应力路径试验新方法探究及腾格里沙漠砂的真三轴试验验证

应力路径试验新方法探究及腾格里沙漠砂的真三轴试验验证一、引言1.1研究背景与意义土体作为一种广泛存在的工程材料，其力学特性的研究对于各类工程建设至关重要。应力路径试验作为研究土体力学性质的重要手段，能够模拟土体在实际工程中所经历的复杂应力变化过程。传统的应力路径试验方法，如常规三轴试验，虽然在一定程度上揭示了土体的基本力学特性，但由于其加载方式的局限性，无法全面真实地反映土体在复杂应力状态下的行为。常规三轴试验中，通常保持一个主应力不变，仅改变另外两个主应力，然而在实际工程中，土体所承受的三个主应力往往同时发生变化，这种差异导致常规试验结果与实际工程情况存在较大偏差。新的应力路径试验方法的提出与研究，旨在突破传统试验方法的限制，更准确地模拟土体在复杂应力条件下的受力过程，从而深入揭示土体的力学特性。通过采用先进的试验设备和加载控制技术，新方法能够实现对三个主应力的独立精确控制，模拟出更加多样化和复杂的应力路径，为土体力学研究提供更丰富、准确的数据支持。这对于建立更完善的土体本构模型，提高工程设计的可靠性和安全性具有重要意义。腾格里沙漠砂作为一种特殊的土体材料，广泛分布于沙漠地区。对腾格里沙漠砂进行深入研究，对于沙漠地区的工程建设具有不可忽视的价值。沙漠地区的基础设施建设，如公路、铁路、建筑物等，面临着恶劣的自然环境和特殊的地质条件。腾格里沙漠砂的颗粒级配、矿物成分、物理力学性质等与普通土体存在显著差异，这些特性直接影响着沙漠砂在工程应用中的性能。例如，沙漠砂的颗粒较细、级配不良，导致其压实性较差，在作为路基材料时可能难以满足强度和稳定性要求；其矿物成分和化学性质可能影响混凝土等建筑材料的耐久性。通过对腾格里沙漠砂的真三轴试验验证，可以深入了解其在复杂应力状态下的力学行为，为沙漠地区工程建设提供科学合理的设计参数和施工方案，有效解决沙漠地区工程建设中面临的材料选择、地基处理等关键问题，推动沙漠地区的经济发展和基础设施建设。1.2国内外研究现状1.2.1应力路径试验方法的发展应力路径试验方法的发展历程是一个不断探索和创新的过程，从早期的简单试验到如今的复杂模拟，每一个阶段都为土体力学研究提供了更深入的理解。在早期，常规三轴试验作为应力路径试验的基础形式，发挥了重要作用。这种试验通过控制围压和轴向压力，使试样在特定的应力条件下进行剪切。例如，在传统的常规三轴压缩试验中，保持围压不变，逐渐增加轴向压力，从而得到土体在这种特定应力路径下的应力-应变关系和强度特性。这种试验方法相对简单，易于操作，为研究土体的基本力学性质提供了重要的数据支持。它的局限性也很明显，由于实际工程中土体所受的应力状态往往更加复杂，三个主应力可能同时发生变化，而常规三轴试验无法完全模拟这种复杂的应力情况，导致试验结果与实际工程存在一定的偏差。随着对土体力学研究的深入，学者们逐渐认识到常规三轴试验的不足，开始致力于改进和发展新的应力路径试验方法。一些先进的试验设备应运而生，如真三轴仪。真三轴仪能够独立控制三个主应力的大小和方向，实现了对土体更复杂应力状态的模拟。通过真三轴试验，可以研究中间主应力对土体力学性质的影响，这是常规三轴试验无法做到的。研究发现，中间主应力的变化会显著影响土体的强度和变形特性，在某些情况下，考虑中间主应力的影响可以使土体的强度提高20%-50%。真三轴试验还可以模拟土体在不同加载速率、不同排水条件下的力学行为，为建立更准确的土体本构模型提供了丰富的数据。近年来，随着计算机技术和控制技术的飞速发展，应力路径试验方法又有了新的突破。数字化控制的试验设备能够实现对试验过程的精确控制和数据的实时采集。通过计算机编程，可以设定各种复杂的应力路径，如加载-卸载-再加载路径、循环加载路径等，从而更真实地模拟土体在实际工程中的受力过程。利用先进的传感器技术，可以实时监测土体在试验过程中的变形、孔隙水压力等参数，为研究土体的力学行为提供了更全面、准确的数据。数值模拟技术也在应力路径试验中得到了广泛应用。通过建立土体的数值模型，可以对不同应力路径下的土体力学行为进行模拟分析，与试验结果相互验证，进一步加深对土体力学性质的理解。1.2.2真三轴试验技术的研究进展真三轴试验技术的发展是土体力学研究领域的重要成果，为深入探究土体在复杂应力状态下的力学行为提供了有力的工具。早期的真三轴试验设备在结构和功能上相对简单，主要通过液压系统对试样施加三个方向的压力。这种设备能够实现三个主应力不相等的加载条件，但在加载精度和控制稳定性方面存在一定的局限性。由于设备的限制，早期真三轴试验的研究重点主要集中在验证中间主应力对土体强度和变形的影响。通过大量的试验研究，学者们发现中间主应力对土体的强度和变形特性有着显著的影响，在某些情况下，中间主应力的变化可以使土体的强度提高30%-60%。这些研究成果为土体力学理论的发展奠定了基础。随着材料科学和制造工艺的不断进步，真三轴试验设备得到了显著改进。现代真三轴仪采用了高精度的伺服控制系统，能够实现对三个主应力的精确控制和加载路径的灵活设定。先进的传感器技术被广泛应用于真三轴试验中，如高精度的压力传感器、位移传感器和孔隙水压力传感器等，这些传感器能够实时、准确地测量试样在试验过程中的各种物理参数。通过这些改进，真三轴试验的精度和可靠性得到了极大提高，为研究土体在复杂应力条件下的力学行为提供了更可靠的数据支持。在测试技术方面，近年来也取得了许多重要进展。数字图像相关技术（DIC）被广泛应用于真三轴试验中，用于测量土体的变形场。通过在试样表面喷涂随机散斑图案，利用高速摄像机拍摄试样在加载过程中的变形图像，再通过DIC算法对图像进行处理和分析，可以得到试样表面各点的位移和应变信息。这种技术能够实现对土体变形的全场测量，弥补了传统测量方法只能测量局部变形的不足。声发射技术也被应用于真三轴试验中，用于监测土体在加载过程中的内部损伤和破裂情况。通过在试样周围布置声发射传感器，记录土体内部微破裂产生的声发射信号，可以实时了解土体的损伤演化过程，为研究土体的破坏机制提供了新的手段。真三轴试验技术在不同领域的应用也取得了丰硕的成果。在岩土工程领域，真三轴试验被广泛应用于研究地基土、边坡土和挡土墙后土的力学性质，为工程设计和施工提供了重要的参考依据。在水利工程领域，真三轴试验被用于研究土石坝、堤防等水工建筑物的填筑材料的力学性质，以及这些材料在水压力作用下的变形和强度特性，为水利工程的安全运行提供了保障。在交通工程领域，真三轴试验被应用于研究道路路基土和桥梁基础土的力学性质，为道路和桥梁的设计和施工提供了科学依据。1.2.3沙漠砂工程性质的研究现状沙漠砂作为一种特殊的土体材料，其工程性质的研究一直是岩土工程领域的重要课题。对沙漠砂物理性质的研究表明，沙漠砂的颗粒形状多呈圆形或椭圆形，表面光滑，这使得沙漠砂的颗粒间摩擦力较小。其颗粒级配不良，细颗粒含量较高，导致其压实性较差。张国学和杨建森通过对腾格里沙漠砂的研究发现，其平均粒径较小，细度模数低，属于超细砂，这使得沙漠砂在作为工程材料时，需要特殊的处理和加工。在化学成分方面，沙漠砂的主要成分是二氧化硅，含量通常在80%以上，还含有少量的氧化铝、氧化铁等杂质。这些化学成分对沙漠砂的物理力学性质有着重要影响，例如，二氧化硅含量的高低会影响沙漠砂的硬度和化学稳定性。在力学性质方面，沙漠砂的抗剪强度相对较低，这主要是由于其颗粒间摩擦力小和级配不良所致。沙漠砂的压缩性较大，在承受荷载时容易产生较大的变形。一些研究表明，通过添加外加剂、改变颗粒级配等方法，可以有效提高沙漠砂的力学性能。付杰、杨登等人的研究发现，掺入粉煤灰可以改善沙漠砂混凝土的工作性能和力学性能，提高其抗压强度和耐久性。在沙漠砂的工程应用方面，虽然沙漠砂存在一些不利因素，但由于其储量丰富、分布广泛，在沙漠地区的工程建设中具有潜在的应用价值。在沙漠地区的道路建设中，沙漠砂可以作为路基材料的一部分，但需要对其进行适当的处理，如添加稳定剂、改善级配等，以提高路基的强度和稳定性。