面存在明显不同.很多研究表明,应力路径对土的响应有着不可忽视的影响,这两种方式相替代的合理性尚待证明.本文利用DSC2000多功能动三轴试验系统,选取尾矿砂分别在单向及双向振动条件下进行一系列饱和土的动力特性试验,对比两种激振方式作用下土体的滞回曲线以及骨干曲线的差异,分析土体在这两种振动方式下产生差异的原因,并应用双曲线模型对骨干曲线进行拟合,最后给出在进行土体变形特性试验时以单向激振方式替代双向激振方式的适用条件.【期刊名称】《地震工程学报》【年(卷),期】2015(037)003【总页数】6页(P748-753)【关键词】单、双向激振;饱和尾粉砂;变形特性;双曲线模型【作者】刘潇;张学;赵俭斌;侯世伟;郝哲【作者单位】沈阳建筑大学,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学,辽宁沈阳110168;辽宁有色勘察研究院,辽宁沈阳110013【正文语种】中文【中图分类】TU411.3Key words： uni-and bidirectionall excitation; saturated tailing silty sand; deformationchara cteristic;hyperbolic model上世纪六十年代，Seed提出地震波作用可简化为在垂直向应力保持不变条件下向土体施加规则的往复水平剪应力作用[1-3]。

这种应力状态可以采用双向激振三轴仪在轴向与径向施加相同频率、幅值和一定相位差的往复荷载来模拟。

为方便起见，在实际应用中常采用单向(轴向)振动代替双向振动模拟地震作用,而这种作用的差异对土体在动力作用下变形特性的影响直接决定采用单向动三轴代替双向动三轴试验模拟地震力的合理性和可行性。

砂土地震液化后大变形特性试验研究

"பைடு நூலகம் /
应变渐近线的值，则可将式（!）改写成：（(） * " !0,1 $ - 为砂土液化后应力应变曲线的初始切线斜
!)
($
"
-
)
式中
图$ 2-34 +
经坐标变换后的应力应变关系
率； !0,1 为砂土液化后应力应变曲线应变渐近线值。
51&677871&’-9 &67:;9767 -9 <-==6&691 >;;&<-9’16 7?716.
01显然用双曲线方程来表示砂土液化后的应力应变关系模型形式简洁使用方便且模型中参数的物理意义明确因为土体应力应变曲线的切线模量模型的验证为了验证用双曲线模型来表示砂土液化后应力应变关系的可行性笔者用两部分数据对模型进行了验证一部分是本次试验有效固结压力499别为398的一组数据结果见图可见试验曲线跟模型预测曲线对应关系较好
通过对试验资料以及震害调查资料的回归分析建立了
!
前
言
!
［!， )］一些经验的大变形预估公式。 91H:;1 等基于室内
液化后大变形是指饱水砂土地基在地震液化后强度极度降低，在建筑物荷载或土体自重作用下，地表出现大的垂直向或侧向变形的现象，它会使液化区的各种地下结构、生命线工程产生巨大的破坏。"$@- 年的唐山 @ ? % 级大地震引起的一些桥梁的缩短； "$$# 年菲律宾吕宋岛 @ ? % 级地震， A16:B1 市 C12D14 河岸产生的大变形最大为 - E；地 "$$* 年日本阪神 @ ? ! 级大地震，震液化引起了大范围的地基侧向变形，最大侧向变形达 * E。地基变形导致了大量的管道设施破坏、建筑［"］物的移动破坏等。尽管在过去的几十年中对砂土液化进行了广泛研究，但研究的重点主要放在液化的影响因素、产生机理和条件以及液化可能性方面，对液化后的变形，特别是大变形研究相对较少。对液化后大变形的研究主要从室内和现场两个方面着手，室内试验研究可对大变形发生的机理、条件、影响因素等进行分析，现场研究可以从宏观上把握大变形发生的一些规律，并可对室内试验研究的结果进行验证。砂土地基地震液化后大变形会引起地基的严重失效，产生灾难性的损失，如能对液化后大变形进行较准确的预测，则可采取相应的措施使这种损失降低到较小程度。对砂土地基地震液化后的大变形进行预测，不少学者提出了预测方法。01E1;1、 F1GD4>DD 和 95:; 均

砂土抗剪强度的主要影响因素及其研究现状分析

砂土抗剪强度的主要影响因素及其研究现状分析高金翎(上海大学土木工程系上海200072)中图分类号：TU441文献标识码：A文章编号：1672-7894（2013）33-0110-07摘要砂土的抗剪强度是砂土的重要力学指标之一，研究砂土的抗剪强度对于工程实践具有重要的指导意义。

研究表明，影响砂土抗剪强度的主要因素有砂土的密实度、表面粗糙度、颗粒形状、颗粒级配以及试验条件的差异等。

本文从砂土抗剪强度理论出发，分析和总结了在上述各项因素作用下砂土抗剪强度的变化规律和研究现状，并提出了目前砂土抗剪强度研究中存在的一些问题，为进一步深入研究砂土的抗剪强度问题奠定了基础。

关键词砂土抗剪强度库伦公式现状发展Analysis of the Main Factors on the Shear Strength of Sandy Soil and the Current Research Situation//Gao Jin-lingAbstract Shear strength is one of the important mechanics in-dexes of the sandy soil,so the research on the shear strength of sandy soil plays an important role in engineering practice.Several studies show that compactness,the roughness of the surface,par-ticle shape,grain size distribution and test conditions and so on have an influence on the shear strength of sandy soil.Based on the theory on the shear strength of sandy soil,this paper analyzes and summarizes the change rules and the research status of the shear strength of sandy soil under the action of the above factors. At last,the author comes up with the problems existing in the current research on the shear strength of sandy soil and lays a foundation for further researches.Key words sandy soil;shear strength;Coulomb formula;current situation;development砂土是地基土中比较常见的一种土质类型。

砂土的稳态强度固结不排水三轴试验研究

流动结构、稳态线和准稳态等基本概念。
“稳态强度”是指土体在稳态变形状态下可以
动用的强度，其大小决定了土体在地震中和地震后
的稳定性和永久变形[6]。
到目前为止，人们普遍接受关于“稳态变形”
的定义是 Poulos 的定义[7，8]：对颗粒材料，“稳态
变形”是指土体在常体积、常法向有效压力、常剪
应力和常应变速率下的持续变形状态。在排水或不
1.728
F5 0.074 0.027 3.1 50.7 2.68 1.123
1.682
第 24 卷第 22 期
魏松等. 砂土的稳态强度固结不排水三轴试验研究
• 4153 •
累积百分比/%
100 90 80
70 60 50 40 30 20 10 0 10.000
F2 砂土 F5 砂土
1.000
saturated loose sand during CU triaxial shear test
3 试验方法简介
本试验所用 F2 和 F5 砂土样分别取自土坝的坝基和坝体部位，为固结不排水三轴试验。砂土样的物理性质指标及颗分曲线分别见表 1 和图 3。
试验步骤和方法：(1) 砂土样采用湿击样法制备(根据文[14]，该法可以得到较大范围孔隙比的试样)，试样直径 D = 3.91 cm、高 h = 8 cm，分 5 层击实；(2) 采用试样在压力室内抽气饱和的方法[15]，
200
100
0
0
200
400
600
p′/%
(c) F2 砂土样(ρd= 1.40 g/cm3)
400 围压/kPa
100
300
200
300
400 200

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(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，
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
• 2371 •
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。
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
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
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。
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@ DOI：10.13722/ki.jrme.2016.0273
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]。
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
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 Huan016 年
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
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)。
(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
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
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)
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
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