三向應力狀態下應力路徑對土體的變形特性的影響

摘要對粉質粘土進行固結不排水真三軸剪切試驗，探討了三向應力狀態下應力路徑對土體的變形特性的影響，研究結果表明:土體在三向受力狀態下，應力路徑土體的變形特性的影響顯著，平面應變加載試驗試樣在整個剪切過程中表現為剪縮性，平面應變卸荷試驗試樣在固結壓力較低時表現為剪脹性，在固結壓力較高時試樣表現為先剪縮再剪脹。

關鍵詞應力路徑 真三軸試驗 三向應力

中圖分類號:TU4文獻標識碼:A

0 引言

應力路徑對土體的變形特性的影響是一個十分復雜的課題。大量的試驗研究表明，土的應力-應變關系是非線性的，應力路徑不同則土體的變形也不同，且與其受的應力狀態密切相關。基于這種認識，我們利用真三軸儀，分別就同一種土在不同的應力路徑下，對土體進行固結不排水的平面應變加荷與平面應變卸荷兩種不同系列的試驗研究，來探討三向應力狀態下應力路徑對土體的變形特性的影響。

1 不同應力路徑試驗

1.1 開挖過程中土體的應力路徑

在軟土中進行基坑開挖，由于開挖卸荷改變了原位土體的應力場及地下水等環境因素的變化，土體中平均正應力下降，偏應力則大增，其應力釋放及變形過程是十分復雜的，為了便于分析，我們將開挖過程中土體的應力路徑做一定的簡化。

由于開挖卸荷，支擋結構在兩邊土壓力作用下，將產生水平變位，因此土體的應力狀態可簡化為是豎向應力基本保持不變，水平向應力在靜止側壓力與主動土壓力水平分量之間變化;同時基坑底部會產生隆起，應力狀態是豎向卸荷量大于橫向卸荷量，總體上可簡化為豎向卸荷，橫向荷載保持不變。

1. 2 試驗方案

在真三軸儀上，我們進行了兩種應力路徑試驗。一是對基坑周邊為主動區土體的卸荷應力路徑進行模擬，其應力狀態是豎向荷載不變，橫向卸荷，即1不變，3減小，并控制2方向上的應變為零;二是為了對比分析的加載應力路徑，應力狀態為豎向加荷，橫向荷載保持不變，1即增加，3不變，并控制2方向上的應變為零。

試驗分為兩組，第一組卸荷應力路徑為OAB，土體保持豎向應力不變，水平向應力減小，1即不變，3減小;另一組加荷應力路徑為OAC，土體豎向應力增加，水平向應力保持不變，即1增加，3不變。

1. 3 試驗成果及分析

在土工室中修剪的立方體土樣為70mm€?0mm€?5mm，均在2≈0平面應變條件下對土樣在真三軸試驗機上分別進行了加荷與卸荷兩種應力路徑試驗。將采集的數據進行整理后繪制各種關系曲線。

圖2平面應變加荷試驗應力應變關系曲線

圖3平面應變卸荷試驗應力應變關系曲線

圖4平面應變加荷試驗孔隙水壓力-軸向應變關系曲線

圖5平面應變卸荷試驗孔隙水壓力-軸向應變關系曲線

由圖2、圖3中可知，土樣在三向受力狀態下，應力路徑對土體的變形特性的影響顯著，平面應變加載試驗土樣處于正常固結狀態，剪切時結構愈加緊密，強度逐漸增強，因此，其應力應變關系為應變硬化型。平面應變卸荷試驗土樣處于超固結狀態，剪切破壞后結構的粘聚力喪失，強度降低，表現出軟化，因此，其應力應變關系曲線由應變硬化型轉變為應變軟化型，并且隨著固結壓力的增加表現越明顯。

由有效應力原理可知，土的有效應力決定了強度和變形，由圖4、圖5可知土樣在三向應力狀態，不同應力路徑時的孔隙水壓力的變化。孔隙水壓力是由土體的體積變化趨勢引起的，這意味著土體的剪脹性在不同的排水條件下有不同的表現。平面應變加載試驗土樣處于正常固結狀態，在整個試驗過程中孔隙水壓力均為正值，并且隨固結壓力的增加而增加，表現為剪縮性。而平面應變卸荷試驗土樣處于超固結狀態，在固結壓力較低也即輕度超固結時表現為剪脹性，土樣隨固結壓力增加，其超固結程度也增加，表現為先剪縮再剪脹。

2 結論

(1)土體在三向受力狀態下，應力路徑對土體的變形特性的影響顯著，平面應變加載試驗土樣處于正常固結狀態，應力應變關系為應變硬化型，平面應變卸荷試驗土樣處于超固結狀態，隨著固結壓力的增加，其應力應變關系曲線由應變硬化型轉變為應變軟化型。

(2)平面應變卸荷試驗試樣出現明顯的剪切帶破壞形式，試樣破壞的應變在遠遠小于平面應變加載試驗的破壞應變。

(3)平面應變加載試驗試樣在整個剪切過程中表現為剪縮性。平面應變卸荷試驗試樣在固結壓力較低時表現為剪脹性，在固結壓力較高時試樣表現為先剪縮再剪脹。

基金項目:湖北省教育廳項目(編號:D20081408)

參考文獻

[1]劉祖德.平面應變條件下膨脹土的卸荷變形試驗研究[J].巖土工程學報，1993.15(2):68-73.

[2]劉祖德.土的抗剪強度的取值標準問題[J].巖土工程學報，1987.9(2):11-19.

[3]曾國熙，潘秋元，胡一峰.軟粘土地基基坑開挖性狀的研究[J].巖土工程學報，1988.10(3):13-22.

[4]姜洪偉，張保良，袁聚云等.上海軟土的屈服函數[J].同濟大學學報，1996.24(4):422-426.

[5]徐志偉，陳瑜瑤.淤泥土應力-應變矢量增量的真三軸試驗研究[J].巖土力學，2000.21(4):343-349.

[6]殷宗澤，趙航.中主應力對土體本構關系的影響[J].河海大學學報，1990.18(5):54-61.

[7]陸士強，邱金營.應力歷史對砂土應力應變關系的影響[J].巖土工程學報，1989.11(4):17-25.

[8]Hajime Matsuoka，Hirofumi Koyama and Hiroyuki Yamazaki. A constitutive equation for sands and its application to analyses of rotational stress paths and liquefaction resistance[J]. Soils and foundations1985，vol.25，No.1，27-42.

[9]Lade，P.V. and Duncan，J.M. Cubical triaxial tests on cohesionless soil[J]ASCE， Journal of the Geotechnical Engineering division[J].1973， SM10，793-811.

[10]張榮堂.減P路徑下飽和軟粘土應力應變性狀的試驗研究[D].中國科學 院，2000.

[11]程展林，丁紅順，曾玲.平面應變試驗與簡化數值分析[J].長江科學院院報，1995.12(3):37-43.

[12]史宏彥，謝定義，汪聞韶.平面應變條件下無粘性土的破壞準則[J].土木工程學報，2001.34(1):79-83.

[13]錢壽易，符圣聰.正常固結飽和粘土的孔隙水壓力[J].巖土工程學報，1988.10(1):1-7.