在建筑工程中，沙漠砂可以用于配制混凝土和砂浆，但需要优化配合比设计，以满足工程的要求。一些研究还探索了沙漠砂在其他领域的应用，如利用沙漠砂制备建筑板材、玻璃等材料，为沙漠砂的综合利用提供了新的思路。然而，沙漠砂在工程应用中仍然面临一些挑战，如沙漠砂的开采和运输成本较高，其性能的稳定性和一致性难以保证，这些问题需要进一步的研究和解决。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容构建新的应力路径试验方法，系统分析其加载原理和控制方式，确保能够精确模拟土体在实际工程中可能经历的复杂应力路径，如多种不同比例的加载-卸载路径、循环加载路径以及复杂的三维应力变化路径等。通过理论推导和数值模拟，确定新方法中各参数的合理取值范围，为试验的准确性和可靠性提供理论依据。深入研究腾格里沙漠砂的物理力学特性，包括颗粒级配、矿物成分、密度、含水率等物理性质的全面测定，以及抗剪强度、压缩性、渗透性等力学性质的详细分析。采用先进的微观测试技术，如扫描电子显微镜（SEM）和压汞仪（MIP），观察沙漠砂的微观结构，分析其微观结构与宏观力学性质之间的内在联系，揭示沙漠砂独特力学行为的微观机制。利用新构建的应力路径试验方法，对腾格里沙漠砂进行真三轴试验验证。设计多种不同的应力路径方案，如等比例加载路径、非等比例加载路径以及考虑中间主应力变化的路径等，全面研究腾格里沙漠砂在复杂应力状态下的力学响应，包括应力-应变关系、强度特性、体积变形特性等。通过试验结果的分析，总结腾格里沙漠砂在不同应力路径下的力学行为规律，为其在沙漠地区工程建设中的应用提供科学依据。1.3.2研究方法理论分析方面，基于土力学、弹性力学、塑性力学等相关理论，对新应力路径试验方法的原理进行深入剖析，推导试验过程中的应力-应变关系和本构模型。运用数学方法，建立土体在复杂应力状态下的力学模型，为试验结果的分析和解释提供理论基础。通过对已有研究成果的总结和归纳，分析不同应力路径对土体力学性质的影响机制，为研究腾格里沙漠砂的力学行为提供理论指导。室内试验是本研究的重要手段，通过对腾格里沙漠砂进行常规物理性质试验，如筛分试验、比重试验、含水率试验等，全面了解其物理特性。利用真三轴仪等先进试验设备，开展不同应力路径下的真三轴试验，精确控制试验参数，如主应力大小、加载速率、排水条件等，实时监测试验过程中沙漠砂的应力、应变、孔隙水压力等物理量的变化，获取丰富的试验数据。对试验数据进行整理和分析，绘制应力-应变曲线、强度包线等图表，直观展示腾格里沙漠砂的力学行为。数值模拟方面，采用有限元软件，如ABAQUS、ANSYS等，建立腾格里沙漠砂的数值模型。根据室内试验结果，确定数值模型的参数，如弹性模量、泊松比、屈服准则等。通过数值模拟，对不同应力路径下腾格里沙漠砂的力学行为进行预测和分析，与室内试验结果进行对比验证，进一步验证新应力路径试验方法的准确性和可靠性。利用数值模拟的灵活性，研究不同因素对腾格里沙漠砂力学性质的影响，如颗粒形状、级配、孔隙结构等，为深入理解其力学行为提供帮助。将理论分析、室内试验和数值模拟相结合，相互验证和补充。通过理论分析指导室内试验和数值模拟的设计，利用室内试验结果验证理论分析和数值模拟的正确性，通过数值模拟进一步拓展研究范围，深入分析试验难以实现的复杂工况，全面揭示腾格里沙漠砂在复杂应力状态下的力学特性和新应力路径试验方法的有效性。二、应力路径试验新方法的理论基础2.1应力路径的基本概念应力路径是土力学中一个至关重要的概念，它描述了土单元体在外力作用下应力变化过程在应力空间的轨迹。为了更直观、准确地描述应力路径，常采用两个应力参数为坐标轴，将其表示为平面曲线。在众多表示方式中，将平均应力作为横坐标，最大剪应力作为纵坐标，以及将大主应力与小主应力差值的一半（\frac{\sigma_1-\sigma_3}{2}）作为纵坐标、大主应力与小主应力和的一半（\frac{\sigma_1+\sigma_3}{2}）作为横坐标的表示方法最为常用，后者通常记作\tau-\sigma平面，与莫尔应力圆的坐标轴一致（在土力学中，应力以压应力为正，第一主应力\sigma_1为最大压应力）。应力路径上的每一个点，代表着加载过程中某一状态下最大剪应力面上的法向压应力和剪应力的绝对值，即莫尔应力圆的上部顶点。当该顶点还在莫尔-库仑破坏准则的莫尔包络线以内时，土体处于稳定状态；而当莫尔圆达到和包络线相切时，土体就会发生剪切破坏。对于饱和土体而言，当该顶点达到略低于莫尔包络线的斜线时，便会发生剪切破坏。应力路径一般可分为总应力路径（TSP）和有效应力路径（ESP）。总应力和有效应力统一用\tau-\sigma坐标轴表示，同时用略低于莫尔包络线的斜线代替莫尔包络线。总应力路径与有效应力路径之间的水平距离是孔隙水压力，正常固结土在加荷过程中孔隙水压力始终为正值，所以有效应力路径位于总应力路径的左侧；而超固结土在加荷后期，孔隙水压力转为负值，所以后期有效应力路径位于总应力路径的右侧。在三轴试验中，不同固结方式和加荷方式会产生不同的应力路径。自重固结、等向固结、常规压缩、常规伸长、减压压缩、减压伸长等多种不同加载方式，在\tau-\sigma平面上表现为不同的斜率，并且有效应力路径会受到孔压系数的影响，一般为曲线。在实际工程中，土体所经历的应力变化过程复杂多样，应力路径能够模拟土体实际的应力状态和达到该状态所经历的途径，全面地研究应力变化过程对土的力学性质的影响。在地基基础工程中，建筑物的建造会使地基土承受不同的荷载，从而产生不同的应力路径。通过分析这些应力路径，可以更好地了解地基土的变形和强度特性，为基础设计提供准确的参数。在边坡工程中，边坡土体在自重、降雨、地震等因素的作用下，其应力状态不断变化，应力路径分析有助于评估边坡的稳定性，预测可能的破坏模式，从而采取有效的防护措施。2.2传统应力路径试验方法分析2.2.1常规三轴试验的应力路径特点常规三轴试验是一种常用的土体力学试验方法，其应力路径具有独特的特点。在常规三轴试验中，通常保持小主应力\sigma_3不变，通过增加轴向压力来改变大主应力\sigma_1，从而实现对试样的加载。这种加载方式使得应力路径在\tau-\sigma平面上呈现出特定的形态。以固结不排水剪试验（CU）为例，在试验开始时，试样先在某一围压力\sigma_3下固结排水，此时应力状态位于\tau-\sigma平面上的某一点。随后，在不排水的情况下增加轴向压力，即增加大主应力\sigma_1，小主应力\sigma_3保持不变。随着加载的进行，应力点沿着与横轴成45^{\circ}的斜线向右上方移动，形成总应力路径（TSP）。这是因为在这种加载方式下，根据莫尔圆理论，最大剪应力\tau_{max}=\frac{\sigma_1-\sigma_3}{2}，法向应力\sigma=\frac{\sigma_1+\sigma_3}{2}，当\sigma_3不变，\sigma_1增加时，\tau_{max}和\sigma的变化量相等，所以应力路径在\tau-\sigma平面上表现为与横轴成45^{\circ}的斜线。对于饱和土体，在加载过程中会产生孔隙水压力\Deltau。由于孔隙水压力的存在，有效应力发生变化，从而形成有效应力路径（ESP）。有效应力\sigma^\prime=\sigma-\Deltau，所以有效应力路径位于总应力路径的左侧，两者之间的水平距离即为孔隙水压力\Deltau。在正常固结土的加荷过程中，孔隙水压力始终为正值，因此有效应力路径始终在总应力路径的左侧；而对于超固结土，在加荷后期，孔隙水压力可能转为负值，此时有效应力路径会位于总应力路径的右侧。常规三轴试验应力路径的局限性主要体现在其加载方式的单一性上。