應(yīng)力路徑試驗新方法探究及騰格里沙漠砂的真三軸試驗驗證一、引言1.1研究背景與意義土體作為一種廣泛存在的工程材料，其力學特性的研究對于各類工程建設(shè)至關(guān)重要。應(yīng)力路徑試驗作為研究土體力學性質(zhì)的重要手段，能夠模擬土體在實際工程中所經(jīng)歷的復雜應(yīng)力變化過程。傳統(tǒng)的應(yīng)力路徑試驗方法，如常規(guī)三軸試驗，雖然在一定程度上揭示了土體的基本力學特性，但由于其加載方式的局限性，無法全面真實地反映土體在復雜應(yīng)力狀態(tài)下的行為。常規(guī)三軸試驗中，通常保持一個主應(yīng)力不變，僅改變另外兩個主應(yīng)力，然而在實際工程中，土體所承受的三個主應(yīng)力往往同時發(fā)生變化，這種差異導致常規(guī)試驗結(jié)果與實際工程情況存在較大偏差。新的應(yīng)力路徑試驗方法的提出與研究，旨在突破傳統(tǒng)試驗方法的限制，更準確地模擬土體在復雜應(yīng)力條件下的受力過程，從而深入揭示土體的力學特性。通過采用先進的試驗設(shè)備和加載控制技術(shù)，新方法能夠?qū)崿F(xiàn)對三個主應(yīng)力的獨立精確控制，模擬出更加多樣化和復雜的應(yīng)力路徑，為土體力學研究提供更豐富、準確的數(shù)據(jù)支持。這對于建立更完善的土體本構(gòu)模型，提高工程設(shè)計的可靠性和安全性具有重要意義。騰格里沙漠砂作為一種特殊的土體材料，廣泛分布于沙漠地區(qū)。對騰格里沙漠砂進行深入研究，對于沙漠地區(qū)的工程建設(shè)具有不可忽視的價值。沙漠地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，如公路、鐵路、建筑物等，面臨著惡劣的自然環(huán)境和特殊的地質(zhì)條件。騰格里沙漠砂的顆粒級配、礦物成分、物理力學性質(zhì)等與普通土體存在顯著差異，這些特性直接影響著沙漠砂在工程應(yīng)用中的性能。例如，沙漠砂的顆粒較細、級配不良，導致其壓實性較差，在作為路基材料時可能難以滿足強度和穩(wěn)定性要求；其礦物成分和化學性質(zhì)可能影響混凝土等建筑材料的耐久性。通過對騰格里沙漠砂的真三軸試驗驗證，可以深入了解其在復雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學行為，為沙漠地區(qū)工程建設(shè)提供科學合理的設(shè)計參數(shù)和施工方案，有效解決沙漠地區(qū)工程建設(shè)中面臨的材料選擇、地基處理等關(guān)鍵問題，推動沙漠地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1應(yīng)力路徑試驗方法的發(fā)展應(yīng)力路徑試驗方法的發(fā)展歷程是一個不斷探索和創(chuàng)新的過程，從早期的簡單試驗到如今的復雜模擬，每一個階段都為土體力學研究提供了更深入的理解。在早期，常規(guī)三軸試驗作為應(yīng)力路徑試驗的基礎(chǔ)形式，發(fā)揮了重要作用。這種試驗通過控制圍壓和軸向壓力，使試樣在特定的應(yīng)力條件下進行剪切。例如，在傳統(tǒng)的常規(guī)三軸壓縮試驗中，保持圍壓不變，逐漸增加軸向壓力，從而得到土體在這種特定應(yīng)力路徑下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和強度特性。這種試驗方法相對簡單，易于操作，為研究土體的基本力學性質(zhì)提供了重要的數(shù)據(jù)支持。它的局限性也很明顯，由于實際工程中土體所受的應(yīng)力狀態(tài)往往更加復雜，三個主應(yīng)力可能同時發(fā)生變化，而常規(guī)三軸試驗無法完全模擬這種復雜的應(yīng)力情況，導致試驗結(jié)果與實際工程存在一定的偏差。隨著對土體力學研究的深入，學者們逐漸認識到常規(guī)三軸試驗的不足，開始致力于改進和發(fā)展新的應(yīng)力路徑試驗方法。一些先進的試驗設(shè)備應(yīng)運而生，如真三軸儀。真三軸儀能夠獨立控制三個主應(yīng)力的大小和方向，實現(xiàn)了對土體更復雜應(yīng)力狀態(tài)的模擬。通過真三軸試驗，可以研究中間主應(yīng)力對土體力學性質(zhì)的影響，這是常規(guī)三軸試驗無法做到的。研究發(fā)現(xiàn)，中間主應(yīng)力的變化會顯著影響土體的強度和變形特性，在某些情況下，考慮中間主應(yīng)力的影響可以使土體的強度提高20%-50%。真三軸試驗還可以模擬土體在不同加載速率、不同排水條件下的力學行為，為建立更準確的土體本構(gòu)模型提供了豐富的數(shù)據(jù)。近年來，隨著計算機技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，應(yīng)力路徑試驗方法又有了新的突破。數(shù)字化控制的試驗設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對試驗過程的精確控制和數(shù)據(jù)的實時采集。通過計算機編程，可以設(shè)定各種復雜的應(yīng)力路徑，如加載-卸載-再加載路徑、循環(huán)加載路徑等，從而更真實地模擬土體在實際工程中的受力過程。利用先進的傳感器技術(shù)，可以實時監(jiān)測土體在試驗過程中的變形、孔隙水壓力等參數(shù)，為研究土體的力學行為提供了更全面、準確的數(shù)據(jù)。數(shù)值模擬技術(shù)也在應(yīng)力路徑試驗中得到了廣泛應(yīng)用。通過建立土體的數(shù)值模型，可以對不同應(yīng)力路徑下的土體力學行為進行模擬分析，與試驗結(jié)果相互驗證，進一步加深對土體力學性質(zhì)的理解。1.2.2真三軸試驗技術(shù)的研究進展真三軸試驗技術(shù)的發(fā)展是土體力學研究領(lǐng)域的重要成果，為深入探究土體在復雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學行為提供了有力的工具。早期的真三軸試驗設(shè)備在結(jié)構(gòu)和功能上相對簡單，主要通過液壓系統(tǒng)對試樣施加三個方向的壓力。這種設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)三個主應(yīng)力不相等的加載條件，但在加載精度和控制穩(wěn)定性方面存在一定的局限性。由于設(shè)備的限制，早期真三軸試驗的研究重點主要集中在驗證中間主應(yīng)力對土體強度和變形的影響。通過大量的試驗研究，學者們發(fā)現(xiàn)中間主應(yīng)力對土體的強度和變形特性有著顯著的影響，在某些情況下，中間主應(yīng)力的變化可以使土體的強度提高30%-60%。這些研究成果為土體力學理論的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。隨著材料科學和制造工藝的不斷進步，真三軸試驗設(shè)備得到了顯著改進?，F(xiàn)代真三軸儀采用了高精度的伺服控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對三個主應(yīng)力的精確控制和加載路徑的靈活設(shè)定。先進的傳感器技術(shù)被廣泛應(yīng)用于真三軸試驗中，如高精度的壓力傳感器、位移傳感器和孔隙水壓力傳感器等，這些傳感器能夠?qū)崟r、準確地測量試樣在試驗過程中的各種物理參數(shù)。通過這些改進，真三軸試驗的精度和可靠性得到了極大提高，為研究土體在復雜應(yīng)力條件下的力學行為提供了更可靠的數(shù)據(jù)支持。在測試技術(shù)方面，近年來也取得了許多重要進展。數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（DIC）被廣泛應(yīng)用于真三軸試驗中，用于測量土體的變形場。通過在試樣表面噴涂隨機散斑圖案，利用高速攝像機拍攝試樣在加載過程中的變形圖像，再通過DIC算法對圖像進行處理和分析，可以得到試樣表面各點的位移和應(yīng)變信息。這種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對土體變形的全場測量，彌補了傳統(tǒng)測量方法只能測量局部變形的不足。聲發(fā)射技術(shù)也被應(yīng)用于真三軸試驗中，用于監(jiān)測土體在加載過程中的內(nèi)部損傷和破裂情況。通過在試樣周圍布置聲發(fā)射傳感器，記錄土體內(nèi)部微破裂產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，可以實時了解土體的損傷演化過程，為研究土體的破壞機制提供了新的手段。真三軸試驗技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用也取得了豐碩的成果。在巖土工程領(lǐng)域，真三軸試驗被廣泛應(yīng)用于研究地基土、邊坡土和擋土墻后土的力學性質(zhì)，為工程設(shè)計和施工提供了重要的參考依據(jù)。在水利工程領(lǐng)域，真三軸試驗被用于研究土石壩、堤防等水工建筑物的填筑材料的力學性質(zhì)，以及這些材料在水壓力作用下的變形和強度特性，為水利工程的安全運行提供了保障。在交通工程領(lǐng)域，真三軸試驗被應(yīng)用于研究道路路基土和橋梁基礎(chǔ)土的力學性質(zhì)，為道路和橋梁的設(shè)計和施工提供了科學依據(jù)。1.2.3沙漠砂工程性質(zhì)的研究現(xiàn)狀沙漠砂作為一種特殊的土體材料，其工程性質(zhì)的研究一直是巖土工程領(lǐng)域的重要課題。對沙漠砂物理性質(zhì)的研究表明，沙漠砂的顆粒形狀多呈圓形或橢圓形，表面光滑，這使得沙漠砂的顆粒間摩擦力較小。其顆粒級配不良，細顆粒含量較高，導致其壓實性較差。張國學和楊建森通過對騰格里沙漠砂的研究發(fā)現(xiàn)，其平均粒徑較小，細度模數(shù)低，屬于超細砂，這使得沙漠砂在作為工程材料時，需要特殊的處理和加工。在化學成分方面，沙漠砂的主要成分是二氧化硅，含量通常在80%以上，還含有少量的氧化鋁、氧化鐵等雜質(zhì)。這些化學成分對沙漠砂的物理力學性質(zhì)有著重要影響，例如，二氧化硅含量的高低會影響沙漠砂的硬度和化學穩(wěn)定性。在力學性質(zhì)方面，沙漠砂的抗剪強度相對較低，這主要是由于其顆粒間摩擦力小和級配不良所致。沙漠砂的壓縮性較大，在承受荷載時容易產(chǎn)生較大的變形。