粘性土应力路径试验概要.docx
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粘性土应力路径试验概要
第27卷第5期2005年9月
南 京 工 业 大 学 学 报
JOURNALOFNANJINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY
Vol.27No.5
Sep.2005
粘性土应力路径试验
常银生,王旭东,宰金珉,徐建龙
（南京工业大学土木工程学院,江苏南京210009
摘 要:
利用GDS多功能三轴仪,对南京河西地区原状粘性土进行了常规三轴压缩、减压三轴压缩和等p应力路径的固结不排水三轴试验,探讨不同应力路径下粘性土的变形和强度特性。
实验表明:
不同应力路径下土的应力应变关系都呈曲线形态相似的非线性应变硬化型,而土的峰值强度和土中孔隙水压力差异明显;验得到的有效应力路径形态一致,常规三轴压缩试验中有效应力路径呈S。
关键词:
粘性土;固结不排水三轴试验;应力路径
中图分类号:
TU411 文献标识码:
A -（05-- ,的应力状态,[1,]
方向有关,La提出的应力路径方法为研究在不同加载条件下土的强度和变形特性提供了一个合理方法。
基坑开挖卸荷引起坑周土中应力场的变化,因所处位置不同,土体经受的应力路径也不尽相同,国
[3,4]
内外学者对基坑开挖中的应力路径和不同应力
[5～7][8,9]
路径下土的变形、强度等特性进行了现场监测和室内应力路径三轴试验研究。
研究表明不同的应力路径下土的性质存在明显差异,常规三轴压缩试验结果用于基坑工程分析时,导致计算结果与实际情况差距较大。
已有的研究成果由于受试验设备的控制和数据采集等功能的限制,难以全面反映试验过程和试验结果,存在一定的局限性,因此有必要对不同应力路径下土的强度和变形等特性进行详细的深入研究。
σ1>0,本文选取常规三轴压缩应力路径（Δ
Δσ3=0、等平均应力p应力路径（Δp=0及基坑
σ1=开挖主动区典型的减压三轴压缩应力路径（Δ
σ3<0,利用GDS多功能三轴仪对饱和原状粘0,Δ
性土进行固结不排水应力路径三轴试验,全面探讨在不同应力路径下土的变形、强度和孔隙水压力等特性,并通过对比分析总结规律。
1 试验研究
111 应力路径
针对天然土层在其沉积历史过程中形成的各向、强度及孔隙水压力的影响。
试验设计的应力路径如图1所
σ1为110示,固结过程分别采用应力比（K=σ3/
的等向固结和应力比为017的非等向固结两种应力路径（OA、OD;剪切过程分别采用常规三轴压缩应力路径（AB、DE、等p应力路径（AG与减压三轴压缩应力路径（AC、DF。
试验方案详见表1。
图1 p～q空间应力路径
Fig.1 Stresspathonp～qspace
收稿日期:
2005-03-30
基金项目:
国家自然科学基金（No.50278024;江苏省高校自然科学研究计划（03KJB560044作者简介:
常银生（1979-,男,江苏东台人,硕士生,主要研究方向为土与结构共同作用;
王旭东（联系人,教授,Email:
cewxd@njutedu.cn。
第5期常银生等:
粘性土应力路径试验7
112试验设备
试验仪器采用英国GDS多功能三轴仪,主要由压力室、加压系统和量测与采集系统3部分组成（如图2所示。
压力室为3911mmBishop&Wesley应力路径室,最大轴力5kN,最大围压1700kPa;加
压系统包括3MPa压力和200mL体积控制器3套,分别用以提供围压、轴力和反压;量测系统包括内置水下荷重传感器、孔压传感器和线性位移传感器等各类传感器,数据采集系统包括数据采集板和转换器。
表1 试验方案
Table1 Experimentplan
固结过程（排水
试样编号
105150200
11015020070
剪切过程（不排水
应力路径
控制方式
围压σ3/kPa
105150150
20070105140150
应力路径
σ1K=σ3/
110100*********7017017110
CUCTC110CUCTC110CUCTC
Δ0
Δ0105mm/min
017110CRRTC110CURTC017CURTC017CURTC017CUTC110
150140105
Δσ3<0Δσ1=0
应力
σ3
012kPa/min
Δp=0应力
q
12kPa/min
注:
表中试样编号中CU表示固结不排水试验;CTC表示常规三轴压缩;RTC表示减压三轴压缩;
σ1。
TC表示等p压缩;上标为固结围压σ3;下标为固结应力比σ3/
试验采用GDSLAB软件进行试验控制和数据采集,该软件提供了饱和、固结、应力路径、高级加载、标准三轴试验等多种试验模块,通过输入控制参数,由GDS多功能三轴仪自动完成试验。
土样的主要物理指标如表2所示。
根据筛分法和比重计法颗分试验,粘粒含量为3219%,土样颗粒粒径分布曲线如图3所示,根据塑性指数,按《岩土工
（GB500212001确定其土名为粉质程勘察规范》
粘土。
用切土盘制备直径为3911mm,高80mm的试样,并置于真空饱和器中抽气饱和后待用。
图2 GDS多功能三轴试验系统