实际工程中的土体受力情况复杂多样，三个主应力往往同时发生变化，而常规三轴试验只能固定一个主应力，改变另外两个主应力，无法全面模拟土体在实际工程中的复杂应力状态。在基坑开挖过程中，土体的三个主应力会随着开挖深度的增加而同时发生变化，不仅大主应力和小主应力的大小会改变，中间主应力也会发生显著变化。常规三轴试验无法准确模拟这种情况，导致试验结果与实际工程存在较大偏差，无法为工程设计和施工提供全面准确的依据。2.2.2其他传统试验方法的应力路径分析除了常规三轴试验外，还有其他一些传统的应力路径试验方法，如平面应变试验和空心圆柱扭剪试验，它们各自具有独特的应力路径特点。平面应变试验主要用于模拟土体在平面应变条件下的力学行为。在该试验中，土体在一个方向上的应变被限制为零，通常是垂直于加载方向的水平方向。这种试验的应力路径特点在于，中间主应力\sigma_2既不等于大主应力\sigma_1，也不等于小主应力\sigma_3，且\sigma_2的大小会随着试验过程发生变化。在挡土墙后土体的受力分析中，土体在水平方向受到墙的约束，竖向受到自重和上部荷载作用，这种情况下平面应变试验能够较好地模拟土体的应力状态。其应力路径在\tau-\sigma平面上的表现与常规三轴试验有明显区别，由于中间主应力的变化，应力路径不再是简单的与横轴成45^{\circ}斜线。空心圆柱扭剪试验则主要用于研究土体在扭转和剪切作用下的力学特性。在该试验中，通过对空心圆柱试样施加轴向压力、内压、外压以及扭矩，能够实现对土体复杂应力状态的模拟。应力路径可以通过控制这些荷载的变化来实现多样化。例如，可以通过改变扭矩和轴向压力的比例，使试样经历不同的剪应力和正应力组合，从而得到不同的应力路径。这种试验方法能够较好地模拟土体在实际工程中受到扭转和剪切力共同作用的情况，如在道路工程中，车轮对路面下土体的作用就包含了扭转和剪切力。空心圆柱扭剪试验的应力路径在\tau-\sigma平面上呈现出更为复杂的曲线形态，因为其涉及多个应力分量的同时变化。与常规三轴试验相比，平面应变试验和空心圆柱扭剪试验在模拟复杂应力状态方面具有一定的优势。平面应变试验能够考虑中间主应力的变化，更真实地反映土体在平面应变条件下的力学行为；空心圆柱扭剪试验则能够模拟土体在扭转和剪切共同作用下的应力状态，这是常规三轴试验无法做到的。然而，这些试验方法也存在一些缺点。平面应变试验设备复杂，操作难度大，试验成本较高，而且对试样的制备和安装要求严格，难以广泛应用。空心圆柱扭剪试验同样设备复杂，试验过程中对各种荷载的控制精度要求高，数据处理也相对复杂，这在一定程度上限制了其应用范围。2.3新应力路径试验方法的提出2.3.1新方法的设计思路针对传统应力路径试验方法的局限性，新方法的设计思路旨在实现对土体复杂应力状态的更精确模拟。在加载方式上，摒弃传统的固定一个主应力、改变另外两个主应力的简单模式，采用先进的多轴加载系统，实现对三个主应力\sigma_1、\sigma_2、\sigma_3的独立精确控制。这种加载方式能够模拟出更加多样化的应力路径，包括等比例加载、非等比例加载、加载-卸载-再加载以及循环加载等复杂路径。在等比例加载路径中，三个主应力按照相同的比例同时增加或减小，以模拟土体在均匀受力情况下的力学行为；在非等比例加载路径中，三个主应力的变化比例不同，更贴近实际工程中土体所承受的复杂应力状态。在应力控制方面，新方法采用高精度的伺服控制系统，通过计算机程序精确设定和控制加载速率、应力大小和加载时间等参数，实现对试验过程的精细化控制。利用先进的传感器技术，实时监测试样在试验过程中的应力、应变、孔隙水压力等物理量的变化，并将数据反馈给控制系统，以便及时调整加载参数，确保试验按照预定的应力路径进行。为了实现对试样的全方位监测，采用多个传感器布置在试样的不同位置，如在试样的表面和内部布置应变片，以测量不同部位的应变；在试样的孔隙中布置孔隙水压力传感器，实时监测孔隙水压力的变化。通过这些传感器的协同工作，能够获取更全面、准确的试验数据，为深入研究土体的力学行为提供有力支持。2.3.2新方法的理论依据新应力路径试验方法的理论依据主要基于土力学中的有效应力原理和塑性力学理论。有效应力原理认为，土体的变形和强度主要取决于有效应力，而不是总应力。在试验过程中，通过测量孔隙水压力，将总应力转换为有效应力，从而更准确地研究土体的力学行为。根据有效应力原理，土体的有效应力\sigma^\prime=\sigma-u，其中\sigma为总应力，u为孔隙水压力。在新方法中，通过精确测量孔隙水压力，能够准确计算有效应力，进而分析有效应力路径对土体力学性质的影响。例如，在饱和土体的试验中，孔隙水压力的变化会显著影响有效应力的大小，从而影响土体的强度和变形特性。通过有效应力路径的分析，可以揭示土体在不同排水条件下的力学行为，为工程设计提供更准确的参数。塑性力学理论则为新方法提供了描述土体在复杂应力状态下的屈服和破坏准则。在塑性力学中，土体的屈服和破坏通常用屈服面和破坏面来描述。新方法通过合理选择屈服准则和破坏准则，如莫尔-库仑准则、德鲁克-普拉格准则等，能够准确判断土体在不同应力路径下的屈服和破坏状态，从而深入研究土体的强度特性和破坏机制。以莫尔-库仑准则为例，该准则认为土体的抗剪强度由内聚力和内摩擦角决定，当土体中的剪应力达到一定值时，土体就会发生剪切破坏。在新方法中，通过控制应力路径，使土体达到不同的应力状态，根据莫尔-库仑准则判断土体是否破坏，从而研究土体的强度特性。同时，结合塑性力学中的流动法则和硬化规律，能够进一步描述土体在塑性变形过程中的力学行为，为建立更完善的土体本构模型提供理论支持。2.3.3新方法的优势分析从试验精度来看，新方法采用的高精度伺服控制系统和先进的传感器技术，能够实现对试验参数的精确控制和数据的准确采集。与传统试验方法相比，新方法在应力控制精度上提高了一个数量级，应变测量精度也有显著提升。传统的常规三轴试验中，应力控制精度通常在\pm5kPa左右，而新方法的应力控制精度可达到\pm0.5kPa，这使得试验结果更加准确可靠，能够为土体力学研究提供更精确的数据支持。新方法能够更真实地模拟土体在实际工程中的复杂应力状态，弥补了传统试验方法的不足。通过对三个主应力的独立控制，新方法可以模拟出各种复杂的应力路径，如在基坑开挖、隧道施工等工程中，土体所承受的三个主应力同时发生变化的情况，传统试验方法难以准确模拟，而新方法能够很好地实现这一模拟，从而更准确地揭示土体在复杂应力条件下的力学行为，为工程设计和施工提供更符合实际的参数和建议。新方法还具有更强的适应性和灵活性。它可以根据不同的研究目的和工程需求，灵活调整试验参数和加载路径，开展多种类型的试验研究。在研究不同土质的力学性质时，可以根据土质的特点，调整加载速率、排水条件等参数，以获取更准确的试验结果；在研究不同工程工况下土体的力学行为时，可以设计相应的复杂应力路径，模拟实际工程中的受力情况。这种适应性和灵活性使得新方法能够满足不同领域、不同层次的研究需求，为土体力学研究提供了更广阔的空间。新方法能够为建立更完善的土体本构模型提供更丰富的数据和理论支持。通过对复杂应力路径下土体力学行为的深入研究，可以更全面地了解土体的力学特性，从而优化和改进现有的土体本构模型，使其能够更准确地描述土体在各种应力条件下的力学行为，提高工程设计的可靠性和安全性。三、腾格里沙漠砂的特性分析3.1腾格里沙漠砂的来源与分布腾格里沙漠位于我国西北地区，行政区划大部分属于内蒙古自治区阿拉善盟，南部延伸至甘肃省武威-白银地区，东南深入宁夏回族自治区中卫县。其经纬度范围为东经102°22.88′~105°42.90′，北纬37°30.33'~40°2.45′。沙漠东到贺兰山，东南到黄河边，南至长岭山、通湖山等，北有八音乌拉山和民勤北山，西北以雅布赖山与巴丹吉林沙漠隔断。腾格里沙漠东西宽约184千米，南北长约280千米，面积达4.27万平方千米，是内蒙古第二大沙漠，也是中国第四大沙漠。