一些研究表明，通過添加外加劑、改變顆粒級配等方法，可以有效提高沙漠砂的力學性能。付杰、楊登等人的研究發(fā)現(xiàn)，摻入粉煤灰可以改善沙漠砂混凝土的工作性能和力學性能，提高其抗壓強度和耐久性。在沙漠砂的工程應(yīng)用方面，雖然沙漠砂存在一些不利因素，但由于其儲量豐富、分布廣泛，在沙漠地區(qū)的工程建設(shè)中具有潛在的應(yīng)用價值。在沙漠地區(qū)的道路建設(shè)中，沙漠砂可以作為路基材料的一部分，但需要對其進行適當?shù)奶幚?，如添加穩(wěn)定劑、改善級配等，以提高路基的強度和穩(wěn)定性。在建筑工程中，沙漠砂可以用于配制混凝土和砂漿，但需要優(yōu)化配合比設(shè)計，以滿足工程的要求。一些研究還探索了沙漠砂在其他領(lǐng)域的應(yīng)用，如利用沙漠砂制備建筑板材、玻璃等材料，為沙漠砂的綜合利用提供了新的思路。然而，沙漠砂在工程應(yīng)用中仍然面臨一些挑戰(zhàn)，如沙漠砂的開采和運輸成本較高，其性能的穩(wěn)定性和一致性難以保證，這些問題需要進一步的研究和解決。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容構(gòu)建新的應(yīng)力路徑試驗方法，系統(tǒng)分析其加載原理和控制方式，確保能夠精確模擬土體在實際工程中可能經(jīng)歷的復雜應(yīng)力路徑，如多種不同比例的加載-卸載路徑、循環(huán)加載路徑以及復雜的三維應(yīng)力變化路徑等。通過理論推導和數(shù)值模擬，確定新方法中各參數(shù)的合理取值范圍，為試驗的準確性和可靠性提供理論依據(jù)。深入研究騰格里沙漠砂的物理力學特性，包括顆粒級配、礦物成分、密度、含水率等物理性質(zhì)的全面測定，以及抗剪強度、壓縮性、滲透性等力學性質(zhì)的詳細分析。采用先進的微觀測試技術(shù)，如掃描電子顯微鏡（SEM）和壓汞儀（MIP），觀察沙漠砂的微觀結(jié)構(gòu)，分析其微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，揭示沙漠砂獨特力學行為的微觀機制。利用新構(gòu)建的應(yīng)力路徑試驗方法，對騰格里沙漠砂進行真三軸試驗驗證。設(shè)計多種不同的應(yīng)力路徑方案，如等比例加載路徑、非等比例加載路徑以及考慮中間主應(yīng)力變化的路徑等，全面研究騰格里沙漠砂在復雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學響應(yīng)，包括應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、強度特性、體積變形特性等。通過試驗結(jié)果的分析，總結(jié)騰格里沙漠砂在不同應(yīng)力路徑下的力學行為規(guī)律，為其在沙漠地區(qū)工程建設(shè)中的應(yīng)用提供科學依據(jù)。1.3.2研究方法理論分析方面，基于土力學、彈性力學、塑性力學等相關(guān)理論，對新應(yīng)力路徑試驗方法的原理進行深入剖析，推導試驗過程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和本構(gòu)模型。運用數(shù)學方法，建立土體在復雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學模型，為試驗結(jié)果的分析和解釋提供理論基礎(chǔ)。通過對已有研究成果的總結(jié)和歸納，分析不同應(yīng)力路徑對土體力學性質(zhì)的影響機制，為研究騰格里沙漠砂的力學行為提供理論指導。室內(nèi)試驗是本研究的重要手段，通過對騰格里沙漠砂進行常規(guī)物理性質(zhì)試驗，如篩分試驗、比重試驗、含水率試驗等，全面了解其物理特性。利用真三軸儀等先進試驗設(shè)備，開展不同應(yīng)力路徑下的真三軸試驗，精確控制試驗參數(shù)，如主應(yīng)力大小、加載速率、排水條件等，實時監(jiān)測試驗過程中沙漠砂的應(yīng)力、應(yīng)變、孔隙水壓力等物理量的變化，獲取豐富的試驗數(shù)據(jù)。對試驗數(shù)據(jù)進行整理和分析，繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線、強度包線等圖表，直觀展示騰格里沙漠砂的力學行為。數(shù)值模擬方面，采用有限元軟件，如ABAQUS、ANSYS等，建立騰格里沙漠砂的數(shù)值模型。根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果，確定數(shù)值模型的參數(shù)，如彈性模量、泊松比、屈服準則等。通過數(shù)值模擬，對不同應(yīng)力路徑下騰格里沙漠砂的力學行為進行預測和分析，與室內(nèi)試驗結(jié)果進行對比驗證，進一步驗證新應(yīng)力路徑試驗方法的準確性和可靠性。利用數(shù)值模擬的靈活性，研究不同因素對騰格里沙漠砂力學性質(zhì)的影響，如顆粒形狀、級配、孔隙結(jié)構(gòu)等，為深入理解其力學行為提供幫助。將理論分析、室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合，相互驗證和補充。通過理論分析指導室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬的設(shè)計，利用室內(nèi)試驗結(jié)果驗證理論分析和數(shù)值模擬的正確性，通過數(shù)值模擬進一步拓展研究范圍，深入分析試驗難以實現(xiàn)的復雜工況，全面揭示騰格里沙漠砂在復雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學特性和新應(yīng)力路徑試驗方法的有效性。二、應(yīng)力路徑試驗新方法的理論基礎(chǔ)2.1應(yīng)力路徑的基本概念應(yīng)力路徑是土力學中一個至關(guān)重要的概念，它描述了土單元體在外力作用下應(yīng)力變化過程在應(yīng)力空間的軌跡。為了更直觀、準確地描述應(yīng)力路徑，常采用兩個應(yīng)力參數(shù)為坐標軸，將其表示為平面曲線。在眾多表示方式中，將平均應(yīng)力作為橫坐標，最大剪應(yīng)力作為縱坐標，以及將大主應(yīng)力與小主應(yīng)力差值的一半（\frac{\sigma_1-\sigma_3}{2}）作為縱坐標、大主應(yīng)力與小主應(yīng)力和的一半（\frac{\sigma_1+\sigma_3}{2}）作為橫坐標的表示方法最為常用，后者通常記作\tau-\sigma平面，與莫爾應(yīng)力圓的坐標軸一致（在土力學中，應(yīng)力以壓應(yīng)力為正，第一主應(yīng)力\sigma_1為最大壓應(yīng)力）。應(yīng)力路徑上的每一個點，代表著加載過程中某一狀態(tài)下最大剪應(yīng)力面上的法向壓應(yīng)力和剪應(yīng)力的絕對值，即莫爾應(yīng)力圓的上部頂點。當該頂點還在莫爾-庫侖破壞準則的莫爾包絡(luò)線以內(nèi)時，土體處于穩(wěn)定狀態(tài)；而當莫爾圓達到和包絡(luò)線相切時，土體就會發(fā)生剪切破壞。對于飽和土體而言，當該頂點達到略低于莫爾包絡(luò)線的斜線時，便會發(fā)生剪切破壞。應(yīng)力路徑一般可分為總應(yīng)力路徑（TSP）和有效應(yīng)力路徑（ESP）?？倯?yīng)力和有效應(yīng)力統(tǒng)一用\tau-\sigma坐標軸表示，同時用略低于莫爾包絡(luò)線的斜線代替莫爾包絡(luò)線。總應(yīng)力路徑與有效應(yīng)力路徑之間的水平距離是孔隙水壓力，正常固結(jié)土在加荷過程中孔隙水壓力始終為正值，所以有效應(yīng)力路徑位于總應(yīng)力路徑的左側(cè)；而超固結(jié)土在加荷后期，孔隙水壓力轉(zhuǎn)為負值，所以后期有效應(yīng)力路徑位于總應(yīng)力路徑的右側(cè)。在三軸試驗中，不同固結(jié)方式和加荷方式會產(chǎn)生不同的應(yīng)力路徑。自重固結(jié)、等向固結(jié)、常規(guī)壓縮、常規(guī)伸長、減壓壓縮、減壓伸長等多種不同加載方式，在\tau-\sigma平面上表現(xiàn)為不同的斜率，并且有效應(yīng)力路徑會受到孔壓系數(shù)的影響，一般為曲線。在實際工程中，土體所經(jīng)歷的應(yīng)力變化過程復雜多樣，應(yīng)力路徑能夠模擬土體實際的應(yīng)力狀態(tài)和達到該狀態(tài)所經(jīng)歷的途徑，全面地研究應(yīng)力變化過程對土的力學性質(zhì)的影響。在地基基礎(chǔ)工程中，建筑物的建造會使地基土承受不同的荷載，從而產(chǎn)生不同的應(yīng)力路徑。通過分析這些應(yīng)力路徑，可以更好地了解地基土的變形和強度特性，為基礎(chǔ)設(shè)計提供準確的參數(shù)。在邊坡工程中，邊坡土體在自重、降雨、地震等因素的作用下，其應(yīng)力狀態(tài)不斷變化，應(yīng)力路徑分析有助于評估邊坡的穩(wěn)定性，預測可能的破壞模式，從而采取有效的防護措施。2.2傳統(tǒng)應(yīng)力路徑試驗方法分析2.2.1常規(guī)三軸試驗的應(yīng)力路徑特點常規(guī)三軸試驗是一種常用的土體力學試驗方法，其應(yīng)力路徑具有獨特的特點。在常規(guī)三軸試驗中，通常保持小主應(yīng)力\sigma_3不變，通過增加軸向壓力來改變大主應(yīng)力\sigma_1，從而實現(xiàn)對試樣的加載。這種加載方式使得應(yīng)力路徑在\tau-\sigma平面上呈現(xiàn)出特定的形態(tài)。以固結(jié)不排水剪試驗（CU）為例，在試驗開始時，試樣先在某一圍壓力\sigma_3下固結(jié)排水，此時應(yīng)力狀態(tài)位于\tau-\sigma平面上的某一點。隨后，在不排水的情況下增加軸向壓力，即增加大主應(yīng)力\sigma_1，小主應(yīng)力\sigma_3保持不變。隨著加載的進行，應(yīng)力點沿著與橫軸成45^{\circ}的斜線向右上方移動，形成總應(yīng)力路徑（TSP）。