砂土剪脹特性的試驗研究

盧真輝，戚承志，姜 寬，李太行，崔英潔

（北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京未來城市設(shè)計高精尖創(chuàng)新中心，北京100044）

0 引 言

土具有諸多特性，如硬化或軟化特性、壓硬性以及剪脹性等。其中，剪脹性是砂土最重要的特性之一。砂土的剪脹性是指土體在活動過程中由于土顆粒之間的排列方式改變引起相互位置的變化，從而使土體產(chǎn)生膨脹或剪縮的特性。為了探究砂土剪脹特性的影響因素及變化趨勢，國內(nèi)外的專家學(xué)者對此做了大量的試驗研究。Dafalias［1］發(fā)現(xiàn)砂土的剪脹性會受砂土的密度和圍壓的影響；Vaid等［2］發(fā)現(xiàn)，初始狀態(tài)相同的同種砂樣在不同應(yīng)力路徑下表現(xiàn)出不同的剪脹性；邵生俊等［3］認為應(yīng)力路徑會引起土體的剪縮剪脹；李廣信等［4］、劉元雪等［5］認為砂土的體縮與土的物理性質(zhì)、試驗的應(yīng)力路徑、邊界條件等因素有關(guān)；羅汀等［6］對黏土和砂土剪脹性的應(yīng)力路徑依存性做了系統(tǒng)的分析和比較；孫漢芳［7］發(fā)現(xiàn)在不同的應(yīng)力路徑下砂土表現(xiàn)出不同的剪脹特性；蔣立［8］通過模擬砂土的流滑應(yīng)力路徑三軸試驗，探究了流滑應(yīng)力路徑下砂土的剪脹性。

國內(nèi)外學(xué)者雖然研究了多種應(yīng)力路徑對于砂土剪脹性的影響，但是對于建立一種能夠反映兩者之間關(guān)系的本構(gòu)模型而言，現(xiàn)在的試驗數(shù)據(jù)還遠遠不夠；目前的大多數(shù)試驗主要集中在簡單的應(yīng)力路徑，但這些試驗是否能夠反映砂土在復(fù)雜加載路徑中的剪脹規(guī)律還鮮有研究。

為了探究應(yīng)力路徑對于砂土剪脹性的具體影響關(guān)系，建立能夠合理反映砂土應(yīng)力路徑與剪脹性關(guān)系的本構(gòu)模型，更好地描述砂土的剪脹特性，本文在不同固結(jié)方式、應(yīng)力路徑、圍壓下開展了砂土的三軸壓縮試驗，探究了砂土在不同條件下的剪縮、剪脹變化規(guī)律以及剪脹性變化趨勢的影響因素。

1 試驗土樣及方案

1.1 試驗儀器功能

本試驗采用英國GDS伺服電動機控制的（DYNTTS）動三軸測試系統(tǒng)。通過GDSLAB軟件可以準確地完成試驗控制和數(shù)據(jù)采集功能。壓力室包括一個內(nèi)置傳感器和量程為2 MPa的圍壓、孔壓傳感器。軸向力和軸向位移通過壓力室底座的一體化馬達驅(qū)動螺旋驅(qū)動器提供。通過變換內(nèi)置底座和三軸拉伸頂蓋，可制作直徑為38、50、70、100、150 mm 的試樣。為了操作方便，采用直徑為38 mm的底座。壓力室內(nèi)部有可以根據(jù)試驗要求進行調(diào)換的荷重傳感器，它可以將比較松軟的土質(zhì)材料變成很硬的土質(zhì)。因為荷載傳感器決定試驗系統(tǒng)測試時的最大軸向承載能力，為了滿足試驗的軸向力的設(shè)定，同時也為了能夠準確地表示試驗時的軸向力，所以本試驗選擇了量程為2 kN的傳感器，壓力測量精度0.1%，軸向位移精度0.07%，位移分辨率0.08 μm。圍壓和反壓控制子系統(tǒng)由GDS數(shù)字壓力/體積（2 MPa/200 cm-3）控制器完成，其分辨率可達1 kPa。