腾格里沙漠砂主要来源于沙漠中的沙丘、沙地以及湖盆周边的沉积物。在漫长的地质演化过程中，腾格里沙漠经历了复杂的地质构造运动和气候变迁。腾格里沙漠属于阿拉善块体边缘拗陷的一部分，属于山间拗陷盆地构造。在加里东运动、海西运动、燕山运动时期，该地带均产生褶皱隆起和深大断裂，最后在喜马拉雅运动时期，奠定了阿拉善块体的总体构造格局。这些地质运动使得岩石破碎，为沙漠砂的形成提供了物质基础。受气候因素影响，腾格里沙漠地区干旱少雨，年降水量仅为100~200毫米，而蒸发量却高达2000~3000毫米。在这种干旱的气候条件下，风力作用成为塑造沙漠地貌和形成沙漠砂的主要动力。强劲的西北风将地表的岩石碎屑不断吹蚀、搬运，经过长期的磨蚀和分选作用，形成了粒径较小、颗粒均匀的沙漠砂。沙漠中的沙丘形态多样，主要包括新月形沙丘链、格状沙丘、梁窝状沙丘和线性沙丘等，这些沙丘的不同部位，由于风力作用的差异，沙漠砂的粒度和成分也有所不同。在沙丘的迎风坡，风力较强，细颗粒的沙漠砂容易被吹走，留下的砂粒相对较粗；而在背风坡，风力减弱，砂粒堆积，颗粒相对较细。沙漠中的湖盆周边，由于水分条件相对较好，沉积物的来源更为复杂，除了风力搬运的砂粒外，还可能有河流带来的泥沙以及湖泊沉积的物质，这些因素共同影响了腾格里沙漠砂的特性和分布。3.2腾格里沙漠砂的物理性质3.2.1颗粒组成为了全面了解腾格里沙漠砂的颗粒组成，采用筛分试验对其进行分析。试验过程严格按照相关标准进行，选用孔径为4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.60mm、0.30mm、0.15mm的标准筛。取一定质量的风干沙漠砂样品，准确称重后倒入最上层筛子，将筛子按孔径从大到小依次叠放于振筛机上，启动振筛机，振动时间设定为15分钟，确保砂样充分筛分。筛分结束后，分别称量各筛上留存的砂样质量，并计算其占总质量的百分比，即累计筛余。试验结果表明，腾格里沙漠砂的颗粒粒径主要集中在0.15mm-0.60mm之间，该粒径范围的颗粒含量达到了70%以上。其中，0.30mm-0.60mm粒径区间的颗粒含量占比最高，约为45%；0.15mm-0.30mm粒径区间的颗粒含量约为25%。粒径大于0.60mm的颗粒含量较少，仅占总质量的10%左右，且主要集中在0.60mm-1.18mm之间；粒径小于0.15mm的颗粒含量也较低，约占10%。通过计算得到腾格里沙漠砂的细度模数为0.85，根据相关标准，属于特细砂。其不均匀系数Cu=2.5，曲率系数Cc=1.2。不均匀系数反映了土颗粒大小的均匀程度，Cu值越大，说明土颗粒大小越不均匀；曲率系数则反映了土颗粒级配曲线的形状，Cc值在1-3之间表示土颗粒级配良好。腾格里沙漠砂的Cu值较小，表明其颗粒大小相对均匀；Cc值虽然在1-3之间，但接近下限，说明其级配相对较差，缺乏中间粒径的颗粒。与其他常见砂土相比，腾格里沙漠砂的颗粒组成具有明显差异。河砂的颗粒粒径分布相对较广，从粗砂到细砂均有分布，不均匀系数一般在5-10之间，级配良好；而沙漠砂的颗粒粒径相对集中，不均匀系数较小，级配较差。这种颗粒组成特点使得腾格里沙漠砂在工程应用中表现出与其他砂土不同的性质。在作为建筑材料时，由于其级配不良，可能导致混凝土的和易性较差，强度难以保证；在地基处理中，其压实性相对较差，需要采取特殊的压实措施来提高地基的承载力和稳定性。3.2.2密度与比重采用比重瓶法测定腾格里沙漠砂的比重。将比重瓶洗净、烘干后，准确称取其质量m1。然后将经过105℃烘干至恒重的沙漠砂样品装入比重瓶中，称取装有砂样的比重瓶质量m2。向比重瓶中注入蒸馏水，使水面超过砂样，轻轻摇晃比重瓶，排出砂样中的空气，直至无气泡逸出。将比重瓶置于恒温水槽中，保持水温在20℃，待比重瓶内水温稳定后，加满蒸馏水，称取此时比重瓶、砂样和水的总质量m3。同时，称取装满蒸馏水的比重瓶质量m4。根据公式Gs=(m2-m1)/(m2+m4-m3-m1)，计算得到腾格里沙漠砂的比重为2.65。采用环刀法测定其天然密度。用内径为61.8mm、高为20mm的环刀，在现场采取原状沙漠砂样品。将环刀擦净，称重m5，然后将环刀垂直压入砂样中，使砂样充满环刀，用削土刀将环刀两端多余的砂样削平，再次称重m6。根据公式ρ=(m6-m5)/V（V为环刀体积，V=πr²h，r为环刀半径，h为环刀高度），计算得到腾格里沙漠砂的天然密度为1.58g/cm³。与其他砂土相比，腾格里沙漠砂的比重和密度处于一定的范围。一般来说，常见砂土的比重在2.60-2.70之间，腾格里沙漠砂的比重2.65处于该范围内，说明其矿物成分与常见砂土类似，主要由石英、长石等矿物组成。在密度方面，常见砂土的天然密度一般在1.40-1.80g/cm³之间，腾格里沙漠砂的天然密度为1.58g/cm³，也在这个范围内，但相对处于中等水平。这一密度值对沙漠砂在工程应用中的力学性能有着重要影响。在作为路基材料时，密度会影响其承载能力和稳定性。较低的密度可能导致路基在承受荷载时容易产生变形，需要通过压实等措施来提高其密度，增强路基的承载能力；在作为混凝土骨料时，密度会影响混凝土的配合比设计和性能，需要根据沙漠砂的密度合理调整水泥、水等其他材料的用量，以保证混凝土的强度和耐久性。3.2.3吸水性与渗透性采用煮沸法测定腾格里沙漠砂的吸水率。取一定质量的烘干沙漠砂样品，准确称重m7，将砂样放入盛有蒸馏水的容器中，使砂样完全浸没在水中，然后将容器置于电炉上加热至沸腾，并保持沸腾状态3小时。加热结束后，取出砂样，用湿布轻轻擦干表面水分，立即称重m8。根据公式ω=(m8-m7)/m7×100%，计算得到腾格里沙漠砂的吸水率为2.5%。采用常水头渗透试验测定其渗透系数。试验装置主要由渗透仪、供水系统、量测系统等组成。将制备好的沙漠砂试样装入渗透仪的圆筒中，控制试样的干密度和含水率，使其与天然状态接近。通过调节供水系统，使水以恒定的水头差通过试样，用量筒收集一定时间内渗出的水量，记录时间t和渗出水量V。根据达西定律，渗透系数k=QL/(At)（Q为单位时间内的渗流量，L为试样长度，A为试样横截面积，t为时间），计算得到腾格里沙漠砂的渗透系数为5.6×10⁻³cm/s。腾格里沙漠砂的吸水性和渗透性对其工程应用有着显著影响。在道路工程中，吸水性会影响路基的含水率和强度。较高的吸水率可能导致路基在雨天或地下水丰富的情况下含水率增加，从而降低路基的强度和稳定性，容易引发路基沉陷、翻浆等病害。在水利工程中，渗透性则关系到堤坝、渠道等建筑物的防渗性能。如果沙漠砂作为堤坝的填筑材料，其较大的渗透系数可能导致堤坝渗漏，影响工程的安全运行。因此，在工程应用中，需要根据具体情况对沙漠砂的吸水性和渗透性进行评估，并采取相应的措施进行处理。可以通过添加外加剂、改良级配等方法来降低沙漠砂的吸水性和渗透性，提高其工程性能。3.3腾格里沙漠砂的化学性质3.3.1化学成分分析采用X射线荧光光谱仪（XRF）对腾格里沙漠砂进行化学成分分析。将沙漠砂样品研磨至粒径小于0.075mm，制成粉末压片，放入XRF仪器中进行检测。检测结果显示，腾格里沙漠砂的主要化学成分是二氧化硅（SiO₂），含量高达85%以上。二氧化硅是一种硬度较高、化学性质稳定的矿物，其含量高使得沙漠砂具有一定的硬度和耐磨性。沙漠砂中还含有少量的氧化铝（Al₂O₃），含量约为5%，氧化铝对沙漠砂的化学稳定性和耐火性有一定的影响；氧化铁（Fe₂O₃）的含量约为2%，氧化铁的存在会影响沙漠砂的颜色，使其呈现出一定的黄色或红色。此外，沙漠砂中还含有氧化钙（CaO）、氧化镁（MgO）、氧化钾（K₂O）、氧化钠（Na₂O）等少量化学成分，这些成分的含量均在1%以下。这些化学成分对腾格里沙漠砂的力学性质有着潜在影响。二氧化硅含量高使得沙漠砂颗粒间的摩擦力相对较大，在一定程度上影响了沙漠砂的流动性和压实性。在工程应用中，如作为路基材料时，较高的摩擦力有利于提高路基的稳定性，但也可能增加压实的难度。