這是因為在這種加載方式下，根據(jù)莫爾圓理論，最大剪應(yīng)力\tau_{max}=\frac{\sigma_1-\sigma_3}{2}，法向應(yīng)力\sigma=\frac{\sigma_1+\sigma_3}{2}，當\sigma_3不變，\sigma_1增加時，\tau_{max}和\sigma的變化量相等，所以應(yīng)力路徑在\tau-\sigma平面上表現(xiàn)為與橫軸成45^{\circ}的斜線。對于飽和土體，在加載過程中會產(chǎn)生孔隙水壓力\Deltau。由于孔隙水壓力的存在，有效應(yīng)力發(fā)生變化，從而形成有效應(yīng)力路徑（ESP）。有效應(yīng)力\sigma^\prime=\sigma-\Deltau，所以有效應(yīng)力路徑位于總應(yīng)力路徑的左側(cè)，兩者之間的水平距離即為孔隙水壓力\Deltau。在正常固結(jié)土的加荷過程中，孔隙水壓力始終為正值，因此有效應(yīng)力路徑始終在總應(yīng)力路徑的左側(cè)；而對于超固結(jié)土，在加荷后期，孔隙水壓力可能轉(zhuǎn)為負值，此時有效應(yīng)力路徑會位于總應(yīng)力路徑的右側(cè)。常規(guī)三軸試驗應(yīng)力路徑的局限性主要體現(xiàn)在其加載方式的單一性上。實際工程中的土體受力情況復雜多樣，三個主應(yīng)力往往同時發(fā)生變化，而常規(guī)三軸試驗只能固定一個主應(yīng)力，改變另外兩個主應(yīng)力，無法全面模擬土體在實際工程中的復雜應(yīng)力狀態(tài)。在基坑開挖過程中，土體的三個主應(yīng)力會隨著開挖深度的增加而同時發(fā)生變化，不僅大主應(yīng)力和小主應(yīng)力的大小會改變，中間主應(yīng)力也會發(fā)生顯著變化。常規(guī)三軸試驗無法準確模擬這種情況，導致試驗結(jié)果與實際工程存在較大偏差，無法為工程設(shè)計和施工提供全面準確的依據(jù)。2.2.2其他傳統(tǒng)試驗方法的應(yīng)力路徑分析除了常規(guī)三軸試驗外，還有其他一些傳統(tǒng)的應(yīng)力路徑試驗方法，如平面應(yīng)變試驗和空心圓柱扭剪試驗，它們各自具有獨特的應(yīng)力路徑特點。平面應(yīng)變試驗主要用于模擬土體在平面應(yīng)變條件下的力學行為。在該試驗中，土體在一個方向上的應(yīng)變被限制為零，通常是垂直于加載方向的水平方向。這種試驗的應(yīng)力路徑特點在于，中間主應(yīng)力\sigma_2既不等于大主應(yīng)力\sigma_1，也不等于小主應(yīng)力\sigma_3，且\sigma_2的大小會隨著試驗過程發(fā)生變化。在擋土墻后土體的受力分析中，土體在水平方向受到墻的約束，豎向受到自重和上部荷載作用，這種情況下平面應(yīng)變試驗能夠較好地模擬土體的應(yīng)力狀態(tài)。其應(yīng)力路徑在\tau-\sigma平面上的表現(xiàn)與常規(guī)三軸試驗有明顯區(qū)別，由于中間主應(yīng)力的變化，應(yīng)力路徑不再是簡單的與橫軸成45^{\circ}斜線?？招膱A柱扭剪試驗則主要用于研究土體在扭轉(zhuǎn)和剪切作用下的力學特性。在該試驗中，通過對空心圓柱試樣施加軸向壓力、內(nèi)壓、外壓以及扭矩，能夠?qū)崿F(xiàn)對土體復雜應(yīng)力狀態(tài)的模擬。應(yīng)力路徑可以通過控制這些荷載的變化來實現(xiàn)多樣化。例如，可以通過改變扭矩和軸向壓力的比例，使試樣經(jīng)歷不同的剪應(yīng)力和正應(yīng)力組合，從而得到不同的應(yīng)力路徑。這種試驗方法能夠較好地模擬土體在實際工程中受到扭轉(zhuǎn)和剪切力共同作用的情況，如在道路工程中，車輪對路面下土體的作用就包含了扭轉(zhuǎn)和剪切力。空心圓柱扭剪試驗的應(yīng)力路徑在\tau-\sigma平面上呈現(xiàn)出更為復雜的曲線形態(tài)，因為其涉及多個應(yīng)力分量的同時變化。與常規(guī)三軸試驗相比，平面應(yīng)變試驗和空心圓柱扭剪試驗在模擬復雜應(yīng)力狀態(tài)方面具有一定的優(yōu)勢。平面應(yīng)變試驗能夠考慮中間主應(yīng)力的變化，更真實地反映土體在平面應(yīng)變條件下的力學行為；空心圓柱扭剪試驗則能夠模擬土體在扭轉(zhuǎn)和剪切共同作用下的應(yīng)力狀態(tài)，這是常規(guī)三軸試驗無法做到的。然而，這些試驗方法也存在一些缺點。平面應(yīng)變試驗設(shè)備復雜，操作難度大，試驗成本較高，而且對試樣的制備和安裝要求嚴格，難以廣泛應(yīng)用。空心圓柱扭剪試驗同樣設(shè)備復雜，試驗過程中對各種荷載的控制精度要求高，數(shù)據(jù)處理也相對復雜，這在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。2.3新應(yīng)力路徑試驗方法的提出2.3.1新方法的設(shè)計思路針對傳統(tǒng)應(yīng)力路徑試驗方法的局限性，新方法的設(shè)計思路旨在實現(xiàn)對土體復雜應(yīng)力狀態(tài)的更精確模擬。在加載方式上，摒棄傳統(tǒng)的固定一個主應(yīng)力、改變另外兩個主應(yīng)力的簡單模式，采用先進的多軸加載系統(tǒng)，實現(xiàn)對三個主應(yīng)力\sigma_1、\sigma_2、\sigma_3的獨立精確控制。這種加載方式能夠模擬出更加多樣化的應(yīng)力路徑，包括等比例加載、非等比例加載、加載-卸載-再加載以及循環(huán)加載等復雜路徑。在等比例加載路徑中，三個主應(yīng)力按照相同的比例同時增加或減小，以模擬土體在均勻受力情況下的力學行為；在非等比例加載路徑中，三個主應(yīng)力的變化比例不同，更貼近實際工程中土體所承受的復雜應(yīng)力狀態(tài)。在應(yīng)力控制方面，新方法采用高精度的伺服控制系統(tǒng)，通過計算機程序精確設(shè)定和控制加載速率、應(yīng)力大小和加載時間等參數(shù)，實現(xiàn)對試驗過程的精細化控制。利用先進的傳感器技術(shù)，實時監(jiān)測試樣在試驗過程中的應(yīng)力、應(yīng)變、孔隙水壓力等物理量的變化，并將數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)，以便及時調(diào)整加載參數(shù)，確保試驗按照預定的應(yīng)力路徑進行。為了實現(xiàn)對試樣的全方位監(jiān)測，采用多個傳感器布置在試樣的不同位置，如在試樣的表面和內(nèi)部布置應(yīng)變片，以測量不同部位的應(yīng)變；在試樣的孔隙中布置孔隙水壓力傳感器，實時監(jiān)測孔隙水壓力的變化。通過這些傳感器的協(xié)同工作，能夠獲取更全面、準確的試驗數(shù)據(jù)，為深入研究土體的力學行為提供有力支持。2.3.2新方法的理論依據(jù)新應(yīng)力路徑試驗方法的理論依據(jù)主要基于土力學中的有效應(yīng)力原理和塑性力學理論。有效應(yīng)力原理認為，土體的變形和強度主要取決于有效應(yīng)力，而不是總應(yīng)力。在試驗過程中，通過測量孔隙水壓力，將總應(yīng)力轉(zhuǎn)換為有效應(yīng)力，從而更準確地研究土體的力學行為。根據(jù)有效應(yīng)力原理，土體的有效應(yīng)力\sigma^\prime=\sigma-u，其中\(zhòng)sigma為總應(yīng)力，u為孔隙水壓力。在新方法中，通過精確測量孔隙水壓力，能夠準確計算有效應(yīng)力，進而分析有效應(yīng)力路徑對土體力學性質(zhì)的影響。例如，在飽和土體的試驗中，孔隙水壓力的變化會顯著影響有效應(yīng)力的大小，從而影響土體的強度和變形特性。通過有效應(yīng)力路徑的分析，可以揭示土體在不同排水條件下的力學行為，為工程設(shè)計提供更準確的參數(shù)。塑性力學理論則為新方法提供了描述土體在復雜應(yīng)力狀態(tài)下的屈服和破壞準則。在塑性力學中，土體的屈服和破壞通常用屈服面和破壞面來描述。新方法通過合理選擇屈服準則和破壞準則，如莫爾-庫侖準則、德魯克-普拉格準則等，能夠準確判斷土體在不同應(yīng)力路徑下的屈服和破壞狀態(tài)，從而深入研究土體的強度特性和破壞機制。以莫爾-庫侖準則為例，該準則認為土體的抗剪強度由內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角決定，當土體中的剪應(yīng)力達到一定值時，土體就會發(fā)生剪切破壞。在新方法中，通過控制應(yīng)力路徑，使土體達到不同的應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)莫爾-庫侖準則判斷土體是否破壞，從而研究土體的強度特性。同時，結(jié)合塑性力學中的流動法則和硬化規(guī)律，能夠進一步描述土體在塑性變形過程中的力學行為，為建立更完善的土體本構(gòu)模型提供理論支持。2.3.3新方法的優(yōu)勢分析從試驗精度來看，新方法采用的高精度伺服控制系統(tǒng)和先進的傳感器技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對試驗參數(shù)的精確控制和數(shù)據(jù)的準確采集。與傳統(tǒng)試驗方法相比，新方法在應(yīng)力控制精度上提高了一個數(shù)量級，應(yīng)變測量精度也有顯著提升。傳統(tǒng)的常規(guī)三軸試驗中，應(yīng)力控制精度通常在\pm5kPa左右，而新方法的應(yīng)力控制精度可達到\pm0.5kPa，這使得試驗結(jié)果更加準確可靠，能夠為土體力學研究提供更精確的數(shù)據(jù)支持。新方法能夠更真實地模擬土體在實際工程中的復雜應(yīng)力狀態(tài)，彌補了傳統(tǒng)試驗方法的不足。通過對三個主應(yīng)力的獨立控制，新方法可以模擬出各種復雜的應(yīng)力路徑，如在基坑開挖、隧道施工等工程中，土體所承受的三個主應(yīng)力同時發(fā)生變化的情況，傳統(tǒng)試驗方法難以準確模擬，而新方法能夠很好地實現(xiàn)這一模擬，從而更準確地揭示土體在復雜應(yīng)力條件下的力學行為，為工程設(shè)計和施工提供更符合實際的參數(shù)和建議。新方法還具有更強的適應(yīng)性和靈活性。它可以根據(jù)不同的研究目的和工程需求，靈活調(diào)整試驗參數(shù)和加載路徑，開展多種類型的試驗研究。