1.2 試驗土料

采用篩析法測量級配，砂土試樣的顆粒級配分布如表1所示。

表1 砂土顆粒級配

將試驗中材料，按《GB/T 50123-1999土工試驗方法標準》進行試驗。經(jīng)過測定，得到了土樣的基本物理力學(xué)指標。其中，密度Gs＝2.66，相對密度Dr＝65%，砂土為中密砂；泊松比ν＝0.33，最大、最小孔隙比分別為：emax＝0.76，emin＝0.47；制樣干密度ρd＝1.65 g/cm3。

1.3 試驗方案

按照《GB/T 50123-1999土工試驗方法標準》的要求制成試驗需要的試樣尺寸（直徑38 mm，高度76 mm）。制樣時，不同的裝樣方法會對試驗結(jié)果造成影響。采用干裝法裝樣，試樣都會表現(xiàn)為應(yīng)變軟化以及剪脹現(xiàn)象；而采用濕裝法裝樣，試樣基本上都會體現(xiàn)出應(yīng)變硬化和剪縮現(xiàn)象［9］。為了考慮應(yīng)變硬化階段的變化規(guī)律，采用濕裝法進行裝樣。首先稱取150 g標準砂，經(jīng)過煮沸、冷卻。裝樣前，檢查儀器各閥門管路是否完好，進行設(shè)備調(diào)零。所有設(shè)備都檢查合格后，進行裝樣。正確安裝壓力室后進行通水，然后通二氧化碳15 min、水頭飽和30 min，該過程試樣內(nèi)的氣體被排出；最后通過五級反壓飽和，反壓飽和過程中有效圍壓始終保持在20 kPa，該過程由于反壓增大，試樣內(nèi)部孔隙水承壓增大，飽和度增加，以便使試樣的飽和度能夠達到實驗要求。

通過測量孔隙水壓力參數(shù)B（B值為Δu/Δσ3＞0.95）檢查試樣是否充分飽和。當B＞0.95時，即認為土樣達到飽和要求，可以進行固結(jié)試驗，否則需要進一步加壓飽和。隨后通過GDSLAB軟件中的固結(jié)模塊對試樣進行固結(jié)；如果超過5 min而試樣體積變化小于5 mm3，則認為固結(jié)試驗完成。固結(jié)完成后，按照設(shè)定好的Stress Path試驗?zāi)K進行應(yīng)力路徑三軸試驗。圖1為試驗過程中剪脹破壞前后的試樣。

圖2是4種應(yīng)力路徑的加載示意圖。路徑Ⅰ：常規(guī)三軸試驗，試驗時圍壓保持不變，軸向應(yīng)力不斷增大；路徑Ⅱ：等p試驗，軸向應(yīng)力不斷增大時，圍壓減小，而平均主應(yīng)力保持不變；路徑Ⅲ：等σ3試驗，軸向應(yīng)力增大的同時，圍壓保持不變；路徑Ⅳ：等σ1試驗，軸向應(yīng)力保持不變的同時，圍壓不斷減小。路徑Ⅰ是等壓路徑試驗；而路徑Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ路徑都是在偏壓固結(jié)條件下（kc＝2.0）的試驗。

圖1 試驗中的試樣

圖2 應(yīng)力路徑示意圖

2 試驗加荷控制方式的影響

GDS多功能三軸儀不僅可以實現(xiàn)應(yīng)變控制加荷，即按照設(shè)定的加載速率進行加荷；也可以實現(xiàn)應(yīng)力控制加荷，即按照設(shè)定的應(yīng)力路徑進行加荷。為了探究剪切方式對砂土力學(xué)特性的影響，分別進行了應(yīng)力、應(yīng)變控制式下的常規(guī)三軸試驗，將兩組試驗結(jié)果進行對比分析，討論控制加載方式的影響。

圖3是有效圍壓100 kPa下常規(guī)三軸試驗的應(yīng)力控制式和應(yīng)變控制式的試驗結(jié)果對比圖，表示的是剪應(yīng)力q與軸向應(yīng)變ε1的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，采用應(yīng)力控制方式時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始階段數(shù)據(jù)點比較密集，后面材料達到屈服狀態(tài)時數(shù)據(jù)點較少；而采用應(yīng)變控制式時恰恰相反，初始階段數(shù)據(jù)點比較少，后期數(shù)據(jù)點顯得比較密集。不管是應(yīng)力控制式，還是應(yīng)變控制式，這兩種加荷方式下的剪應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線基本上是處于重合的狀態(tài)，說明控制加載方式對于砂土的試驗結(jié)果幾乎沒有影響。因此，通過這兩組試驗結(jié)果的對比，在一定程度上認為剪切控制方式不會影響本次實驗的所有試驗結(jié)果。