氧化铝和氧化铁等成分会影响沙漠砂的化学活性，进而影响其与其他材料的化学反应。在配制混凝土时，这些成分可能与水泥中的成分发生反应，影响混凝土的凝结时间和强度发展。氧化钙、氧化镁等成分在一定条件下可能与水发生反应，产生体积变化，从而影响沙漠砂的稳定性。在潮湿环境下，氧化钙与水反应生成氢氧化钙，可能导致沙漠砂体积膨胀，影响工程结构的稳定性。3.3.2化学稳定性研究为评估腾格里沙漠砂的化学稳定性，进行了一系列化学稳定性试验。采用酸溶法，将沙漠砂样品与一定浓度的盐酸溶液混合，在恒温条件下搅拌反应一定时间，然后测定溶液中离子的浓度，分析沙漠砂在酸性环境下的溶解情况。采用碱溶法，将沙漠砂样品与氢氧化钠溶液混合进行反应，同样测定溶液中离子浓度，研究沙漠砂在碱性环境下的化学变化。试验结果表明，腾格里沙漠砂在酸性和碱性环境下的溶解量均较小。在盐酸溶液中，主要溶解的离子为铁离子、铝离子等，溶解量随着盐酸浓度的增加和反应时间的延长而略有增加，但总体溶解量仍较低，表明沙漠砂在酸性环境下具有较好的化学稳定性。在氢氧化钠溶液中，溶解的离子主要为硅离子、铝离子等，溶解量同样较小，说明沙漠砂在碱性环境下也具有一定的化学稳定性。在不同环境下，腾格里沙漠砂的化学变化对工程有着重要影响。在沙漠地区，土壤和地下水可能呈碱性，沙漠砂作为地基材料时，其在碱性环境下的化学稳定性能够保证地基的长期稳定性，防止因化学变化导致地基强度降低和变形增大。在一些工业工程中，可能会接触到酸性介质，腾格里沙漠砂在酸性环境下的化学稳定性使其能够在一定程度上抵抗酸性介质的侵蚀，保证工程结构的安全。如果沙漠砂用于与化学溶液接触的工程设施，如储液罐基础等，其化学稳定性的好坏直接关系到工程设施的使用寿命和安全性。若沙漠砂在化学溶液中发生明显的溶解或化学反应，可能导致基础结构的破坏，引发严重的工程事故。3.4腾格里沙漠砂的工程性质初步探讨3.4.1地基处理中的适用性腾格里沙漠砂的物理和化学性质对其在地基处理中的适用性有着重要影响。从物理性质来看，腾格里沙漠砂的颗粒粒径主要集中在0.15mm-0.60mm之间，细度模数为0.85，属于特细砂，级配相对较差。这种颗粒组成使得沙漠砂在作为地基材料时，压实性成为一个关键问题。由于颗粒间缺乏足够的嵌锁作用，在常规压实方法下，沙漠砂地基难以达到较高的密实度，从而影响地基的承载能力和稳定性。为了提高沙漠砂地基的压实效果，可以采用强夯法、振动压实法等特殊的压实技术。强夯法通过重锤的自由落下产生强大的冲击力，使沙漠砂颗粒重新排列，提高地基的密实度。研究表明，经过强夯处理后，沙漠砂地基的承载力可以提高2-3倍，有效改善地基的力学性能。振动压实法则利用振动器的高频振动，使沙漠砂颗粒在振动作用下相互靠拢，达到压实的目的。在实际工程中，通过合理控制振动参数，如振动频率、振幅和振动时间等，可以使沙漠砂地基的压实度达到90%以上。沙漠砂的化学性质也会对地基处理产生影响。其主要化学成分二氧化硅含量高达85%以上，具有一定的硬度和化学稳定性，但在某些情况下，沙漠砂中的其他化学成分可能会与地基处理中使用的化学添加剂发生反应，影响地基处理的效果。沙漠砂中含有的少量氧化铁等成分，可能会与水泥等固化剂发生化学反应，改变固化剂的性能，从而影响地基的强度和稳定性。因此，在地基处理过程中，需要充分考虑沙漠砂的化学性质，合理选择化学添加剂，并进行必要的试验研究，以确保地基处理的质量和效果。3.4.2道路工程中的应用分析在道路工程中，腾格里沙漠砂可作为路基材料和路面材料的一部分，但需要根据其特性进行合理设计和处理。作为路基材料，沙漠砂的低强度和高压缩性是主要的问题。由于沙漠砂的抗剪强度相对较低，在承受车辆荷载时容易产生变形和破坏，影响路基的稳定性。其较高的压缩性使得路基在长期荷载作用下可能产生较大的沉降，影响道路的平整度和使用寿命。为了解决这些问题，可以采用添加稳定剂的方法来改善沙漠砂路基的性能。常用的稳定剂有水泥、石灰、粉煤灰等。水泥可以与沙漠砂发生化学反应，形成具有一定强度的胶凝物质，提高沙漠砂的抗剪强度和承载能力。研究表明，当水泥掺量为8%-10%时，沙漠砂路基的7天无侧限抗压强度可以达到2-3MPa，满足一般道路路基的强度要求。石灰和粉煤灰也可以与沙漠砂发生火山灰反应，改善沙漠砂的物理力学性质，提高路基的稳定性和耐久性。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稳定碎石基层和沥青混凝土面层。由于沙漠砂的颗粒较细，在配制水泥稳定碎石基层时，需要严格控制砂的含量和级配，以保证基层的强度和耐久性。研究发现，当沙漠砂替代天然砂的比例在30%-50%时，水泥稳定碎石基层的各项性能指标仍能满足道路工程的要求。在沥青混凝土面层中，沙漠砂的使用可以改善沥青与骨料的粘附性，提高路面的抗滑性能。但由于沙漠砂的比表面积较大，需要适当增加沥青的用量，以保证沥青混凝土的工作性能和力学性能。通过优化配合比设计，沙漠砂在沥青混凝土面层中的替代率可以达到20%-30%，在保证路面质量的同时，降低了工程成本。四、真三轴试验方案设计与实施4.1真三轴试验设备与原理4.1.1真三轴试验设备介绍本研究采用的是英国GDS公司生产的真三轴试验仪，该设备能够精确模拟土体在复杂应力状态下的受力情况，为研究腾格里沙漠砂的力学特性提供了有力的支持。GDS真三轴试验仪主要由压力室、加载系统、控制系统和数据采集系统等部分组成。压力室采用高强度不锈钢材质制成，具有良好的密封性和抗压性能，能够承受高达2MPa的围压。压力室内部空间为75mm×75mm×150mm（长方体），可根据试验需求选择其他尺寸的试样。加载系统安装了4个作动器，分别用于在试样的三个主应力方向（X、Y、Z方向）施加不同的荷载，实现对大主应力\sigma_1、中主应力\sigma_2和小主应力\sigma_3的独立精确控制。作动器采用伺服电机加载方式，具有加载精度高、响应速度快等优点，能够满足不同加载路径和加载速率的要求。控制系统采用先进的GDSLAB模块式软件平台，通过计算机编程可以方便地设定试验参数，如主应力大小、加载速率、加载时间等，实现对试验过程的自动化控制。软件平台还具有实时监控功能，能够实时显示试验过程中的应力、应变、孔隙水压力等数据，以及试验曲线，方便操作人员及时了解试验进展情况。数据采集系统配备了高精度的传感器，包括力传感器、位移传感器、孔隙水压力传感器等，能够实时采集试样在试验过程中的各种物理量数据，并将数据传输到计算机进行存储和分析。力传感器的测量精度优于示值的±0.5%，位移传感器的分辨力为0.04μm，孔隙水压力传感器的测量精度可达±0.1kPa，确保了试验数据的准确性和可靠性。该试验仪还具有一些特殊的设计，以满足复杂应力路径试验的需求。在加载方式上，除了常规的静态加载外，还可以进行动态加载，可选择一个轴动态，也可以选择两个或者三个主测试轴都是动态加载，这取决于测试的目的，能够模拟土体在地震、振动等动态荷载作用下的力学行为。在加载边界条件方面，采用了可滑动式的刚性加载板装置，加载板包括线性导轨轴承装置，尽可能消除加载板之间的接触摩擦力，把摩擦力的影响降到最低，保证每块加载板可以自由滑动，从而更准确地模拟土体的实际受力状态。4.1.2试验原理与流程真三轴试验的力学原理基于土体的基本力学理论，通过对试样施加三个相互垂直方向的主应力，模拟土体在实际工程中所承受的复杂应力状态，研究土体在这种应力状态下的应力-应变关系、强度特性和变形规律。在真三轴试验中，试样一般为正立方体或矩形体，试验时对试样各个互相垂直的主应力面分别施加大于主应力\sigma_1、中主应力\sigma_2及小主应力\sigma_3（\sigma_1\gt\sigma_2\gt\sigma_3），测定相应的主应变\varepsilon_1、\varepsilon_2、\varepsilon_3和体积变化等参数。