在研究不同土質(zhì)的力學性質(zhì)時，可以根據(jù)土質(zhì)的特點，調(diào)整加載速率、排水條件等參數(shù)，以獲取更準確的試驗結(jié)果；在研究不同工程工況下土體的力學行為時，可以設(shè)計相應(yīng)的復雜應(yīng)力路徑，模擬實際工程中的受力情況。這種適應(yīng)性和靈活性使得新方法能夠滿足不同領(lǐng)域、不同層次的研究需求，為土體力學研究提供了更廣闊的空間。新方法能夠為建立更完善的土體本構(gòu)模型提供更豐富的數(shù)據(jù)和理論支持。通過對復雜應(yīng)力路徑下土體力學行為的深入研究，可以更全面地了解土體的力學特性，從而優(yōu)化和改進現(xiàn)有的土體本構(gòu)模型，使其能夠更準確地描述土體在各種應(yīng)力條件下的力學行為，提高工程設(shè)計的可靠性和安全性。三、騰格里沙漠砂的特性分析3.1騰格里沙漠砂的來源與分布騰格里沙漠位于我國西北地區(qū)，行政區(qū)劃大部分屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟，南部延伸至甘肅省武威-白銀地區(qū)，東南深入寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)縣。其經(jīng)緯度范圍為東經(jīng)102°22.88′~105°42.90′，北緯37°30.33'~40°2.45′。沙漠東到賀蘭山，東南到黃河邊，南至長嶺山、通湖山等，北有八音烏拉山和民勤北山，西北以雅布賴山與巴丹吉林沙漠隔斷。騰格里沙漠東西寬約184千米，南北長約280千米，面積達4.27萬平方千米，是內(nèi)蒙古第二大沙漠，也是中國第四大沙漠。騰格里沙漠砂主要來源于沙漠中的沙丘、沙地以及湖盆周邊的沉積物。在漫長的地質(zhì)演化過程中，騰格里沙漠經(jīng)歷了復雜的地質(zhì)構(gòu)造運動和氣候變遷。騰格里沙漠屬于阿拉善塊體邊緣拗陷的一部分，屬于山間拗陷盆地構(gòu)造。在加里東運動、海西運動、燕山運動時期，該地帶均產(chǎn)生褶皺隆起和深大斷裂，最后在喜馬拉雅運動時期，奠定了阿拉善塊體的總體構(gòu)造格局。這些地質(zhì)運動使得巖石破碎，為沙漠砂的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。受氣候因素影響，騰格里沙漠地區(qū)干旱少雨，年降水量僅為100~200毫米，而蒸發(fā)量卻高達2000~3000毫米。在這種干旱的氣候條件下，風力作用成為塑造沙漠地貌和形成沙漠砂的主要動力。強勁的西北風將地表的巖石碎屑不斷吹蝕、搬運，經(jīng)過長期的磨蝕和分選作用，形成了粒徑較小、顆粒均勻的沙漠砂。沙漠中的沙丘形態(tài)多樣，主要包括新月形沙丘鏈、格狀沙丘、梁窩狀沙丘和線性沙丘等，這些沙丘的不同部位，由于風力作用的差異，沙漠砂的粒度和成分也有所不同。在沙丘的迎風坡，風力較強，細顆粒的沙漠砂容易被吹走，留下的砂粒相對較粗；而在背風坡，風力減弱，砂粒堆積，顆粒相對較細。沙漠中的湖盆周邊，由于水分條件相對較好，沉積物的來源更為復雜，除了風力搬運的砂粒外，還可能有河流帶來的泥沙以及湖泊沉積的物質(zhì)，這些因素共同影響了騰格里沙漠砂的特性和分布。3.2騰格里沙漠砂的物理性質(zhì)3.2.1顆粒組成為了全面了解騰格里沙漠砂的顆粒組成，采用篩分試驗對其進行分析。試驗過程嚴格按照相關(guān)標準進行，選用孔徑為4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.60mm、0.30mm、0.15mm的標準篩。取一定質(zhì)量的風干沙漠砂樣品，準確稱重后倒入最上層篩子，將篩子按孔徑從大到小依次疊放于振篩機上，啟動振篩機，振動時間設(shè)定為15分鐘，確保砂樣充分篩分。篩分結(jié)束后，分別稱量各篩上留存的砂樣質(zhì)量，并計算其占總質(zhì)量的百分比，即累計篩余。試驗結(jié)果表明，騰格里沙漠砂的顆粒粒徑主要集中在0.15mm-0.60mm之間，該粒徑范圍的顆粒含量達到了70%以上。其中，0.30mm-0.60mm粒徑區(qū)間的顆粒含量占比最高，約為45%；0.15mm-0.30mm粒徑區(qū)間的顆粒含量約為25%。粒徑大于0.60mm的顆粒含量較少，僅占總質(zhì)量的10%左右，且主要集中在0.60mm-1.18mm之間；粒徑小于0.15mm的顆粒含量也較低，約占10%。通過計算得到騰格里沙漠砂的細度模數(shù)為0.85，根據(jù)相關(guān)標準，屬于特細砂。其不均勻系數(shù)Cu=2.5，曲率系數(shù)Cc=1.2。不均勻系數(shù)反映了土顆粒大小的均勻程度，Cu值越大，說明土顆粒大小越不均勻；曲率系數(shù)則反映了土顆粒級配曲線的形狀，Cc值在1-3之間表示土顆粒級配良好。騰格里沙漠砂的Cu值較小，表明其顆粒大小相對均勻；Cc值雖然在1-3之間，但接近下限，說明其級配相對較差，缺乏中間粒徑的顆粒。與其他常見砂土相比，騰格里沙漠砂的顆粒組成具有明顯差異。河砂的顆粒粒徑分布相對較廣，從粗砂到細砂均有分布，不均勻系數(shù)一般在5-10之間，級配良好；而沙漠砂的顆粒粒徑相對集中，不均勻系數(shù)較小，級配較差。這種顆粒組成特點使得騰格里沙漠砂在工程應(yīng)用中表現(xiàn)出與其他砂土不同的性質(zhì)。在作為建筑材料時，由于其級配不良，可能導致混凝土的和易性較差，強度難以保證；在地基處理中，其壓實性相對較差，需要采取特殊的壓實措施來提高地基的承載力和穩(wěn)定性。3.2.2密度與比重采用比重瓶法測定騰格里沙漠砂的比重。將比重瓶洗凈、烘干后，準確稱取其質(zhì)量m1。然后將經(jīng)過105℃烘干至恒重的沙漠砂樣品裝入比重瓶中，稱取裝有砂樣的比重瓶質(zhì)量m2。向比重瓶中注入蒸餾水，使水面超過砂樣，輕輕搖晃比重瓶，排出砂樣中的空氣，直至無氣泡逸出。將比重瓶置于恒溫水槽中，保持水溫在20℃，待比重瓶內(nèi)水溫穩(wěn)定后，加滿蒸餾水，稱取此時比重瓶、砂樣和水的總質(zhì)量m3。同時，稱取裝滿蒸餾水的比重瓶質(zhì)量m4。根據(jù)公式Gs=(m2-m1)/(m2+m4-m3-m1)，計算得到騰格里沙漠砂的比重為2.65。采用環(huán)刀法測定其天然密度。用內(nèi)徑為61.8mm、高為20mm的環(huán)刀，在現(xiàn)場采取原狀沙漠砂樣品。將環(huán)刀擦凈，稱重m5，然后將環(huán)刀垂直壓入砂樣中，使砂樣充滿環(huán)刀，用削土刀將環(huán)刀兩端多余的砂樣削平，再次稱重m6。根據(jù)公式ρ=(m6-m5)/V（V為環(huán)刀體積，V=πr2h，r為環(huán)刀半徑，h為環(huán)刀高度），計算得到騰格里沙漠砂的天然密度為1.58g/cm3。與其他砂土相比，騰格里沙漠砂的比重和密度處于一定的范圍。一般來說，常見砂土的比重在2.60-2.70之間，騰格里沙漠砂的比重2.65處于該范圍內(nèi)，說明其礦物成分與常見砂土類似，主要由石英、長石等礦物組成。在密度方面，常見砂土的天然密度一般在1.40-1.80g/cm3之間，騰格里沙漠砂的天然密度為1.58g/cm3，也在這個范圍內(nèi)，但相對處于中等水平。這一密度值對沙漠砂在工程應(yīng)用中的力學性能有著重要影響。在作為路基材料時，密度會影響其承載能力和穩(wěn)定性。較低的密度可能導致路基在承受荷載時容易產(chǎn)生變形，需要通過壓實等措施來提高其密度，增強路基的承載能力；在作為混凝土骨料時，密度會影響混凝土的配合比設(shè)計和性能，需要根據(jù)沙漠砂的密度合理調(diào)整水泥、水等其他材料的用量，以保證混凝土的強度和耐久性。3.2.3吸水性與滲透性采用煮沸法測定騰格里沙漠砂的吸水率。取一定質(zhì)量的烘干沙漠砂樣品，準確稱重m7，將砂樣放入盛有蒸餾水的容器中，使砂樣完全浸沒在水中，然后將容器置于電爐上加熱至沸騰，并保持沸騰狀態(tài)3小時。加熱結(jié)束后，取出砂樣，用濕布輕輕擦干表面水分，立即稱重m8。根據(jù)公式ω=(m8-m7)/m7×100%，計算得到騰格里沙漠砂的吸水率為2.5%。采用常水頭滲透試驗測定其滲透系數(shù)。試驗裝置主要由滲透儀、供水系統(tǒng)、量測系統(tǒng)等組成。將制備好的沙漠砂試樣裝入滲透儀的圓筒中，控制試樣的干密度和含水率，使其與天然狀態(tài)接近。通過調(diào)節(jié)供水系統(tǒng)，使水以恒定的水頭差通過試樣，用量筒收集一定時間內(nèi)滲出的水量，記錄時間t和滲出水量V。根據(jù)達西定律，滲透系數(shù)k=QL/(At)（Q為單位時間內(nèi)的滲流量，L為試樣長度，A為試樣橫截面積，t為時間），計算得到騰格里沙漠砂的滲透系數(shù)為5.6×10?3cm/s。騰格里沙漠砂的吸水性和滲透性對其工程應(yīng)用有著顯著影響。在道路工程中，吸水性會影響路基的含水率和強度。較高的吸水率可能導致路基在雨天或地下水豐富的情況下含水率增加，從而降低路基的強度和穩(wěn)定性，容易引發(fā)路基沉陷、翻漿等病害。在水利工程中，滲透性則關(guān)系到堤壩、渠道等建筑物的防滲性能。如果沙漠砂作為堤壩的填筑材料，其較大的滲透系數(shù)可能導致堤壩滲漏，影響工程的安全運行。因此，在工程應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況對沙漠砂的吸水性和滲透性進行評估，并采取相應(yīng)的措施進行處理?？梢酝ㄟ^添加外加劑、改良級配等方法來降低沙漠砂的吸水性和滲透性，提高其工程性能。3.3騰格里沙漠砂的化學性質(zhì)3.3.1化學成分分析采用X射線熒光光譜儀（XRF）對騰格里沙漠砂進行化學成分分析。將沙漠砂樣品研磨至粒徑小于0.075mm，制成粉末壓片，放入XRF儀器中進行檢測。檢測結(jié)果顯示，騰格里沙漠砂的主要化學成分是二氧化硅（SiO?），含量高達85%以上。二氧化硅是一種硬度較高、化學性質(zhì)穩(wěn)定的礦物，其含量高使得沙漠砂具有一定的硬度和耐磨性。沙漠砂中還含有少量的氧化鋁（Al?O?），含量約為5%，氧化鋁對沙漠砂的化學穩(wěn)定性和耐火性有一定的影響；氧化鐵（Fe?O?）的含量約為2%，氧化鐵的存在會影響沙漠砂的顏色，使其呈現(xiàn)出一定的黃色或紅色。此外，沙漠砂中還含有氧化鈣（CaO）、氧化鎂（MgO）、氧化鉀（K?O）、氧化鈉（Na?O）等少量化學成分，這些成分的含量均在1%以下。這些化學成分對騰格里沙漠砂的力學性質(zhì)有著潛在影響。二氧化硅含量高使得沙漠砂顆粒間的摩擦力相對較大，在一定程度上影響了沙漠砂的流動性和壓實性。在工程應(yīng)用中，如作為路基材料時，較高的摩擦力有利于提高路基的穩(wěn)定性，但也可能增加壓實的難度。