圖3 應(yīng)力、應(yīng)變控制方式試驗結(jié)果對比

本試驗主要討論不同固結(jié)方式、不同應(yīng)力路徑對砂土試驗結(jié)果的影響。所有試驗都是在固結(jié)排水（Consolidated Drained，CD）條件下進行的，試驗時采用應(yīng)力控制式加荷。常規(guī)三軸試驗，當試樣的軸向應(yīng)變ε1達到15%時，認為試驗加載到破壞狀態(tài)，試驗會自動終止；偏壓固結(jié)試驗時，當試樣的軸向應(yīng)變ε1達到5%時，認為試樣達到破壞標準，試驗終止（見圖3）。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力路徑分析

圖4 為等壓固結(jié)（kc＝1.0）和偏壓固結(jié)（kc＝2.0）兩種固結(jié)方式下，從初始狀態(tài)點（p0，q0）即（0，0）按照原先設(shè)定好的固結(jié)路徑分別到點D（400，0）、D1（533.3，400），然后按照應(yīng)力路徑Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ進行試驗的平均主應(yīng)力p與剪應(yīng)力q的關(guān)系曲線。從圖可知，初始狀態(tài)相同，加載的應(yīng)力路徑不同，每一組試樣所表現(xiàn)出的強度特性具有明顯的差異性；不同的固結(jié)方式，沿著相同的加載路徑，得到的強度基本一致。等壓固結(jié)和偏壓固結(jié)這兩種固結(jié)方式，在保持圍壓σ3＝400 kPa不變的情況下，后期的有效應(yīng)力路徑基本重合，符合試驗要求。由圖中的有效應(yīng)力路徑可以看出，試驗準確地實現(xiàn)了預(yù)先設(shè)定的應(yīng)力路徑，達到了試驗要求。前期固結(jié)方式不同，后期加載路徑相同，達到的強度值也相同，說明不同的固結(jié)方式基本上不影響飽和砂土的強度。

圖4 有效應(yīng)力路徑

p-q關(guān)系曲線中，砂土試樣的平均主應(yīng)力p和初始剪應(yīng)力q為：

固結(jié)過程分為等壓、偏壓固結(jié)，不同的固結(jié)方式表示不同：

式中：kc為固結(jié)應(yīng)力比；η為應(yīng)力比。當kc＝1.0時，η＝0；kc＝2.0時，η＝0.75。

實驗中不管偏壓固結(jié)試驗，還是等壓固結(jié)試驗，對于等σ3試驗階段來說，路徑Ⅰ、Ⅲ加載時都是η＝3.0，即認定為p-q曲線的斜率。但是對于偏壓固結(jié)下的路徑Ⅱ、Ⅳ來說，由于在加載過程中有效圍壓會不斷地發(fā)生變化，它們加載時分別對應(yīng)的應(yīng)力路徑斜率又有所不同，路徑Ⅱ：η＝0；路徑Ⅳ：η＝-1.5。

3.2 強度分析

圖5所示為4種應(yīng)力路徑共計16組試驗的峰值強度與平均正應(yīng)力的關(guān)系曲線。從圖中可以明顯地看出，所有的峰值點基本上是在一條直線上，擬合曲線更是證明了這一點。擬合線表示剪應(yīng)力與平均主應(yīng)力是一種線性關(guān)系，這符合圖2中的應(yīng)力路徑的設(shè)定。