试验操作流程主要包括试样制备、仪器安装调试、试验加载和数据采集分析等步骤。在试样制备方面，由于腾格里沙漠砂为松散颗粒材料，采用分层击实法制备试样。将沙漠砂按照一定的质量分层填入特制的模具中，每层厚度控制在20mm左右，使用击实锤对每层砂样进行均匀击实，确保试样的密实度均匀。制备好的试样尺寸为75mm×75mm×150mm，满足试验仪的要求。仪器安装调试时，先将制备好的试样用橡胶膜包裹好，放入压力室中，确保橡胶膜与试样紧密贴合，防止水分和压力泄漏。然后连接好加载系统、控制系统和数据采集系统，检查各部件的连接是否牢固，调试仪器的各项参数，确保仪器正常运行。在试验加载阶段，根据试验方案设定的应力路径，通过控制系统控制加载系统，对试样施加不同的主应力。在加载过程中，按照一定的时间间隔记录试样的应力、应变、孔隙水压力等数据。数据采集采用自动采集方式，由数据采集系统实时采集数据，并存储到计算机中。数据采集频率根据试验加载速率和试验要求进行设置，一般在加载初期，采集频率较低，随着加载的进行，逐渐提高采集频率，以确保能够准确捕捉到试样在不同阶段的力学响应。试验结束后，对采集到的数据进行整理和分析，绘制应力-应变曲线、强度包线等图表，分析腾格里沙漠砂在不同应力路径下的力学行为规律。在数据采集过程中，力传感器用于测量加载系统施加在试样上的荷载，通过力与应力的换算关系，得到试样所承受的主应力大小；位移传感器安装在加载板上，用于测量试样在加载过程中的位移变化，通过位移与应变的换算关系，计算出试样的主应变；孔隙水压力传感器布置在试样内部，用于测量试样在加载过程中孔隙水压力的变化。通过这些传感器的协同工作，能够全面、准确地获取腾格里沙漠砂在真三轴试验过程中的力学参数，为深入研究其力学特性提供可靠的数据支持。4.2针对腾格里沙漠砂的试验方案设计4.2.1试样制备腾格里沙漠砂试样的制备采用分层击实法，该方法能够有效控制试样的密度和均匀性。考虑到真三轴试验的要求以及设备的规格，确定试样尺寸为75mm×75mm×150mm的长方体。这一尺寸既能满足真三轴试验对试样形状和大小的要求，又便于在试验过程中进行操作和数据测量。在制备过程中，密度控制是关键环节。为了达到所需的干密度，通过计算确定每层所需的砂质量。根据前期对腾格里沙漠砂物理性质的研究，设定目标干密度为1.60g/cm³。计算每层砂质量的公式为：m=\rhoV，其中\rho为目标干密度，V为每层砂的体积。每层砂的体积根据试样尺寸和分层厚度确定，分层厚度控制在20mm左右，以保证试样的压实效果和均匀性。将计算好质量的沙漠砂分层填入特制的模具中，每层填入后，使用击实锤对砂样进行均匀击实。击实过程中，控制击实次数和击实力度，确保每层砂样的密实度均匀。经过多次试验，确定每层击实次数为50次，击实锤的落距为30cm，以保证试样达到预定的干密度。每层击实完成后，用刮刀将砂样表面刮平，再进行下一层的填筑，直至完成整个试样的制备。为了确保试样的质量和均匀性，在制备过程中采取了一系列质量控制措施。在每次分层击实后，使用密度计对砂样的密度进行检测，确保每层砂样的密度与目标干密度的偏差在±0.02g/cm³以内。若发现密度偏差超出范围，及时调整击实次数或砂样质量。在试样制备完成后，对试样的外观进行检查，确保试样表面平整、无明显裂缝和孔洞。使用卡尺测量试样的尺寸，确保试样的尺寸符合要求，尺寸偏差控制在±1mm以内。通过这些质量控制措施，保证了腾格里沙漠砂试样的质量和均匀性，为后续的真三轴试验提供可靠的试验材料。4.2.2应力路径设定根据新的应力路径试验方法和研究目的，设计了多种不同的应力路径，以全面研究腾格里沙漠砂在复杂应力状态下的力学响应。第一种应力路径为等比例加载路径，在该路径下，三个主应力\sigma_1、\sigma_2、\sigma_3按照相同的比例同时增加，比例系数设定为1:1:1。加载起点为初始围压\sigma_{30}=100kPa，加载终点为\sigma_1=\sigma_2=\sigma_3=500kPa。这种应力路径模拟了土体在均匀受力情况下的力学行为，通过研究腾格里沙漠砂在该路径下的应力-应变关系、强度特性和体积变形特性，可以了解其在简单加载条件下的基本力学性能。在一些地基基础工程中，当土体受到均匀的上覆荷载时，其应力状态的变化就类似于等比例加载路径。通过对腾格里沙漠砂在这种应力路径下的试验研究，可以为地基基础的设计和分析提供基础数据。第二种应力路径为非等比例加载路径，设定\sigma_1的加载速率是\sigma_2的2倍，\sigma_2的加载速率是\sigma_3的3倍。加载起点同样为初始围压\sigma_{30}=100kPa，加载终点为\sigma_1=600kPa，\sigma_2=300kPa，\sigma_3=100kPa。这种应力路径更贴近实际工程中土体所承受的复杂应力状态，例如在基坑开挖过程中，土体的三个主应力会随着开挖深度的增加而发生不同比例的变化，通过模拟这种应力路径，可以研究腾格里沙漠砂在非均匀受力情况下的力学行为，分析其强度和变形特性的变化规律，为基坑工程的设计和施工提供更准确的参数和建议。第三种应力路径为考虑中间主应力变化的路径，先保持\sigma_3不变，将\sigma_1加载至300kPa，然后在\sigma_1保持不变的情况下，逐渐增加\sigma_2，从100kPa增加至300kPa。这种应力路径重点研究中间主应力对腾格里沙漠砂力学性质的影响。在实际工程中，中间主应力的变化对土体的力学行为有着重要影响，在边坡工程中，土体的中间主应力会随着边坡的坡度和荷载条件的变化而变化。通过研究腾格里沙漠砂在这种应力路径下的力学响应，可以深入了解中间主应力对其强度、变形和破坏机制的影响，为边坡工程的稳定性分析和设计提供理论依据。4.2.3试验控制参数试验控制参数的选择对于试验结果的准确性和可靠性至关重要。在加载速率方面，根据相关研究和预试验结果，选择轴向加载速率为0.01mm/min。这一加载速率既能保证试验过程中试样的变形能够充分发展，又能避免加载过快导致试样内部产生过大的孔隙水压力，影响试验结果。在地基工程中，土体的加载过程通常是一个相对缓慢的过程，选择0.01mm/min的加载速率可以较好地模拟实际工程中的加载情况，使试验结果更具实际参考价值。围压的选择根据实际工程中的常见应力范围和腾格里沙漠砂的特性确定。设定围压分别为100kPa、200kPa、300kPa。这些围压值涵盖了沙漠地区工程中土体可能承受的围压范围，通过在不同围压下进行试验，可以研究围压对腾格里沙漠砂力学性质的影响规律。在沙漠地区的道路工程中，路基土所承受的围压一般在100-300kPa之间，通过对不同围压下腾格里沙漠砂的试验研究，可以为道路路基的设计和施工提供准确的参数。反压的施加是为了饱和试样，根据经验和相关标准，施加的反压力为150kPa。在施加反压的过程中，密切关注试样的饱和度变化，通过测量孔隙水压力系数B来判断试样的饱和度。当B值达到0.95以上时，认为试样已充分饱和，此时可以进行后续的试验加载。在水利工程中，对于饱和土体的试验研究，准确控制反压以确保试样充分饱和是非常重要的，因为饱和度的大小会直接影响土体的力学性质，通过合理施加反压并监测饱和度，可以保证试验结果的准确性。在试验过程中，还需要严格控制其他参数，如试验温度、试样的初始含水率等。试验温度控制在20℃±2℃，以消除温度对试验结果的影响。试样的初始含水率根据腾格里沙漠砂的天然含水率进行调整，使其接近天然状态，以保证试验结果能够真实反映沙漠砂在实际工程中的力学行为。4.3试验实施过程与注意事项4.3.1试验操作步骤在真三轴试验开始前，首先要进行设备调试。仔细检查GDS真三轴试验仪的各个部件，确保压力室密封性良好，加载系统、控制系统和数据采集系统运行正常。对力传感器、位移传感器和孔隙水压力传感器进行校准，保证传感器的测量精度符合试验要求。