18 / 2025-03-28 10:15:31

相对密实状态透明砂土基本力学特性试验研究

透明砂土；渗透试验；侧限压缩试验；直剪试验；三轴试验

1.引言

透明土技术因其具有试验过程可视化和非介入式数据采集等优点，逐渐应用于岩土工程中，目的为了更好地理解岩土地质灾害变形发展过程。以往透明土的制备使用粒径为0.5-1mm的熔融石英砂和工业白油，但考虑到环保、稳定性及成本，本文对粒径1-3mm的熔融石英砂与溴化钙溶液配制的相对密实度为85%的透明砂土进行研究，包括渗透、侧限压缩、直剪和三轴试验，并对比了熔融石英砂干样、水样和天然饱和沙土的力学性能参数。

2.试验材料与方法

2.1.试验材料

  试验所需材料如下：熔融石英砂、溴化钙溶液、天然砂土和实验室用水。熔融石英砂和天然砂土的基本物理性质如表1。

固体颗粒	比重(g/cm3)	不均匀系数Cu	曲率系数Cc	最大干密度（g/cm3)	最小干密度（g/cm3)
熔融石英砂	2.23	1.82	1.03	1.36	1.14
天然砂土	2.67	1.82	1.03	1.77	1.48

由阿贝仪可测得溴化钙溶液折射率与温度、质量分数的关系，可知质量分数为60%的溴化钙溶液在26 ℃下的折射率为1.4585，与熔融石英砂折射率匹配。由黏度计测得该溴化钙溶液黏度为3.68×10^-3 Pa·s，约为水黏度的4.18倍。将该状态下的溴化钙溶液与熔融石英砂混合制备透明砂土，步骤如下：（1）熔融石英砂经蒸馏水洗去杂质，用锡纸包住，放入烘干箱烘干;（2）在室温26 ℃下，溴化钙与水混合配制质量分数为60%的溴化钙溶液;（3）每次在容器中倒入4 cm深度的溴化钙溶液，使用“砂雨法”撒入熔融石英砂，一边撒入一边使用玻璃棒搅拌，重复以上操作制得足够多的透明砂土;（4）将透明砂土放入真空箱中去除气泡，尽可能提高透明效果。

2.2.试验方法

渗透试验、侧限压缩试验、直剪试验和常规三轴试验均参照《土工试验方法标准》（GB/T50123—2019）进行。需要注意的是，试样在常水头渗透试验和三轴试验中，同样需要饱和处理。所以熔融石英砂干样仅作侧限压缩试验、直剪试验。



3.结果与讨论

3.1.常水头渗透试验

渗透系数见表2。由表2可知，溴化钙溶液在熔融石英砂中的渗透系数是水的0.73倍，可能与溶液黏度较高有关。将透明砂土与饱和天然砂土对比，前者的渗透系数和后者在一个数量级，说明熔融石英砂与天然砂土的渗透性差异不大。

固体颗粒	孔隙液体	渗透系数/cm·s-1
熔融石英砂	水	7.12×10-2
熔融石英砂	溴化钙溶液	5.17×10-2
天然砂土	水	7.56×10-2

3.2.侧限压缩试验

四种试样的侧限压缩试验现象相似：在10 kPa垂直荷载下四种试样的竖向应变非常接近，在50 kPa之后竖向应变的差异逐渐明显；100 kPa之后每增加100 kPa带来的竖向应变的变化量逐渐减小；在卸载之后，回弹量逐渐趋于稳定。在相同垂直荷载下，四种试样的竖向应变依次增大。表3显示了垂直荷载P=100-200 kPa的侧限压缩试验结果。可见，四种试样的压缩性和回弹变形特性依次增大。透明砂土与饱和天然砂土的压缩模量、体积压缩系数、回弹模量相近，表明它们的压缩性和回弹特性较为相似。

试样种类	压缩模量/MPa	体积压缩系数/MPa-1	回弹模量/MPa
熔融石英砂干样	23.26	0.043	90.91
熔融石英砂水样	22.73	0.044	76.92
透明砂土	19.23	0.052	62.89
饱和天然砂土	18.87	0.053	60.61

3.3.直剪试验

通过直剪试验可知，四种试样的应力应变特性相似：剪应力均在达到峰值后先快速下降最后缓慢下降达到相对稳定，四种试样的峰值强度以及对应的剪切位移均随着垂直压力的增大而增大。通过绘制直剪试验强度包络线，可知四种材料的峰值强度内摩擦角分别为42.30°、41.02°、36.87°和35.37°。透明砂土与饱和天然砂土的峰值强度内摩擦角相差仅1.50°，表明两者的直剪试验强度指标较为相似。

3.4.三轴试验

从前文可知熔融石英砂干样未进行常规三轴试验。其余三种试样表现出相似规律：试验初期，主应力差快速增长，随后增速放缓并达到峰值，峰值后逐渐减小至稳定状态；随着围压增大，三种试样的峰值主应力差和轴向应变逐渐增大。在相同围压下，三种试样的峰值主应力差依次减小。

图1为三轴试验峰值强度应力圆及强度包线。由图1可知，熔融石英砂水样、透明砂土、饱和天然砂土三种试样的峰值强度内摩擦角分别为41.99 °、39.35 °、38.31 °。对于透明砂土和饱和天然砂土这两种试样，它们的峰值强度内摩擦角仅相差1.04 °，可见本文配制的透明砂土与饱和天然砂土的三轴试验强度指标较为接近。