圖5 峰值強度與平均正應(yīng)力關(guān)系曲線

臨界狀態(tài)是指土體在整個變形過程中所能達到的一種極限狀態(tài)，此時不管是土體的體積，還是有效平均正應(yīng)力、剪應(yīng)力都不會再改變［10］。砂土還有另外兩種狀態(tài)，相變狀態(tài)是緊砂或中密砂在不排水過程中出現(xiàn)的狀態(tài)，是指孔隙水壓力由增加到減小的突變狀態(tài)。而砂土的特征狀態(tài)是緊砂或中密砂在排水過程中出現(xiàn)的狀態(tài)，是指土體體積變形由壓縮到開始膨脹的突變狀態(tài)。臨界狀態(tài)土力學(xué)一般都被認為是土體本構(gòu)模型發(fā)展的基礎(chǔ)，經(jīng)常用來描述黏性土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。對于砂土而言，它與黏土不同，在q-p平面內(nèi)存在一條臨界應(yīng)力比線，其斜率M為臨界應(yīng)力比（見圖5）。將這條關(guān)系線定義為本文試驗材料的臨界狀態(tài)破壞線，即Mf＝1.50。根據(jù)臨界狀態(tài)，當在臨界狀態(tài)破壞線以下時，說明該砂土試樣比臨界狀態(tài)“緊密”，處于相對緊密狀態(tài)，剪切時會發(fā)生“剪脹”，而且越接近臨界狀態(tài)，其剪脹性就越強；反之，當位于臨界狀態(tài)線以上時，說明砂土比臨界狀態(tài)更加“疏松”，處于一種相對比較疏松的狀態(tài)。在試驗加載過程中，一旦剪應(yīng)力與平均主應(yīng)力中的任何一個值達到狀態(tài)破壞線，則表明試驗中的試樣將要達到設(shè)定的目標值，試驗會隨之終止。

從圖中可以看出，峰值點在平均主應(yīng)力較小時比較密集一些，離散性比較小，而隨著平均主應(yīng)力的增大，峰值點變得比較稀疏，離散性比較大，說明峰值強度點的離散性隨圍壓的增大而增大。4種應(yīng)力路徑Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的峰值強度與破壞時的圍壓的關(guān)系曲線是基本一致的，而且所有的加載路徑都是處于三軸壓縮的狀態(tài)。說明在三軸壓縮的應(yīng)力狀態(tài)下試樣的峰值強度和破壞圍壓的關(guān)系受應(yīng)力路徑影響較小。

3.3 砂土剪脹性趨勢分析

圖6所示為一種非常典型的關(guān)于砂土類材料的三軸試驗的結(jié)果對比圖［11］。從圖中曲線趨勢分析可知，砂土開始試驗時初始狀態(tài)不同，則砂土所表現(xiàn)出來的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和剪脹性也不相同。一些學(xué)者通過大量的試驗研究得出了具有一些規(guī)律性的結(jié)論：當砂土材料密度比較小時，在試驗初始階段砂土比較容易出現(xiàn)體積收縮現(xiàn)象，試樣開始排水，隨著試樣體積的不斷減小，相對密度逐漸增加，呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特性，整個過程只有剪縮，根本沒有剪脹，體現(xiàn)為圖中的曲線3；不同的是，當砂土材料密度比較大時，試樣在加載前期容易從剪縮狀態(tài)慢慢地變?yōu)榧裘洜顟B(tài)，在CD試驗中，剪脹現(xiàn)象主要表現(xiàn)為試樣的體積發(fā)生膨脹變化，在這個膨脹過程中，試樣的密實狀態(tài)會隨著軸向應(yīng)變的不斷增加逐漸變得松軟，這就會表現(xiàn)出一定階段的應(yīng)變-軟化；與此同時，也會出現(xiàn)應(yīng)力跌落現(xiàn)象。總之，砂土越密實，試驗時剪縮過程就會越短，而剪脹過程就會變得越明顯，體現(xiàn)為圖6中的曲線1和2。而且從曲線1、2的變化趨勢可以看出，低應(yīng)力水平情況下的應(yīng)變軟化、應(yīng)力跌落現(xiàn)象會比中等應(yīng)力水平情況下更加顯著，表現(xiàn)的比較明顯，能夠更好地研究砂土的軟化現(xiàn)象。