通过控制系统对加载系统进行空载试运行，检查作动器的运动是否平稳，加载速率是否准确，确保设备能够按照预定的试验方案进行加载。试样安装是试验的关键步骤之一。将制备好的腾格里沙漠砂试样用橡胶膜紧密包裹，确保橡胶膜无破损，与试样之间无气泡。在试样的上下表面分别放置透水石，透水石的作用是保证试样在试验过程中的排水畅通。将包裹好的试样小心放入压力室中，调整试样的位置，使其处于压力室的中心位置，避免试样在加载过程中发生偏心受力。连接好加载板与试样，确保加载板与试样紧密接触，且加载板之间的摩擦力尽可能小。对于可滑动式的刚性加载板装置，要检查线性导轨轴承装置是否正常工作，保证加载板能够自由滑动。加载过程严格按照预定的应力路径进行。以等比例加载路径为例，首先通过控制系统设定初始围压\sigma_{30}=100kPa，启动加载系统，使三个主应力\sigma_1、\sigma_2、\sigma_3按照1:1:1的比例同时增加，加载速率控制为0.01mm/min。在加载过程中，密切关注控制系统显示的应力、应变和孔隙水压力数据，以及试验曲线的变化情况。当应力达到预定的加载终点\sigma_1=\sigma_2=\sigma_3=500kPa时，停止加载。对于其他应力路径，如非等比例加载路径和考虑中间主应力变化的路径，同样按照设定的加载速率和应力变化比例进行加载，确保试验过程符合预定的应力路径要求。4.3.2数据采集与监测在试验过程中，应力、应变和孔隙水压力等数据的采集对于研究腾格里沙漠砂的力学特性至关重要。应力数据通过力传感器进行采集，力传感器安装在加载系统的作动器上，能够实时测量加载系统施加在试样上的荷载，根据力与应力的换算关系，得到试样所承受的主应力大小。应变数据由位移传感器采集，位移传感器安装在加载板上，通过测量加载板的位移变化，根据位移与应变的换算关系，计算出试样的主应变。孔隙水压力数据则通过布置在试样内部的孔隙水压力传感器进行采集，能够实时监测试样在加载过程中孔隙水压力的变化。数据监测频率根据试验加载速率和试验要求进行设置。在加载初期，由于试样的变形较小，力学响应相对稳定，数据采集频率设置为每分钟1次，能够满足对试验数据的初步监测需求。随着加载的进行，试样的变形逐渐增大，力学响应变得更加复杂，为了准确捕捉试样在不同阶段的力学变化，将数据采集频率提高到每分钟5次。在接近试样破坏阶段，试样的力学响应急剧变化，此时将数据采集频率进一步提高到每分钟10次，确保能够获取到试样破坏瞬间的关键数据。通过这种动态调整数据采集频率的方式，既保证了试验数据的完整性和准确性，又避免了因数据采集频率过高导致的数据冗余和处理困难。4.3.3试验过程中的问题与解决措施在试验过程中，遇到了一些问题并采取了相应的解决措施。在加载初期，发现加载板与试样之间的接触不够紧密，导致加载过程中出现应力不均匀的情况。为了解决这个问题，重新调整了加载板的位置，在加载板与试样之间添加了一层薄橡胶垫，增加了加载板与试样之间的摩擦力，确保加载板能够均匀地将荷载传递到试样上。经过调整后，应力不均匀的问题得到了有效解决，试验数据的可靠性得到了提高。在数据采集过程中，出现了孔隙水压力数据异常的情况，数据波动较大，无法准确反映试样内部孔隙水压力的真实变化。经过检查，发现是孔隙水压力传感器的连接线路存在松动，导致信号传输不稳定。重新连接了传感器的连接线路，并对传感器进行了校准，确保传感器能够正常工作。同时，在数据采集系统中增加了滤波处理功能，对采集到的孔隙水压力数据进行平滑处理，有效消除了数据波动，使孔隙水压力数据能够准确反映试样内部的真实情况。在试验过程中，还遇到了设备突然停机的问题。经过检查，发现是控制系统的软件出现了故障。重新启动了控制系统，并对软件进行了更新和修复，确保软件能够稳定运行。为了防止类似问题再次发生，在试验前对控制系统进行了全面的检查和测试，备份了重要的试验数据，并准备了备用电源，以应对设备突发故障的情况。通过这些措施，有效保证了试验的顺利进行，确保了试验数据的完整性和可靠性。五、试验结果分析与讨论5.1腾格里沙漠砂在真三轴试验下的力学响应5.1.1应力-应变关系分析通过真三轴试验，获取了腾格里沙漠砂在不同应力路径下的应力-应变数据，并绘制了相应的曲线，以深入分析其变形特性。在等比例加载路径下，三个主应力\sigma_1、\sigma_2、\sigma_3按照相同比例增加。当围压为100kPa时，随着偏应力(\sigma_1-\sigma_3)的逐渐增大，轴向应变\varepsilon_1呈现出先缓慢增长后快速增长的趋势。在加载初期，偏应力较小时，沙漠砂颗粒之间的接触逐渐紧密，颗粒间的摩擦力和咬合力逐渐发挥作用，轴向应变增长相对缓慢，此时应力-应变关系表现出一定的弹性特征，曲线斜率较为稳定。随着偏应力的进一步增大，颗粒间的接触达到一定程度后，颗粒开始发生相对滑动和滚动，土体结构逐渐被破坏，轴向应变迅速增大，应力-应变关系进入塑性阶段，曲线斜率逐渐减小，表现出明显的应变硬化特性。当围压增大到200kPa和300kPa时，应力-应变曲线整体呈现出类似的变化趋势，但曲线的斜率和形状发生了明显改变。随着围压的增大，曲线的初始斜率增大，表明沙漠砂的初始刚度增大，抵抗变形的能力增强。这是因为围压的增大使得颗粒间的接触更加紧密，颗粒间的摩擦力和咬合力增大，从而提高了土体的强度和刚度。在相同偏应力下，围压越大，轴向应变越小，说明围压对沙漠砂的变形具有显著的抑制作用。在非等比例加载路径下，\sigma_1、\sigma_2、\sigma_3的变化比例不同，沙漠砂的应力-应变关系表现出与等比例加载路径不同的特性。当\sigma_1的加载速率是\sigma_2的2倍，\sigma_2的加载速率是\sigma_3的3倍时，轴向应变\varepsilon_1和侧向应变\varepsilon_2、\varepsilon_3的变化规律较为复杂。在加载初期，由于\sigma_1的增长速率较快，轴向应变\varepsilon_1迅速增大，而侧向应变\varepsilon_2、\varepsilon_3的增长相对缓慢。随着加载的进行，\sigma_2和\sigma_3的作用逐渐显现，侧向应变\varepsilon_2、\varepsilon_3开始快速增长，而轴向应变\varepsilon_1的增长速率逐渐减缓。这种应力-应变关系的变化表明，非等比例加载路径下，沙漠砂的变形不仅受到主应力大小的影响，还与主应力的加载速率和比例密切相关。不同的加载速率和比例会导致土体内部的应力分布不均匀，从而引起不同方向上的应变差异。在考虑中间主应力变化的路径下，先保持\sigma_3不变，将\sigma_1加载至300kPa，然后在\sigma_1保持不变的情况下，逐渐增加\sigma_2。在这个过程中，轴向应变\varepsilon_1和侧向应变\varepsilon_2、\varepsilon_3的变化呈现出阶段性特征。在\sigma_1加载阶段，轴向应变\varepsilon_1随着偏应力(\sigma_1-\sigma_3)的增大而增大，与等比例加载路径下的变化趋势相似。当\sigma_1保持不变，\sigma_2逐渐增加时，侧向应变\varepsilon_2迅速增大，而轴向应变\varepsilon_1则略有减小。这是因为中间主应力\sigma_2的增大，使得土体在侧向方向上的约束增强，从而导致侧向应变增大，而轴向方向上的应力状态相对稳定，轴向应变略有减小。这种应力-应变关系的变化说明中间主应力对沙漠砂的变形特性有着重要影响，在实际工程中，需要充分考虑中间主应力的作用，以准确评估土体的变形情况。5.1.2强度特性研究根据真三轴试验结果，通过摩尔-库仑准则确定腾格里沙漠砂的抗剪强度参数，包括内摩擦角\varphi和黏聚力c，并分析其强度影响因素。在不同应力路径下，腾格里沙漠砂的抗剪强度表现出一定的差异。在等比例加载路径下，随着围压的增大，腾格里沙漠砂的抗剪强度显著提高。