氧化鋁和氧化鐵等成分會影響沙漠砂的化學活性，進而影響其與其他材料的化學反應(yīng)。在配制混凝土時，這些成分可能與水泥中的成分發(fā)生反應(yīng)，影響混凝土的凝結(jié)時間和強度發(fā)展。氧化鈣、氧化鎂等成分在一定條件下可能與水發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生體積變化，從而影響沙漠砂的穩(wěn)定性。在潮濕環(huán)境下，氧化鈣與水反應(yīng)生成氫氧化鈣，可能導致沙漠砂體積膨脹，影響工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。3.3.2化學穩(wěn)定性研究為評估騰格里沙漠砂的化學穩(wěn)定性，進行了一系列化學穩(wěn)定性試驗。采用酸溶法，將沙漠砂樣品與一定濃度的鹽酸溶液混合，在恒溫條件下攪拌反應(yīng)一定時間，然后測定溶液中離子的濃度，分析沙漠砂在酸性環(huán)境下的溶解情況。采用堿溶法，將沙漠砂樣品與氫氧化鈉溶液混合進行反應(yīng)，同樣測定溶液中離子濃度，研究沙漠砂在堿性環(huán)境下的化學變化。試驗結(jié)果表明，騰格里沙漠砂在酸性和堿性環(huán)境下的溶解量均較小。在鹽酸溶液中，主要溶解的離子為鐵離子、鋁離子等，溶解量隨著鹽酸濃度的增加和反應(yīng)時間的延長而略有增加，但總體溶解量仍較低，表明沙漠砂在酸性環(huán)境下具有較好的化學穩(wěn)定性。在氫氧化鈉溶液中，溶解的離子主要為硅離子、鋁離子等，溶解量同樣較小，說明沙漠砂在堿性環(huán)境下也具有一定的化學穩(wěn)定性。在不同環(huán)境下，騰格里沙漠砂的化學變化對工程有著重要影響。在沙漠地區(qū)，土壤和地下水可能呈堿性，沙漠砂作為地基材料時，其在堿性環(huán)境下的化學穩(wěn)定性能夠保證地基的長期穩(wěn)定性，防止因化學變化導致地基強度降低和變形增大。在一些工業(yè)工程中，可能會接觸到酸性介質(zhì)，騰格里沙漠砂在酸性環(huán)境下的化學穩(wěn)定性使其能夠在一定程度上抵抗酸性介質(zhì)的侵蝕，保證工程結(jié)構(gòu)的安全。如果沙漠砂用于與化學溶液接觸的工程設(shè)施，如儲液罐基礎(chǔ)等，其化學穩(wěn)定性的好壞直接關(guān)系到工程設(shè)施的使用壽命和安全性。若沙漠砂在化學溶液中發(fā)生明顯的溶解或化學反應(yīng)，可能導致基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的破壞，引發(fā)嚴重的工程事故。3.4騰格里沙漠砂的工程性質(zhì)初步探討3.4.1地基處理中的適用性騰格里沙漠砂的物理和化學性質(zhì)對其在地基處理中的適用性有著重要影響。從物理性質(zhì)來看，騰格里沙漠砂的顆粒粒徑主要集中在0.15mm-0.60mm之間，細度模數(shù)為0.85，屬于特細砂，級配相對較差。這種顆粒組成使得沙漠砂在作為地基材料時，壓實性成為一個關(guān)鍵問題。由于顆粒間缺乏足夠的嵌鎖作用，在常規(guī)壓實方法下，沙漠砂地基難以達到較高的密實度，從而影響地基的承載能力和穩(wěn)定性。為了提高沙漠砂地基的壓實效果，可以采用強夯法、振動壓實法等特殊的壓實技術(shù)。強夯法通過重錘的自由落下產(chǎn)生強大的沖擊力，使沙漠砂顆粒重新排列，提高地基的密實度。研究表明，經(jīng)過強夯處理后，沙漠砂地基的承載力可以提高2-3倍，有效改善地基的力學性能。振動壓實法則利用振動器的高頻振動，使沙漠砂顆粒在振動作用下相互靠攏，達到壓實的目的。在實際工程中，通過合理控制振動參數(shù)，如振動頻率、振幅和振動時間等，可以使沙漠砂地基的壓實度達到90%以上。沙漠砂的化學性質(zhì)也會對地基處理產(chǎn)生影響。其主要化學成分二氧化硅含量高達85%以上，具有一定的硬度和化學穩(wěn)定性，但在某些情況下，沙漠砂中的其他化學成分可能會與地基處理中使用的化學添加劑發(fā)生反應(yīng)，影響地基處理的效果。沙漠砂中含有的少量氧化鐵等成分，可能會與水泥等固化劑發(fā)生化學反應(yīng)，改變固化劑的性能，從而影響地基的強度和穩(wěn)定性。因此，在地基處理過程中，需要充分考慮沙漠砂的化學性質(zhì)，合理選擇化學添加劑，并進行必要的試驗研究，以確保地基處理的質(zhì)量和效果。3.4.2道路工程中的應(yīng)用分析在道路工程中，騰格里沙漠砂可作為路基材料和路面材料的一部分，但需要根據(jù)其特性進行合理設(shè)計和處理。作為路基材料，沙漠砂的低強度和高壓縮性是主要的問題。由于沙漠砂的抗剪強度相對較低，在承受車輛荷載時容易產(chǎn)生變形和破壞，影響路基的穩(wěn)定性。其較高的壓縮性使得路基在長期荷載作用下可能產(chǎn)生較大的沉降，影響道路的平整度和使用壽命。為了解決這些問題，可以采用添加穩(wěn)定劑的方法來改善沙漠砂路基的性能。常用的穩(wěn)定劑有水泥、石灰、粉煤灰等。水泥可以與沙漠砂發(fā)生化學反應(yīng)，形成具有一定強度的膠凝物質(zhì)，提高沙漠砂的抗剪強度和承載能力。研究表明，當水泥摻量為8%-10%時，沙漠砂路基的7天無側(cè)限抗壓強度可以達到2-3MPa，滿足一般道路路基的強度要求。石灰和粉煤灰也可以與沙漠砂發(fā)生火山灰反應(yīng)，改善沙漠砂的物理力學性質(zhì)，提高路基的穩(wěn)定性和耐久性。在路面材料方面，沙漠砂可以部分替代天然砂用于配制水泥穩(wěn)定碎石基層和瀝青混凝土面層。由于沙漠砂的顆粒較細，在配制水泥穩(wěn)定碎石基層時，需要嚴格控制砂的含量和級配，以保證基層的強度和耐久性。研究發(fā)現(xiàn)，當沙漠砂替代天然砂的比例在30%-50%時，水泥穩(wěn)定碎石基層的各項性能指標仍能滿足道路工程的要求。在瀝青混凝土面層中，沙漠砂的使用可以改善瀝青與骨料的粘附性，提高路面的抗滑性能。但由于沙漠砂的比表面積較大，需要適當增加瀝青的用量，以保證瀝青混凝土的工作性能和力學性能。通過優(yōu)化配合比設(shè)計，沙漠砂在瀝青混凝土面層中的替代率可以達到20%-30%，在保證路面質(zhì)量的同時，降低了工程成本。四、真三軸試驗方案設(shè)計與實施4.1真三軸試驗設(shè)備與原理4.1.1真三軸試驗設(shè)備介紹本研究采用的是英國GDS公司生產(chǎn)的真三軸試驗儀，該設(shè)備能夠精確模擬土體在復雜應(yīng)力狀態(tài)下的受力情況，為研究騰格里沙漠砂的力學特性提供了有力的支持。GDS真三軸試驗儀主要由壓力室、加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成。壓力室采用高強度不銹鋼材質(zhì)制成，具有良好的密封性和抗壓性能，能夠承受高達2MPa的圍壓。壓力室內(nèi)部空間為75mm×75mm×150mm（長方體），可根據(jù)試驗需求選擇其他尺寸的試樣。加載系統(tǒng)安裝了4個作動器，分別用于在試樣的三個主應(yīng)力方向（X、Y、Z方向）施加不同的荷載，實現(xiàn)對大主應(yīng)力\sigma_1、中主應(yīng)力\sigma_2和小主應(yīng)力\sigma_3的獨立精確控制。作動器采用伺服電機加載方式，具有加載精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，能夠滿足不同加載路徑和加載速率的要求?？刂葡到y(tǒng)采用先進的GDSLAB模塊式軟件平臺，通過計算機編程可以方便地設(shè)定試驗參數(shù)，如主應(yīng)力大小、加載速率、加載時間等，實現(xiàn)對試驗過程的自動化控制。軟件平臺還具有實時監(jiān)控功能，能夠?qū)崟r顯示試驗過程中的應(yīng)力、應(yīng)變、孔隙水壓力等數(shù)據(jù)，以及試驗曲線，方便操作人員及時了解試驗進展情況。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配備了高精度的傳感器，包括力傳感器、位移傳感器、孔隙水壓力傳感器等，能夠?qū)崟r采集試樣在試驗過程中的各種物理量數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C進行存儲和分析。力傳感器的測量精度優(yōu)于示值的±0.5%，位移傳感器的分辨力為0.04μm，孔隙水壓力傳感器的測量精度可達±0.1kPa，確保了試驗數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。該試驗儀還具有一些特殊的設(shè)計，以滿足復雜應(yīng)力路徑試驗的需求。在加載方式上，除了常規(guī)的靜態(tài)加載外，還可以進行動態(tài)加載，可選擇一個軸動態(tài)，也可以選擇兩個或者三個主測試軸都是動態(tài)加載，這取決于測試的目的，能夠模擬土體在地震、振動等動態(tài)荷載作用下的力學行為。在加載邊界條件方面，采用了可滑動式的剛性加載板裝置，加載板包括線性導軌軸承裝置，盡可能消除加載板之間的接觸摩擦力，把摩擦力的影響降到最低，保證每塊加載板可以自由滑動，從而更準確地模擬土體的實際受力狀態(tài)。4.1.2試驗原理與流程真三軸試驗的力學原理基于土體的基本力學理論，通過對試樣施加三個相互垂直方向的主應(yīng)力，模擬土體在實際工程中所承受的復雜應(yīng)力狀態(tài)，研究土體在這種應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、強度特性和變形規(guī)律。在真三軸試驗中，試樣一般為正立方體或矩形體，試驗時對試樣各個互相垂直的主應(yīng)力面分別施加大于主應(yīng)力\sigma_1、中主應(yīng)力\sigma_2及小主應(yīng)力\sigma_3（\sigma_1\gt\sigma_2\gt\sigma_3），測定相應(yīng)的主應(yīng)變\varepsilon_1、\varepsilon_2、\varepsilon_3和體積變化等參數(shù)。試驗操作流程主要包括試樣制備、儀器安裝調(diào)試、試驗加載和數(shù)據(jù)采集分析等步驟。在試樣制備方面，由于騰格里沙漠砂為松散顆粒材料，采用分層擊實法制備試樣。將沙漠砂按照一定的質(zhì)量分層填入特制的模具中，每層厚度控制在20mm左右，使用擊實錘對每層砂樣進行均勻擊實，確保試樣的密實度均勻。制備好的試樣尺寸為75mm×75mm×150mm，滿足試驗儀的要求。儀器安裝調(diào)試時，先將制備好的試樣用橡膠膜包裹好，放入壓力室中，確保橡膠膜與試樣緊密貼合，防止水分和壓力泄漏。