Fig.2 GDStriaxialtestinstrument
113 室内土工试验及试样制备
试验采用南京河西地区典型的原状饱和粘性
土,采用薄壁取土器取土样,取土深度为10～15m,
图3 颗粒粒径分布曲线
Fig.3 Particlesizedistributioncurve
8南 京 工 业 大 学 学 报
表2 土的物理指标
Table2 Physicalpropertyofsoil
第27卷
w（H2O/
密度ρ/
（g・cm-31189
天然重度γ/
（kN・m31815
孔隙比
e
液性塑性指数指数
IL
IP
%3612
应变关系具明显的非线性,且基本呈应变硬化型,试
验后期表现出微弱的应变软化。
孔隙水压力在加载初期迅速上升,其后基本保持稳定,试验后期略有下降。
因不排水试验中孔隙水压力变化与排水试验中体积变化为同一物理现象,试验产生的正超静孔隙水压力表明剪切过程中土呈现剪缩特性,土样破坏时,其孔压系数Af的平均值为0134
。
0196701781515
114 试验步骤11411 试样饱和
开启GDS系统,选用SaturationRamp试验模块,设置围压205kPa、反压200kPa,进行试样饱和。
11412 孔压系数B测定
选用BCheck模块,保持反压不变,15kPa,,B019811413 固 选用Cons试验模块,保持反压200kPa,根据试验要求设定固结压力进行等向固结;选用Ad2vanceloading试验模块,保持反压200kPa,根据试验
εε图4 q～a及u～a曲线
εεacurvesFig.4 q～aandu～
σ1设定固结要求设定固结轴压,并由应力比K=σ3/
围压进行非等向固结。
待压力设置稳定后打开反压阀门排水,直至试样固结度达98%时,固结完毕。
11414 剪 切关闭排水阀门,连续加载进行3种应力路径的试验,各自采取的控制方式为:
（1常规三轴压缩应力路径CTC:
选择标准三轴试验模块,保持围压不变,以0105mm/min的轴向位移速率增加轴向变形至试样破坏;
（2减压三轴压缩应力路径RTC:
选择Advanceloading试验模块,保持轴向压力不变,以2kPa/min
由图5常规三轴压缩试验有效应力路径可知,随固结围压σ3的增大,土的峰值强度随之提高,不同围压下的有效应力路径形态都呈S形,具有明显相似性,即在试验初期p′略有增加,而试验后期p′增加明显,反映了土的剪涨特性,试验后期孔压下降也反映了这一现象。
目前还不清楚S形应力路径是有代表性,还是由于扰动和（或试验方法造成,有待进一步研究
[10]
。
减小围压至反压值或试样破坏;
（3等p压缩应力路径:
选择StressPath试验模块,保持p不变,以2kPa/min速度增加q值至试样破坏。
11415 卸 样
将所有压力回零,待排去压力室中水后,拆去压力室外罩,脱去试样外橡皮膜,描述破坏后形状,称试样重,测定试验后含水量。
图5 有效应力路径
2 试验结果与分析
常规三轴压缩试验的应力应变关系和孔隙水
压力4所示。
试验结果表明其应力
Fig.5 Effectivestresspath
εε 图6为减压三轴压缩试验的q～u～a、a曲
线。
试验得到的应力应变关系同样具明显的非线
第5期常银生等:
粘性土应力路径试验9
性,呈应变硬化型,在试验结束时（σ3=0,等向固
结试样的εa要明显小于非等向固结试样的εa（除
70
εCURTC017外,u～a曲线反映了孔隙水压力（绝对
值随固结围压增加而增加的现象,等向固结试样
中观察到的孔压均为负值,而非等向固结试样中在
70
剪切初期孔压表现为正值（除CIRTC017外,其大小随固结围压的增大而减小,试验结束时观察到的孔隙水压力均为负值,表明土在剪切过程中呈现剪涨特性,其孔压系数Af介于-0120～-0129之间
。
试验结束时ε孔压均为负值,与等向固结试a较小、
样的特性相似;峰值强度略偏大,呈现超固结试样的特性,其原因可能是由于试验中围压较小（σ3=70kPa,导致试样处于超固结状态。
由图8和图9给出的等向固结下常规三轴压缩试验和减压三轴压缩试验结果的对比可知,两种应力路径下,土的变形、强度和孔隙水压力特性存在明显差异。
试验结束时,由于常规三轴压缩试验后期试样表现出的明显剪涨特性,
使得常规三轴压缩试
εε图6 q～a及u～a曲线
εaandu～εacurvesFig.6 q～
εε图8 q～a及u～a曲线
εaandu～εacurvesFig.8 q～
图7为减压三轴压缩试验的有效应力路径,相
同固结条件下有效应力路径形态具有相似性。
由于试验受σ3控制,虽然试验结束时σ3=0,负孔隙水压力的存在（σ3>0足以使土维持一定的刚度和强度,除CURTC017试样外,其余试样已达到或接近破坏,由CURTC110和CURTC017的试验结果可知,等向
固结试样的峰值强度要略大于非等向固结试样的强
200
140
70
验得到的εa要明显大于减压三轴压缩试验得到的ε相同固结围压下,土的常规三轴压缩试验峰值a。
强度大于减压三轴压缩试验峰值强度。
试验中孔隙水压力反应明显不同,孔隙水压力在常规三轴压缩试验中表现为正孔压,而减压三轴压缩试验中表现为负孔压,反映了试样在剪切过程中分别呈现剪缩和剪涨特性