圖6 典型的排水三軸剪切試驗結(jié)果

3.4 圍壓對砂土剪脹性的影響

圖7所示為應(yīng)力路徑Ⅰ～Ⅳ試驗的應(yīng)力比與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線。由圖可見，4種應(yīng)力路徑都是從剪縮到剪脹，從應(yīng)變硬化到應(yīng)變軟化，再到應(yīng)力跌落的，關(guān)系曲線的變化趨勢完全符合圖6中密砂的特征。這也符合前期測定的該土樣的基本物理力學(xué)指標中的相對密度Dr＝65%。另外可以看出，路徑Ⅰ的關(guān)系曲線符合曲線1，表明等壓試驗試樣處于低應(yīng)力水平；路徑Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ符合曲線2，說明了這3種應(yīng)力路徑試驗的試樣處于中等應(yīng)力水平。

從圖7還可以看出，應(yīng)力路徑Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的試驗結(jié)果都表現(xiàn)出相同的變化趨勢，前期偏壓固結(jié)應(yīng)力比η＝0.75；而應(yīng)力路徑Ⅰ是等壓固結(jié)，應(yīng)力比從初始值η＝0開始。另外，應(yīng)力路徑Ⅰ～Ⅳ試驗的峰值應(yīng)力比都為1.50，這也符合前面得到的臨界狀態(tài)破壞線Mf＝1.50。在同一種應(yīng)力路徑中，當選擇不同的有效圍壓時，雖然整個加載階段是具有相似性，但是還會存在一定的差異性。在前期的應(yīng)變硬化試驗過程中，在達到相同的應(yīng)變時，同一種應(yīng)力路徑中不同的有效圍壓所對應(yīng)的應(yīng)力比是不同的，隨著圍壓的增大，對應(yīng)的應(yīng)力比在逐漸減小，說明試樣的剪縮性隨圍壓的增大而減小。隨著軸向應(yīng)變的不斷增大，由應(yīng)變硬化過渡到應(yīng)變軟化階段，在應(yīng)變軟化階段所表現(xiàn)出來的變化趨勢與應(yīng)變硬化階段恰恰相反，有效圍壓越大，應(yīng)力比越大。

圖7 應(yīng)力比與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

從圖7（a）等壓試驗中可以看出，應(yīng)力路徑Ⅰ在應(yīng)變軟化階段，不同圍壓的應(yīng)力比在減小的過程中會在軸向應(yīng)變達到6% 時交于一點，說明此時各個試樣達到相同的應(yīng)力狀態(tài)。從圖7（b）、（c）、（d）可以看出，偏壓固結(jié)下應(yīng)力路徑Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ試驗的結(jié)果則不同，基本上是在軸向應(yīng)變達到2% ～3%時，就已經(jīng)交于一點了，相比路徑Ⅰ要早一些。不僅如此，等壓固結(jié)達到相同狀態(tài)是在應(yīng)變軟化階段，而偏壓固結(jié)是在應(yīng)變硬化階段，這說明應(yīng)力路徑Ⅰ～Ⅳ試驗表現(xiàn)出的剪脹特性在一定的階段有所不同。

圖8所示為在偏壓固結(jié)條件下，從相同的初始狀態(tài)點出發(fā)的路徑Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ試驗的應(yīng)力比與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線，由于篇幅限制，在這里只分析C1點。由圖可知，CD試驗條件下，即使試驗的初始狀態(tài)相同，對于不同的應(yīng)力路徑，試樣也是會表現(xiàn)出完全不同的剪縮、剪脹特性。從圖中可以看出，初始狀態(tài)相同，在應(yīng)變硬化階段，3種應(yīng)力路徑達到相同的軸向應(yīng)變ε1時，路徑Ⅳ所對應(yīng)的應(yīng)力比最大，路徑Ⅲ 最小，而路徑Ⅱ處在兩者中間，說明路徑Ⅲ、Ⅱ、Ⅳ的剪縮性是依次增強的；這是因為，路徑Ⅲ試驗中，平均主應(yīng)力是逐漸增加的；路徑Ⅱ試驗中，平均主應(yīng)力是不變的，而在路徑Ⅳ試驗中，平均主應(yīng)力是逐漸減小的，此時起作用的是平均正應(yīng)力，同時也說明了應(yīng)力路徑對砂土的剪脹性是有影響的。