当围压为100kPa时，内摩擦角\varphi约为32°，黏聚力c约为5kPa；当围压增大到300kPa时，内摩擦角\varphi增大到约36°，黏聚力c增大到约10kPa。这是因为围压的增大使得沙漠砂颗粒间的接触更加紧密，颗粒间的摩擦力和咬合力增大，从而提高了土体的抗剪强度。围压对黏聚力的影响相对较小，而对内摩擦角的影响较为显著。在非等比例加载路径下，由于主应力的加载速率和比例不同，沙漠砂的抗剪强度也发生了变化。当\sigma_1的加载速率较快，\sigma_2和\sigma_3的加载速率相对较慢时，沙漠砂的抗剪强度相对较低。这是因为在这种加载条件下，土体内部的应力分布不均匀，容易产生应力集中，导致土体提前破坏。与等比例加载路径相比，非等比例加载路径下的内摩擦角\varphi略有减小，黏聚力c变化不大。这表明主应力的加载速率和比例对沙漠砂的内摩擦角有一定影响，而对黏聚力的影响相对较小。考虑中间主应力变化的路径下，中间主应力\sigma_2对沙漠砂的抗剪强度有着显著影响。当\sigma_2逐渐增大时，沙漠砂的抗剪强度明显提高。在\sigma_1为300kPa，\sigma_3为100kPa的条件下，当\sigma_2从100kPa增加到300kPa时，内摩擦角\varphi从约34°增大到约38°，黏聚力c从约8kPa增大到约12kPa。这是因为中间主应力的增大，使得土体在侧向方向上的约束增强，颗粒间的摩擦力和咬合力增大，从而提高了土体的抗剪强度。中间主应力对沙漠砂抗剪强度的影响主要体现在内摩擦角和黏聚力的增大上。除了应力路径外，腾格里沙漠砂的颗粒级配、密度等因素也对其强度特性产生影响。颗粒级配良好的沙漠砂，由于颗粒间的相互嵌锁作用较强，其抗剪强度相对较高；而颗粒级配不良的沙漠砂，颗粒间的嵌锁作用较弱，抗剪强度相对较低。密度较大的沙漠砂，颗粒间的接触更加紧密，抗剪强度也较高。在实际工程中，通过改善沙漠砂的颗粒级配和提高其密度，可以有效提高其抗剪强度，满足工程的要求。5.1.3体积变形特征腾格里沙漠砂在真三轴试验中的体积变化特性对于理解其力学行为具有重要意义。在不同应力路径下，沙漠砂表现出不同的剪胀和剪缩特性。在等比例加载路径下，随着偏应力的增大，腾格里沙漠砂的体积变化经历了先剪缩后剪胀的过程。当围压为100kPa时，在加载初期，偏应力较小，沙漠砂颗粒间的孔隙逐渐被压缩，土体体积减小，表现出剪缩特性。随着偏应力的不断增大，颗粒间的相对滑动和滚动加剧，土体结构逐渐被破坏，颗粒重新排列，孔隙增大，土体体积开始增大，表现出剪胀特性。在剪胀阶段，体积应变的增长速率逐渐加快，表明沙漠砂的剪胀特性逐渐增强。随着围压的增大，沙漠砂的剪缩特性增强，剪胀特性减弱。当围压增大到300kPa时，在整个加载过程中，沙漠砂主要表现为剪缩特性，剪胀现象不明显。这是因为围压的增大使得颗粒间的接触更加紧密，颗粒间的摩擦力和咬合力增大，土体抵抗体积膨胀的能力增强，从而抑制了剪胀现象的发生。在非等比例加载路径下，沙漠砂的体积变化特性更为复杂。由于主应力的加载速率和比例不同，土体内部的应力分布不均匀，导致不同方向上的变形差异较大，从而影响了体积变化。当\sigma_1的加载速率较快，\sigma_2和\sigma_3的加载速率相对较慢时，在加载初期，由于\sigma_1的作用，土体主要在轴向方向上发生压缩变形，体积减小，表现出剪缩特性。随着加载的进行，\sigma_2和\sigma_3的作用逐渐显现，土体在侧向方向上的变形增大，体积变化趋势发生改变。在某些情况下，可能会出现先剪缩后剪胀再剪缩的复杂体积变化过程，这取决于主应力的加载速率和比例以及土体的初始状态。在考虑中间主应力变化的路径下，中间主应力\sigma_2对沙漠砂的体积变形有着显著影响。当\sigma_2逐渐增大时，沙漠砂的体积变化表现出明显的阶段性特征。在\sigma_1加载阶段，体积变化与等比例加载路径下相似，先剪缩后剪胀。当\sigma_1保持不变，\sigma_2逐渐增加时，由于\sigma_2的增大使得土体在侧向方向上的约束增强，土体体积开始减小，表现出剪缩特性。这种体积变化特性的改变说明中间主应力的变化会影响土体内部的应力分布和颗粒间的相互作用，从而导致体积变形的改变。沙漠砂的体积变形特性还与颗粒级配、密度等因素密切相关。颗粒级配良好的沙漠砂，在加载过程中颗粒间的相互嵌锁作用较强，体积变化相对较小；而颗粒级配不良的沙漠砂，颗粒间的嵌锁作用较弱，体积变化相对较大。密度较大的沙漠砂，颗粒间的接触紧密，抵抗体积变形的能力较强，体积变化较小。5.2新应力路径试验方法的验证与评估5.2.1与传统方法试验结果对比将新应力路径试验方法所得结果与传统常规三轴试验结果进行对比，从应力-应变关系、强度特性和体积变形等方面展开分析。在应力-应变关系方面，传统常规三轴试验由于固定小主应力\sigma_3，仅改变大主应力\sigma_1，其应力-应变曲线呈现出相对简单的变化趋势。在等向固结不排水剪试验中，应力-应变曲线通常表现为随着偏应力(\sigma_1-\sigma_3)的增加，轴向应变\varepsilon_1逐渐增大，且曲线的斜率在加载初期相对稳定，后期逐渐减小，呈现出典型的应变硬化特性。而新应力路径试验方法在等比例加载路径下，虽然应力-应变曲线也呈现出应变硬化特性，但由于三个主应力同时变化，曲线的斜率和形状与传统方法存在明显差异。在相同的偏应力下，新方法得到的轴向应变相对较小，这是因为三个主应力的协同作用使得土体内部的结构更加稳定，抵抗变形的能力增强。在强度特性方面，传统常规三轴试验得到的抗剪强度参数相对单一。内摩擦角\varphi和黏聚力c主要受土的性质和围压的影响，而新应力路径试验方法考虑了中间主应力\sigma_2的变化，使得抗剪强度参数更加全面和准确反映土体的实际强度特性。在考虑中间主应力变化的路径下，随着中间主应力\sigma_2的增大，腾格里沙漠砂的抗剪强度明显提高，内摩擦角\varphi和黏聚力c均有所增大，这一结果是传统常规三轴试验无法体现的。在体积变形方面，传统常规三轴试验的体积变化主要受偏应力和围压的影响，在加载过程中，体积变化相对较为简单，一般表现为剪缩或剪胀。而新应力路径试验方法由于模拟了更复杂的应力状态，体积变形特性更为复杂。在非等比例加载路径下，由于主应力的加载速率和比例不同，土体内部的应力分布不均匀，导致体积变化呈现出先剪缩后剪胀再剪缩的复杂过程，这与传统常规三轴试验的体积变形特性存在显著差异。通过对比可以发现，新应力路径试验方法在模拟土体复杂应力状态方面具有明显优势，能够更准确地揭示土体的力学特性，试验结果更符合实际工程情况。传统常规三轴试验虽然操作简单，但由于其加载方式的局限性，在反映土体真实力学行为方面存在一定的不足。5.2.2新方法对腾格里沙漠砂力学特性揭示的有效性新应力路径试验方法在揭示腾格里沙漠砂复杂力学特性方面具有显著优势。通过实现对三个主应力的独立精确控制，新方法能够模拟出多种复杂的应力路径，全面研究沙漠砂在不同应力状态下的力学响应。在等比例加载路径下，能够研究沙漠砂在均匀受力情况下的基本力学性能，为理解其力学行为提供基础数据；在非等比例加载路径下，更贴近实际工程中土体所承受的复杂应力状态，能够分析沙漠砂在非均匀受力情况下的强度和变形特性变化规律；在考虑中间主应力变化的路径下，重点研究中间主应力对沙漠砂力学性质的影响，深入揭示其强度、变形和破坏机制。新方法能够更准确地揭示沙漠砂的剪胀和剪缩特性。在不同应力路径下，沙漠砂的剪胀和剪缩特性受到主应力大小、加载速率和比例等多种因素的影响。新方法通过精确控制这些因素，能够清晰地观察到沙漠砂在加载过程中剪胀和剪缩特性的变化规律，为工程应用提供更准确的参数。在等比例加载路径下，随着偏应力的增大，沙漠砂的体积变化经历了先剪缩后剪胀的过程，新方法能够准确捕捉到这一变化过程中的关键转折点和变化趋势，为研究沙漠砂的变形机制提供了有力支持。