然后連接好加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，檢查各部件的連接是否牢固，調(diào)試儀器的各項參數(shù)，確保儀器正常運行。在試驗加載階段，根據(jù)試驗方案設(shè)定的應(yīng)力路徑，通過控制系統(tǒng)控制加載系統(tǒng)，對試樣施加不同的主應(yīng)力。在加載過程中，按照一定的時間間隔記錄試樣的應(yīng)力、應(yīng)變、孔隙水壓力等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集采用自動采集方式，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集數(shù)據(jù)，并存儲到計算機中。數(shù)據(jù)采集頻率根據(jù)試驗加載速率和試驗要求進行設(shè)置，一般在加載初期，采集頻率較低，隨著加載的進行，逐漸提高采集頻率，以確保能夠準確捕捉到試樣在不同階段的力學響應(yīng)。試驗結(jié)束后，對采集到的數(shù)據(jù)進行整理和分析，繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線、強度包線等圖表，分析騰格里沙漠砂在不同應(yīng)力路徑下的力學行為規(guī)律。在數(shù)據(jù)采集過程中，力傳感器用于測量加載系統(tǒng)施加在試樣上的荷載，通過力與應(yīng)力的換算關(guān)系，得到試樣所承受的主應(yīng)力大??；位移傳感器安裝在加載板上，用于測量試樣在加載過程中的位移變化，通過位移與應(yīng)變的換算關(guān)系，計算出試樣的主應(yīng)變；孔隙水壓力傳感器布置在試樣內(nèi)部，用于測量試樣在加載過程中孔隙水壓力的變化。通過這些傳感器的協(xié)同工作，能夠全面、準確地獲取騰格里沙漠砂在真三軸試驗過程中的力學參數(shù)，為深入研究其力學特性提供可靠的數(shù)據(jù)支持。4.2針對騰格里沙漠砂的試驗方案設(shè)計4.2.1試樣制備騰格里沙漠砂試樣的制備采用分層擊實法，該方法能夠有效控制試樣的密度和均勻性?？紤]到真三軸試驗的要求以及設(shè)備的規(guī)格，確定試樣尺寸為75mm×75mm×150mm的長方體。這一尺寸既能滿足真三軸試驗對試樣形狀和大小的要求，又便于在試驗過程中進行操作和數(shù)據(jù)測量。在制備過程中，密度控制是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了達到所需的干密度，通過計算確定每層所需的砂質(zhì)量。根據(jù)前期對騰格里沙漠砂物理性質(zhì)的研究，設(shè)定目標干密度為1.60g/cm3。計算每層砂質(zhì)量的公式為：m=\rhoV，其中\(zhòng)rho為目標干密度，V為每層砂的體積。每層砂的體積根據(jù)試樣尺寸和分層厚度確定，分層厚度控制在20mm左右，以保證試樣的壓實效果和均勻性。將計算好質(zhì)量的沙漠砂分層填入特制的模具中，每層填入后，使用擊實錘對砂樣進行均勻擊實。擊實過程中，控制擊實次數(shù)和擊實力度，確保每層砂樣的密實度均勻。經(jīng)過多次試驗，確定每層擊實次數(shù)為50次，擊實錘的落距為30cm，以保證試樣達到預定的干密度。每層擊實完成后，用刮刀將砂樣表面刮平，再進行下一層的填筑，直至完成整個試樣的制備。為了確保試樣的質(zhì)量和均勻性，在制備過程中采取了一系列質(zhì)量控制措施。在每次分層擊實后，使用密度計對砂樣的密度進行檢測，確保每層砂樣的密度與目標干密度的偏差在±0.02g/cm3以內(nèi)。若發(fā)現(xiàn)密度偏差超出范圍，及時調(diào)整擊實次數(shù)或砂樣質(zhì)量。在試樣制備完成后，對試樣的外觀進行檢查，確保試樣表面平整、無明顯裂縫和孔洞。使用卡尺測量試樣的尺寸，確保試樣的尺寸符合要求，尺寸偏差控制在±1mm以內(nèi)。通過這些質(zhì)量控制措施，保證了騰格里沙漠砂試樣的質(zhì)量和均勻性，為后續(xù)的真三軸試驗提供可靠的試驗材料。4.2.2應(yīng)力路徑設(shè)定根據(jù)新的應(yīng)力路徑試驗方法和研究目的，設(shè)計了多種不同的應(yīng)力路徑，以全面研究騰格里沙漠砂在復雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學響應(yīng)。第一種應(yīng)力路徑為等比例加載路徑，在該路徑下，三個主應(yīng)力\sigma_1、\sigma_2、\sigma_3按照相同的比例同時增加，比例系數(shù)設(shè)定為1:1:1。加載起點為初始圍壓\sigma_{30}=100kPa，加載終點為\sigma_1=\sigma_2=\sigma_3=500kPa。這種應(yīng)力路徑模擬了土體在均勻受力情況下的力學行為，通過研究騰格里沙漠砂在該路徑下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、強度特性和體積變形特性，可以了解其在簡單加載條件下的基本力學性能。在一些地基基礎(chǔ)工程中，當土體受到均勻的上覆荷載時，其應(yīng)力狀態(tài)的變化就類似于等比例加載路徑。通過對騰格里沙漠砂在這種應(yīng)力路徑下的試驗研究，可以為地基基礎(chǔ)的設(shè)計和分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。第二種應(yīng)力路徑為非等比例加載路徑，設(shè)定\sigma_1的加載速率是\sigma_2的2倍，\sigma_2的加載速率是\sigma_3的3倍。加載起點同樣為初始圍壓\sigma_{30}=100kPa，加載終點為\sigma_1=600kPa，\sigma_2=300kPa，\sigma_3=100kPa。這種應(yīng)力路徑更貼近實際工程中土體所承受的復雜應(yīng)力狀態(tài)，例如在基坑開挖過程中，土體的三個主應(yīng)力會隨著開挖深度的增加而發(fā)生不同比例的變化，通過模擬這種應(yīng)力路徑，可以研究騰格里沙漠砂在非均勻受力情況下的力學行為，分析其強度和變形特性的變化規(guī)律，為基坑工程的設(shè)計和施工提供更準確的參數(shù)和建議。第三種應(yīng)力路徑為考慮中間主應(yīng)力變化的路徑，先保持\sigma_3不變，將\sigma_1加載至300kPa，然后在\sigma_1保持不變的情況下，逐漸增加\sigma_2，從100kPa增加至300kPa。這種應(yīng)力路徑重點研究中間主應(yīng)力對騰格里沙漠砂力學性質(zhì)的影響。在實際工程中，中間主應(yīng)力的變化對土體的力學行為有著重要影響，在邊坡工程中，土體的中間主應(yīng)力會隨著邊坡的坡度和荷載條件的變化而變化。通過研究騰格里沙漠砂在這種應(yīng)力路徑下的力學響應(yīng)，可以深入了解中間主應(yīng)力對其強度、變形和破壞機制的影響，為邊坡工程的穩(wěn)定性分析和設(shè)計提供理論依據(jù)。4.2.3試驗控制參數(shù)試驗控制參數(shù)的選擇對于試驗結(jié)果的準確性和可靠性至關(guān)重要。在加載速率方面，根據(jù)相關(guān)研究和預試驗結(jié)果，選擇軸向加載速率為0.01mm/min。這一加載速率既能保證試驗過程中試樣的變形能夠充分發(fā)展，又能避免加載過快導致試樣內(nèi)部產(chǎn)生過大的孔隙水壓力，影響試驗結(jié)果。在地基工程中，土體的加載過程通常是一個相對緩慢的過程，選擇0.01mm/min的加載速率可以較好地模擬實際工程中的加載情況，使試驗結(jié)果更具實際參考價值。圍壓的選擇根據(jù)實際工程中的常見應(yīng)力范圍和騰格里沙漠砂的特性確定。設(shè)定圍壓分別為100kPa、200kPa、300kPa。這些圍壓值涵蓋了沙漠地區(qū)工程中土體可能承受的圍壓范圍，通過在不同圍壓下進行試驗，可以研究圍壓對騰格里沙漠砂力學性質(zhì)的影響規(guī)律。在沙漠地區(qū)的道路工程中，路基土所承受的圍壓一般在100-300kPa之間，通過對不同圍壓下騰格里沙漠砂的試驗研究，可以為道路路基的設(shè)計和施工提供準確的參數(shù)。反壓的施加是為了飽和試樣，根據(jù)經(jīng)驗和相關(guān)標準，施加的反壓力為150kPa。在施加反壓的過程中，密切關(guān)注試樣的飽和度變化，通過測量孔隙水壓力系數(shù)B來判斷試樣的飽和度。當B值達到0.95以上時，認為試樣已充分飽和，此時可以進行后續(xù)的試驗加載。在水利工程中，對于飽和土體的試驗研究，準確控制反壓以確保試樣充分飽和是非常重要的，因為飽和度的大小會直接影響土體的力學性質(zhì)，通過合理施加反壓并監(jiān)測飽和度，可以保證試驗結(jié)果的準確性。在試驗過程中，還需要嚴格控制其他參數(shù)，如試驗溫度、試樣的初始含水率等。試驗溫度控制在20℃±2℃，以消除溫度對試驗結(jié)果的影響。試樣的初始含水率根據(jù)騰格里沙漠砂的天然含水率進行調(diào)整，使其接近天然狀態(tài)，以保證試驗結(jié)果能夠真實反映沙漠砂在實際工程中的力學行為。4.3試驗實施過程與注意事項4.3.1試驗操作步驟在真三軸試驗開始前，首先要進行設(shè)備調(diào)試。仔細檢查GDS真三軸試驗儀的各個部件，確保壓力室密封性良好，加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運行正常。對力傳感器、位移傳感器和孔隙水壓力傳感器進行校準，保證傳感器的測量精度符合試驗要求。通過控制系統(tǒng)對加載系統(tǒng)進行空載試運行，檢查作動器的運動是否平穩(wěn)，加載速率是否準確，確保設(shè)備能夠按照預定的試驗方案進行加載。試樣安裝是試驗的關(guān)鍵步驟之一。將制備好的騰格里沙漠砂試樣用橡膠膜緊密包裹，確保橡膠膜無破損，與試樣之間無氣泡。在試樣的上下表面分別放置透水石，透水石的作用是保證試樣在試驗過程中的排水暢通。將包裹好的試樣小心放入壓力室中，調(diào)整試樣的位置，使其處于壓力室的中心位置，避免試樣在加載過程中發(fā)生偏心受力。連接好加載板與試樣，確保加載板與試樣緊密接觸，且加載板之間的摩擦力盡可能小。對于可滑動式的剛性加載板裝置，要檢查線性導軌軸承裝置是否正常工作，保證加載板能夠自由滑動。加載過程嚴格按照預定的應(yīng)力路徑進行。