圖8 C1點應(yīng)力比與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

國內(nèi)外的專家學(xué)者做了大量有關(guān)砂土剪脹特性的試驗［12-16］，并對試驗結(jié)果進行了系統(tǒng)的分析。不管是CD試驗還是CU（Consolidated Undrained）試驗中，試樣的剪縮性都會隨加載時方向角的增大而逐漸增強。如果定義應(yīng)力路徑加載方向與平均主應(yīng)力正方向的夾角為應(yīng)力路徑的加載方向角，則路徑Ⅲ、Ⅱ、Ⅳ 對應(yīng)的方向角分別為71.57°、90°、146.31°，角度是逐漸增大的，這就使得上述結(jié)論的準確性從另外一個方面也得到了證明，同時本文的試驗也對其進行了補充說明，使其更加完善。

3.5 應(yīng)力路徑對剪脹特性的影響分析

圖9所示為在偏壓固結(jié)條件下，初始狀態(tài)不同時，依次進行路徑Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ試驗的體應(yīng)變與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線。

圖9 Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ路徑試驗體應(yīng)變與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

根據(jù)試驗結(jié)果，得到了整個加載過程中試樣的軸向應(yīng)變Axial Strain與徑向應(yīng)變Radial Strain的試驗數(shù)據(jù)；然后依據(jù)體應(yīng)變、徑向應(yīng)變、軸向應(yīng)變?nèi)咧g的關(guān)系，通過換算得到了加載過程中體應(yīng)變的變化趨勢：

式中：ε3為徑向向應(yīng)變；εv為體應(yīng)變。

在加載的初始階段可以明顯看出，隨著壓力的增大，砂土的剪縮性也在變大；這是因為隨著加載的進行，初始狀態(tài)的試樣土體顆粒之間的孔隙比隨著固結(jié)壓力的增大而逐漸減小，使得試樣的剪縮現(xiàn)象越來越明顯，這一復(fù)雜現(xiàn)象從砂土的剪脹性機理可以得到合理的解釋［17］。密實砂土在開始加載時都會出現(xiàn)剪縮現(xiàn)象，一段時間后出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象，砂土的剪縮、剪脹現(xiàn)象會有一個臨界點存在，稱之為相變點；試樣越密實，相變點越靠前，則剪縮過程會越短，而剪脹過程就會變得越來越明顯。

由圖9可以看出，偏壓固結(jié)完成后，試樣會發(fā)生體縮現(xiàn)象以及體脹現(xiàn)象。在后期的剪脹階段，路徑Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ試驗的體積應(yīng)變與軸向應(yīng)變在一定程度上表現(xiàn)為線性關(guān)系，而且3種路徑的關(guān)系曲線基本上是保持平行狀態(tài)，其斜率大致上是一樣的，這也符合試驗設(shè)定，也說明加載速率保持一致。從圖9整個過程中可以看出，在加載的初期階段，路徑Ⅲ、Ⅳ的剪縮性基本上不明顯，都體現(xiàn)出較強的剪脹性，而路徑Ⅱ表現(xiàn)明顯的剪縮性。從圖中還可以看出，路徑Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ在達到相同的軸向應(yīng)變時，路徑Ⅲ、Ⅳ、Ⅱ的體積應(yīng)變是依次增大的，說明加載后期階段，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ都表現(xiàn)出強烈的剪脹性，而且路徑Ⅲ、Ⅳ、Ⅱ的剪脹性是依次增強的，這與之前通過應(yīng)力比與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線分析得到的結(jié)論：應(yīng)力路徑會影響砂土的剪脹性，基本上是吻合的。

4 等p試驗結(jié)果及討論

圖10所示為在偏壓固結(jié)時，以4個不同的初始狀態(tài)點進行路徑Ⅱ試驗的體應(yīng)變、徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線。由于篇幅限制，本文只對路徑Ⅱ的試驗情況進行討論。從圖中可以看出，在剪脹階段，體應(yīng)變與軸向應(yīng)變呈現(xiàn)出一定的線性關(guān)系。雖然在不同的加載路徑下，軸向應(yīng)變與徑向應(yīng)變的關(guān)系曲線不同，但是軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變也表現(xiàn)出一種線性關(guān)系，說明相同的路徑下試樣的剪脹趨勢保持一致即剪脹速率一致。