。
图7 有效应力路径
Fig.7 Effectivestresspath
图9 有效应力路径
Fig.9 Effectivestresspath
度,此外,无论是等向固结还是非等向固结试样,其峰值强度都随固结围压的增加而提高,上述现象,反映了土的压硬性对土的刚度和峰值强度的影响。
CURTC017试样与其余两个非等向固结试样相
70
图10和图11给出了等向、非等向固结下常规
三轴压缩和减压三轴压缩试验结果的对比,在常规三轴压缩试验中,等向固结试样的峰值强度和孔隙水压力均大于非等向固结试样的结果,等向、非等向固结试样的有效应力路径形态相似。
在减压三轴压
比,其轴向应变、孔压和强度等规律有明显的差异。
10南 京 工 业 大 学 学 报 第27卷
εε图10 q～a及u～a曲线
εεa
curvesFig.10 q～aandu～
ε图12 q～a及u～aua
Fig.12q图11 有效应力路径
Fig.11 Effectivestresspath
图13 有效应力路径
Fig.13 Effectivestress
path
缩试验中,等向固结试样的孔隙水压力（绝对值大
200
于非等向固结试样的结果,由图7中CURTC110和CURTC110的试验结果可知,等向固结试样的峰值强
140
度略大于非等向固结试样的峰值强度,但两者的有效应力路径形态具有相似性。
由图12和图13给出的等向固结下常规三轴压缩试验、等p试验和减压三轴压缩试验结果对比分析
ε可知,q～a曲线形态相似,等p试验得到的峰值强度和孔隙水压力介于常规三轴压缩试验和减压三轴压
缩试验之间,等p试验产生正孔隙水压力。
3种试验的有效应力路径形态逐渐变化,常规三轴压缩试验中试验初期p′略有增加的现象在等p试验和减压三轴压缩试验中消失,试验后期p′增加的现象减弱。
连接各试验有效应力路径上的峰值,得到一通过原点的直线,其斜率Mc为1161,如图14所示。
试验结果表明,不同应力路径下,土的变形、强度和孔隙水压力等特性的差异,对于实际工程问题,应根据具体的受荷条件,针对性地开展相关的应力路径试验,获取合理的变形和强度参数
。
图14 p′～q坐标中破坏点
Fig.14 Failurepointsinp′～qspace
3 结 论
（1在不同应力路径下q～εa非线性关系明显,
曲线呈应变硬化型。
（2不同应力路径得到的土的峰值强度不同,其规律为按常规三轴压缩试验、等p试验、减压三轴压缩试验依次递减,在试验结束时,除个别减压三轴
5期第常银生等:
粘性土应力路径试验11压缩试验外,其余试样基本已达到破坏。
（3常规三轴压缩试验和等p试验中观察到正孔压,表明剪切过程中土呈现剪缩特性;减压三轴压缩试验观察到负孔压,呈现剪胀特性,孔压（绝对值均随固结围压的增高而提高。
（4相同应力路径试验得到的有效应力路径具有明显相似性。
常规三轴压缩试验中有效应力路径呈S形的特征,但在等p试验和减压三轴压缩试验中,其现象得到减弱或消失。
参考文献:
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中国Stresspathtestsofcohesivesoil（CollegeofCivilEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,ChinaAbstract:
DeformationandstrengtheningbehaviorsofcohesivesoilatthewestareaofNanjingcitywereinvestigatedferentstresspaths,whichincludeconventionaltriaxialcompression,reducedtriaxialcompressionandwithconstantsureareobviouslydifferentindifferentstresspathesTheshapeofeffectivestresspathissimilarunderthesame.stresspathtesting,theSπshapeofeffectivestresspathwasobservedinconventionaltriaxialcompressiontest.byusingGDStriaxialinstrument,thetriaxialtestswerecarriedoutunderconsolidatedundrainedconditionwithdif2pTheresultsshowthattheresponseofstress2strainisnonlinearhardening;thepeakstrengthandtheporepres2.Keywords:
cohensivesoil;consolidatedundrainedtriaxialtest;stresspathCHANGYin2sheng,WANGXu2dong,ZAIJin2in,XUJian2longm
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