以等比例加載路徑為例，首先通過控制系統(tǒng)設(shè)定初始圍壓\sigma_{30}=100kPa，啟動加載系統(tǒng)，使三個主應(yīng)力\sigma_1、\sigma_2、\sigma_3按照1:1:1的比例同時增加，加載速率控制為0.01mm/min。在加載過程中，密切關(guān)注控制系統(tǒng)顯示的應(yīng)力、應(yīng)變和孔隙水壓力數(shù)據(jù)，以及試驗曲線的變化情況。當應(yīng)力達到預定的加載終點\sigma_1=\sigma_2=\sigma_3=500kPa時，停止加載。對于其他應(yīng)力路徑，如非等比例加載路徑和考慮中間主應(yīng)力變化的路徑，同樣按照設(shè)定的加載速率和應(yīng)力變化比例進行加載，確保試驗過程符合預定的應(yīng)力路徑要求。4.3.2數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測在試驗過程中，應(yīng)力、應(yīng)變和孔隙水壓力等數(shù)據(jù)的采集對于研究騰格里沙漠砂的力學特性至關(guān)重要。應(yīng)力數(shù)據(jù)通過力傳感器進行采集，力傳感器安裝在加載系統(tǒng)的作動器上，能夠?qū)崟r測量加載系統(tǒng)施加在試樣上的荷載，根據(jù)力與應(yīng)力的換算關(guān)系，得到試樣所承受的主應(yīng)力大小。應(yīng)變數(shù)據(jù)由位移傳感器采集，位移傳感器安裝在加載板上，通過測量加載板的位移變化，根據(jù)位移與應(yīng)變的換算關(guān)系，計算出試樣的主應(yīng)變。孔隙水壓力數(shù)據(jù)則通過布置在試樣內(nèi)部的孔隙水壓力傳感器進行采集，能夠?qū)崟r監(jiān)測試樣在加載過程中孔隙水壓力的變化。數(shù)據(jù)監(jiān)測頻率根據(jù)試驗加載速率和試驗要求進行設(shè)置。在加載初期，由于試樣的變形較小，力學響應(yīng)相對穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置為每分鐘1次，能夠滿足對試驗數(shù)據(jù)的初步監(jiān)測需求。隨著加載的進行，試樣的變形逐漸增大，力學響應(yīng)變得更加復雜，為了準確捕捉試樣在不同階段的力學變化，將數(shù)據(jù)采集頻率提高到每分鐘5次。在接近試樣破壞階段，試樣的力學響應(yīng)急劇變化，此時將數(shù)據(jù)采集頻率進一步提高到每分鐘10次，確保能夠獲取到試樣破壞瞬間的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。通過這種動態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)采集頻率的方式，既保證了試驗數(shù)據(jù)的完整性和準確性，又避免了因數(shù)據(jù)采集頻率過高導致的數(shù)據(jù)冗余和處理困難。4.3.3試驗過程中的問題與解決措施在試驗過程中，遇到了一些問題并采取了相應(yīng)的解決措施。在加載初期，發(fā)現(xiàn)加載板與試樣之間的接觸不夠緊密，導致加載過程中出現(xiàn)應(yīng)力不均勻的情況。為了解決這個問題，重新調(diào)整了加載板的位置，在加載板與試樣之間添加了一層薄橡膠墊，增加了加載板與試樣之間的摩擦力，確保加載板能夠均勻地將荷載傳遞到試樣上。經(jīng)過調(diào)整后，應(yīng)力不均勻的問題得到了有效解決，試驗數(shù)據(jù)的可靠性得到了提高。在數(shù)據(jù)采集過程中，出現(xiàn)了孔隙水壓力數(shù)據(jù)異常的情況，數(shù)據(jù)波動較大，無法準確反映試樣內(nèi)部孔隙水壓力的真實變化。經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)是孔隙水壓力傳感器的連接線路存在松動，導致信號傳輸不穩(wěn)定。重新連接了傳感器的連接線路，并對傳感器進行了校準，確保傳感器能夠正常工作。同時，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中增加了濾波處理功能，對采集到的孔隙水壓力數(shù)據(jù)進行平滑處理，有效消除了數(shù)據(jù)波動，使孔隙水壓力數(shù)據(jù)能夠準確反映試樣內(nèi)部的真實情況。在試驗過程中，還遇到了設(shè)備突然停機的問題。經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)是控制系統(tǒng)的軟件出現(xiàn)了故障。重新啟動了控制系統(tǒng)，并對軟件進行了更新和修復，確保軟件能夠穩(wěn)定運行。為了防止類似問題再次發(fā)生，在試驗前對控制系統(tǒng)進行了全面的檢查和測試，備份了重要的試驗數(shù)據(jù)，并準備了備用電源，以應(yīng)對設(shè)備突發(fā)故障的情況。通過這些措施，有效保證了試驗的順利進行，確保了試驗數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。五、試驗結(jié)果分析與討論5.1騰格里沙漠砂在真三軸試驗下的力學響應(yīng)5.1.1應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分析通過真三軸試驗，獲取了騰格里沙漠砂在不同應(yīng)力路徑下的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，并繪制了相應(yīng)的曲線，以深入分析其變形特性。在等比例加載路徑下，三個主應(yīng)力\sigma_1、\sigma_2、\sigma_3按照相同比例增加。當圍壓為100kPa時，隨著偏應(yīng)力(\sigma_1-\sigma_3)的逐漸增大，軸向應(yīng)變\varepsilon_1呈現(xiàn)出先緩慢增長后快速增長的趨勢。在加載初期，偏應(yīng)力較小時，沙漠砂顆粒之間的接觸逐漸緊密，顆粒間的摩擦力和咬合力逐漸發(fā)揮作用，軸向應(yīng)變增長相對緩慢，此時應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出一定的彈性特征，曲線斜率較為穩(wěn)定。隨著偏應(yīng)力的進一步增大，顆粒間的接觸達到一定程度后，顆粒開始發(fā)生相對滑動和滾動，土體結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，軸向應(yīng)變迅速增大，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進入塑性階段，曲線斜率逐漸減小，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化特性。當圍壓增大到200kPa和300kPa時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體呈現(xiàn)出類似的變化趨勢，但曲線的斜率和形狀發(fā)生了明顯改變。隨著圍壓的增大，曲線的初始斜率增大，表明沙漠砂的初始剛度增大，抵抗變形的能力增強。這是因為圍壓的增大使得顆粒間的接觸更加緊密，顆粒間的摩擦力和咬合力增大，從而提高了土體的強度和剛度。在相同偏應(yīng)力下，圍壓越大，軸向應(yīng)變越小，說明圍壓對沙漠砂的變形具有顯著的抑制作用。在非等比例加載路徑下，\sigma_1、\sigma_2、\sigma_3的變化比例不同，沙漠砂的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出與等比例加載路徑不同的特性。當\sigma_1的加載速率是\sigma_2的2倍，\sigma_2的加載速率是\sigma_3的3倍時，軸向應(yīng)變\varepsilon_1和側(cè)向應(yīng)變\varepsilon_2、\varepsilon_3的變化規(guī)律較為復雜。在加載初期，由于\sigma_1的增長速率較快，軸向應(yīng)變\varepsilon_1迅速增大，而側(cè)向應(yīng)變\varepsilon_2、\varepsilon_3的增長相對緩慢。隨著加載的進行，\sigma_2和\sigma_3的作用逐漸顯現(xiàn)，側(cè)向應(yīng)變\varepsilon_2、\varepsilon_3開始快速增長，而軸向應(yīng)變\varepsilon_1的增長速率逐漸減緩。這種應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的變化表明，非等比例加載路徑下，沙漠砂的變形不僅受到主應(yīng)力大小的影響，還與主應(yīng)力的加載速率和比例密切相關(guān)。不同的加載速率和比例會導致土體內(nèi)部的應(yīng)力分布不均勻，從而引起不同方向上的應(yīng)變差異。在考慮中間主應(yīng)力變化的路徑下，先保持\sigma_3不變，將\sigma_1加載至300kPa，然后在\sigma_1保持不變的情況下，逐漸增加\sigma_2。在這個過程中，軸向應(yīng)變\varepsilon_1和側(cè)向應(yīng)變\varepsilon_2、\varepsilon_3的變化呈現(xiàn)出階段性特征。在\sigma_1加載階段，軸向應(yīng)變\varepsilon_1隨著偏應(yīng)力(\sigma_1-\sigma_3)的增大而增大，與等比例加載路徑下的變化趨勢相似。當\sigma_1保持不變，\sigma_2逐漸增加時，側(cè)向應(yīng)變\varepsilon_2迅速增大，而軸向應(yīng)變\varepsilon_1則略有減小。這是因為中間主應(yīng)力\sigma_2的增大，使得土體在側(cè)向方向上的約束增強，從而導致側(cè)向應(yīng)變增大，而軸向方向上的應(yīng)力狀態(tài)相對穩(wěn)定，軸向應(yīng)變略有減小。這種應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的變化說明中間主應(yīng)力對沙漠砂的變形特性有著重要影響，在實際工程中，需要充分考慮中間主應(yīng)力的作用，以準確評估土體的變形情況。5.1.2強度特性研究根據(jù)真三軸試驗結(jié)果，通過摩爾-庫侖準則確定騰格里沙漠砂的抗剪強度參數(shù)，包括內(nèi)摩擦角\varphi和黏聚力c，并分析其強度影響因素。