圖10 等p試驗結(jié)果

由圖10可以看出，路徑Ⅱ的4組試驗，雖然固結(jié)方式相同，加載路徑相似，但是初始加載點不同，得到的試驗結(jié)果也不一樣。在較低圍壓p＝133.3 kPa時，砂土試樣表現(xiàn)出非常明顯的剪脹現(xiàn)象；但是隨著圍壓的逐漸增大，可以看出剪脹的趨勢在緩慢減弱，向剪縮現(xiàn)象靠近，圍壓較高時，則先發(fā)生剪縮，再發(fā)生剪脹。從圖中可以看出，每一組試驗所達到的最大體應(yīng)變不同；圍壓p＝266.6 kPa的試驗在應(yīng)變0.5% 時開始剪脹，而在較高圍壓p＝400、566.7 kPa試驗時應(yīng)變達到1% 才開始出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象，說明不同的等p試驗所對應(yīng)的相變點也不一樣。在圍壓低于p＝400 kPa時，隨著圍壓的增加，試樣達到峰值體應(yīng)變，即相變點時，所對應(yīng)的軸向應(yīng)變也在增加，同時剪脹性越大。另外可以看出圍壓越小，越快出現(xiàn)剪脹；圍壓越大，前期剪縮現(xiàn)象越明顯。但是當圍壓達到p＝533.3 kPa時，可以明顯看出，體應(yīng)變相對于p＝400 kPa反而減小了，即剪縮性減弱了，這說明在兩者之間一定存在一個轉(zhuǎn)變的圍壓值。通過對等p試驗的結(jié)果分析可以知道，不同圍壓下的剪脹性是不同的，而且高圍壓下試樣的剪脹性與低圍壓也不一樣，說明圍壓對砂土的剪脹性有影響。

5 結(jié) 論

由上面的分析可以得到以下結(jié)論：

（1）在相同的有效圍壓下，兩種不同固結(jié)方式試驗的試樣強度保持一致，說明固結(jié)方式基本上不影響飽和砂土的強度。應(yīng)力路徑Ⅰ～Ⅳ的峰值強度與破壞圍壓的關(guān)系曲線基本上是一致的，而且所有的加載路徑都處于三軸壓縮狀態(tài)，說明在三軸壓縮的應(yīng)力狀態(tài)下峰值強度和破壞圍壓的關(guān)系受應(yīng)力路徑影響較小。

（2）根據(jù)不同的應(yīng)力路徑進行試驗加載，試樣會表現(xiàn)出完全不同的剪縮、剪脹特性。等壓固結(jié)的常規(guī)三軸試驗和偏壓固結(jié)的等σ3試驗、等p試驗、等σ1試驗，在應(yīng)變硬化階段的剪縮性是隨著圍壓的增大而減小的，而在應(yīng)變軟化階段的剪脹性是隨圍壓的增大而減小的，說明圍壓會影響砂土的剪脹性。偏壓固結(jié)條件下初始狀態(tài)相同時，3種應(yīng)力路徑等σ3試驗、等p試驗、等σ1試驗的剪脹性是依次增強的，說明應(yīng)力路徑會對砂土的剪脹性造成影響。

（3）偏壓固結(jié)條件下，在等p試驗的剪脹階段，試樣的體應(yīng)變、徑向應(yīng)變隨著剪應(yīng)力的增大而與軸向應(yīng)變呈現(xiàn)一種線性關(guān)系；相同的路徑下，試樣的剪脹趨勢保持一致即剪脹速率一樣。圍壓低于p＝400kPa時，圍壓越大，剪縮現(xiàn)象越明顯；圍壓越小，剪縮現(xiàn)象越不明顯，越快出現(xiàn)剪脹。隨著圍壓的逐漸增加，試樣達到相變點時所對應(yīng)的軸向應(yīng)變也在增加，剪脹性越大。當圍壓達到p＝533.3kPa時，其所對應(yīng)的體應(yīng)變相對于p＝400kPa時反而減小了，剪縮性減弱了，這說明在兩者之間一定存在一個轉(zhuǎn)變的圍壓值，也說明高圍壓下的剪脹性與低圍壓剪脹性有所不同。