粒度-粒形对砂土应力-剪胀特性影响的剪切试验研究

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砂土,作为自然界与工程界的承载物,其力学特性一直是国内外学者探究的重点。本文先对不同颗粒材料进行粒度粒形分析,然后进行一系列的静力三轴固结排水(CD)试验,期间较好地排除了干扰因素,从而较为系统地研究了粒形、粒度以及粒度分布对颗粒对砂土强度与剪胀特性的影响,主要内容与结论如下:(1)对筛分出的3种单一级配的颗粒材料(玻璃渣、标准砂、玻璃珠),分别进行了粒形粒度分析试验,其中,采用3个粒度参数(最小弦直径DChord,min、最小费雷特直径DFeret,min和等效面积圆直径DEQPC)对颗粒尺寸进行表征,3个粒形参数(宽长比AR、凸度CX和球形度SC)对颗粒形状进行描述。结果表明,最小弦直径DChord,min与理论筛分直径最为接近,且对于颗粒形状不规则、颗粒尺寸较大的颗粒材料,故DChord,min是表征颗粒材料粒度的最好方式;玻璃渣和玻璃珠在不同单一级配下的各粒形参数均接近,故选用这两种颗粒材料进行后续试验,能有效地排除颗粒形状的影响。(2)对不均匀系数Cu相同(单一级配),平均粒度D50不同的中密砂分别进行了三轴试验,其包括4组的玻璃渣(棱角状)、4组玻璃珠(圆形状)和1组不规则玻璃珠(亚圆状)。结果表明,在给定有效围压下,随着D50的增大,玻璃珠的峰值状态和临界状态摩擦角均略有增大,而玻璃渣的临界状态摩擦角呈下降趋势;玻璃渣和玻璃珠的最大剪胀角都随着D50增大而增大;Bolton的应力-剪胀方程在所有试样上都得到了检验,其斜率(剪胀系数cd)均为0.67,截距(临界状态摩擦角)受粒度的影响十分微小;粒形是影响颗粒材料强度的重要因素,随着整体形状参数OR的提高(玻璃渣<不规则玻璃珠<玻璃珠),其峰值状态和临界状态强度均显著提高,说明颗粒间咬合作用扮演着重要角色。(3)对最小颗粒尺寸Dmin均相同,粒度分布(PSD)不同的中密砂分别进行三轴试验,其包括3组间断级配的玻璃渣和3组连续级配的玻璃渣。结果表明,在给定有效围压下,保持玻璃渣Dmi n一致时,改变最Dmax对其临界状态强度无明显影响;保持Dmi n和Dmax均一致时,连续级配玻璃渣较间断级配,其剪胀现象更为明显,具体体现在其最大剪胀角的值更大;但间断级配玻璃渣的临界状态摩擦角均高于连续级配;各级配类型下,玻璃渣剪胀方程的斜率也均为0.67,说明了剪胀系数cd不受颗粒尺寸、形状以及级配的影响。
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