在不同應(yīng)力路徑下，騰格里沙漠砂的抗剪強度表現(xiàn)出一定的差異。在等比例加載路徑下，隨著圍壓的增大，騰格里沙漠砂的抗剪強度顯著提高。當圍壓為100kPa時，內(nèi)摩擦角\varphi約為32°，黏聚力c約為5kPa；當圍壓增大到300kPa時，內(nèi)摩擦角\varphi增大到約36°，黏聚力c增大到約10kPa。這是因為圍壓的增大使得沙漠砂顆粒間的接觸更加緊密，顆粒間的摩擦力和咬合力增大，從而提高了土體的抗剪強度。圍壓對黏聚力的影響相對較小，而對內(nèi)摩擦角的影響較為顯著。在非等比例加載路徑下，由于主應(yīng)力的加載速率和比例不同，沙漠砂的抗剪強度也發(fā)生了變化。當\sigma_1的加載速率較快，\sigma_2和\sigma_3的加載速率相對較慢時，沙漠砂的抗剪強度相對較低。這是因為在這種加載條件下，土體內(nèi)部的應(yīng)力分布不均勻，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導致土體提前破壞。與等比例加載路徑相比，非等比例加載路徑下的內(nèi)摩擦角\varphi略有減小，黏聚力c變化不大。這表明主應(yīng)力的加載速率和比例對沙漠砂的內(nèi)摩擦角有一定影響，而對黏聚力的影響相對較小。考慮中間主應(yīng)力變化的路徑下，中間主應(yīng)力\sigma_2對沙漠砂的抗剪強度有著顯著影響。當\sigma_2逐漸增大時，沙漠砂的抗剪強度明顯提高。在\sigma_1為300kPa，\sigma_3為100kPa的條件下，當\sigma_2從100kPa增加到300kPa時，內(nèi)摩擦角\varphi從約34°增大到約38°，黏聚力c從約8kPa增大到約12kPa。這是因為中間主應(yīng)力的增大，使得土體在側(cè)向方向上的約束增強，顆粒間的摩擦力和咬合力增大，從而提高了土體的抗剪強度。中間主應(yīng)力對沙漠砂抗剪強度的影響主要體現(xiàn)在內(nèi)摩擦角和黏聚力的增大上。除了應(yīng)力路徑外，騰格里沙漠砂的顆粒級配、密度等因素也對其強度特性產(chǎn)生影響。顆粒級配良好的沙漠砂，由于顆粒間的相互嵌鎖作用較強，其抗剪強度相對較高；而顆粒級配不良的沙漠砂，顆粒間的嵌鎖作用較弱，抗剪強度相對較低。密度較大的沙漠砂，顆粒間的接觸更加緊密，抗剪強度也較高。在實際工程中，通過改善沙漠砂的顆粒級配和提高其密度，可以有效提高其抗剪強度，滿足工程的要求。5.1.3體積變形特征騰格里沙漠砂在真三軸試驗中的體積變化特性對于理解其力學行為具有重要意義。在不同應(yīng)力路徑下，沙漠砂表現(xiàn)出不同的剪脹和剪縮特性。在等比例加載路徑下，隨著偏應(yīng)力的增大，騰格里沙漠砂的體積變化經(jīng)歷了先剪縮后剪脹的過程。當圍壓為100kPa時，在加載初期，偏應(yīng)力較小，沙漠砂顆粒間的孔隙逐漸被壓縮，土體體積減小，表現(xiàn)出剪縮特性。隨著偏應(yīng)力的不斷增大，顆粒間的相對滑動和滾動加劇，土體結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，顆粒重新排列，孔隙增大，土體體積開始增大，表現(xiàn)出剪脹特性。在剪脹階段，體積應(yīng)變的增長速率逐漸加快，表明沙漠砂的剪脹特性逐漸增強。隨著圍壓的增大，沙漠砂的剪縮特性增強，剪脹特性減弱。當圍壓增大到300kPa時，在整個加載過程中，沙漠砂主要表現(xiàn)為剪縮特性，剪脹現(xiàn)象不明顯。這是因為圍壓的增大使得顆粒間的接觸更加緊密，顆粒間的摩擦力和咬合力增大，土體抵抗體積膨脹的能力增強，從而抑制了剪脹現(xiàn)象的發(fā)生。在非等比例加載路徑下，沙漠砂的體積變化特性更為復雜。由于主應(yīng)力的加載速率和比例不同，土體內(nèi)部的應(yīng)力分布不均勻，導致不同方向上的變形差異較大，從而影響了體積變化。當\sigma_1的加載速率較快，\sigma_2和\sigma_3的加載速率相對較慢時，在加載初期，由于\sigma_1的作用，土體主要在軸向方向上發(fā)生壓縮變形，體積減小，表現(xiàn)出剪縮特性。隨著加載的進行，\sigma_2和\sigma_3的作用逐漸顯現(xiàn)，土體在側(cè)向方向上的變形增大，體積變化趨勢發(fā)生改變。在某些情況下，可能會出現(xiàn)先剪縮后剪脹再剪縮的復雜體積變化過程，這取決于主應(yīng)力的加載速率和比例以及土體的初始狀態(tài)。在考慮中間主應(yīng)力變化的路徑下，中間主應(yīng)力\sigma_2對沙漠砂的體積變形有著顯著影響。當\sigma_2逐漸增大時，沙漠砂的體積變化表現(xiàn)出明顯的階段性特征。在\sigma_1加載階段，體積變化與等比例加載路徑下相似，先剪縮后剪脹。當\sigma_1保持不變，\sigma_2逐漸增加時，由于\sigma_2的增大使得土體在側(cè)向方向上的約束增強，土體體積開始減小，表現(xiàn)出剪縮特性。這種體積變化特性的改變說明中間主應(yīng)力的變化會影響土體內(nèi)部的應(yīng)力分布和顆粒間的相互作用，從而導致體積變形的改變。沙漠砂的體積變形特性還與顆粒級配、密度等因素密切相關(guān)。顆粒級配良好的沙漠砂，在加載過程中顆粒間的相互嵌鎖作用較強，體積變化相對較小；而顆粒級配不良的沙漠砂，顆粒間的嵌鎖作用較弱，體積變化相對較大。密度較大的沙漠砂，顆粒間的接觸緊密，抵抗體積變形的能力較強，體積變化較小。5.2新應(yīng)力路徑試驗方法的驗證與評估5.2.1與傳統(tǒng)方法試驗結(jié)果對比將新應(yīng)力路徑試驗方法所得結(jié)果與傳統(tǒng)常規(guī)三軸試驗結(jié)果進行對比，從應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、強度特性和體積變形等方面展開分析。在應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系方面，傳統(tǒng)常規(guī)三軸試驗由于固定小主應(yīng)力\sigma_3，僅改變大主應(yīng)力\sigma_1，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出相對簡單的變化趨勢。在等向固結(jié)不排水剪試驗中，應(yīng)力-應(yīng)變曲線通常表現(xiàn)為隨著偏應(yīng)力(\sigma_1-\sigma_3)的增加，軸向應(yīng)變\varepsilon_1逐漸增大，且曲線的斜率在加載初期相對穩(wěn)定，后期逐漸減小，呈現(xiàn)出典型的應(yīng)變硬化特性。而新應(yīng)力路徑試驗方法在等比例加載路徑下，雖然應(yīng)力-應(yīng)變曲線也呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化特性，但由于三個主應(yīng)力同時變化，曲線的斜率和形狀與傳統(tǒng)方法存在明顯差異。在相同的偏應(yīng)力下，新方法得到的軸向應(yīng)變相對較小，這是因為三個主應(yīng)力的協(xié)同作用使得土體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，抵抗變形的能力增強。在強度特性方面，傳統(tǒng)常規(guī)三軸試驗得到的抗剪強度參數(shù)相對單一。內(nèi)摩擦角\varphi和黏聚力c主要受土的性質(zhì)和圍壓的影響，而新應(yīng)力路徑試驗方法考慮了中間主應(yīng)力\sigma_2的變化，使得抗剪強度參數(shù)更加全面和準確反映土體的實際強度特性。在考慮中間主應(yīng)力變化的路徑下，隨著中間主應(yīng)力\sigma_2的增大，騰格里沙漠砂的抗剪強度明顯提高，內(nèi)摩擦角\varphi和黏聚力c均有所增大，這一結(jié)果是傳統(tǒng)常規(guī)三軸試驗無法體現(xiàn)的。在體積變形方面，傳統(tǒng)常規(guī)三軸試驗的體積變化主要受偏應(yīng)力和圍壓的影響，在加載過程中，體積變化相對較為簡單，一般表現(xiàn)為剪縮或剪脹。而新應(yīng)力路徑試驗方法由于模擬了更復雜的應(yīng)力狀態(tài)，體積變形特性更為復雜。在非等比例加載路徑下，由于主應(yīng)力的加載速率和比例不同，土體內(nèi)部的應(yīng)力分布不均勻，導致體積變化呈現(xiàn)出先剪縮后剪脹再剪縮的復雜過程，這與傳統(tǒng)常規(guī)三軸試驗的體積變形特性存在顯著差異。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，新應(yīng)力路徑試驗方法在模擬土體復雜應(yīng)力狀態(tài)方面具有明顯優(yōu)勢，能夠更準確地揭示土體的力學特性，試驗結(jié)果更符合實際工程情況。傳統(tǒng)常規(guī)三軸試驗雖然操作簡單，但由于其加載方式的局限性，在反映土體真實力學行為方面存在一定的不足。5.2.2新方法對騰格里沙漠砂力學特性揭示的有效性新應(yīng)力路徑試驗方法在揭示騰格里沙漠砂復雜力學特性方面具有顯著優(yōu)勢。通過實現(xiàn)對三個主應(yīng)力的獨立精確控制，新方法能夠模擬出多種復雜的應(yīng)力路徑，全面研究沙漠砂在不同應(yīng)力狀態(tài)下的力學響應(yīng)。在等比例加載路徑下，能夠研究沙漠砂在均勻受力情況下的基本力學性能，為理解其力學行為提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；在非等比例加載路徑下，更貼近實際工程中土體所承受的復雜應(yīng)力狀態(tài)，能夠分析沙漠砂在非均勻受力情況下的強度和變形特性變化規(guī)律；在考慮中間主應(yīng)力變化的路徑下，重點研究中間主應(yīng)力對沙漠砂力學性質(zhì)的影響，深入揭示其強度、變形和破壞機制。新方法能夠更準確地揭示沙漠砂的剪脹和剪縮特性。在不同應(yīng)力路徑下，沙漠砂的剪脹和剪縮特性受到主應(yīng)力大小、加載速率和比例等多種因素的影響。新方法通過精確控制這些因素，能夠清晰地觀察到沙漠砂在加載過程中剪脹和剪縮特性的變化規(guī)律，為工程應(yīng)用提供更準確的參數(shù)。在等比例加載路徑下，隨著偏應(yīng)力的增大，沙漠砂的體積變化經(jīng)歷了先剪縮后剪脹的過程，新方法能夠準確捕捉到這一變化過程中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點和變化趨勢，為研究沙漠砂的變形機制提供了有力支持。