饱和粘性土的抗剪强度及应力路径探讨邓洪亮 浮海梅α摘 要 主要根据饱和土的有效应力原理及应力历史,探讨饱和粘性土的抗剪强度及应力路径,讨论了不同边界条件下饱和粘性土的抗剪强度及相互关系,给出了不同的应力路径,指出了不同边界条件具不同的应力状态,应力状态不同具有不同的应力路径,土体变形和强度与应力有关,与应力历史有关.关键词 抗剪强度,应力路径,应力,应变,饱和粘性土分类号 TU 432.3一般认为当土体中孔隙体积的80◊以上为水充填时,土体中虽有少量气体存大,但大都是封闭气体,可视为饱和土,当土体为粘性土时,即为饱和粘性土,饱和粘性土和其它土体一样在外荷载作用下将产生剪应力和剪切应变,土具有抵抗这种剪切应力的能力,并随剪应力的增加而增加,当这种剪阻力达到某一极限值时,土体就要发生剪切破坏,这个极限值就是饱和粘性土的抗剪强度,粘性土的强度性状是很复杂的,它不仅随剪切条件不同而异,而且还受许多因素(如各向异性、应力历史、蠕变等)的影响,不同的边界条件可得出不同的抗剪强度.由于土体的变形和强度不仅与受力大小有关,更重要的还与土的应力历史有关,在加荷过程中的土体内某点其应力状态的变化在坐标中以应力点的移动轨迹为应力路径可以模拟土体实际应力历史,全面地研究应力变化过程对土的力学性质的影响,用于探讨土的应力——应变和强度.1 饱和土的有效应力原理K 太沙基(T erzagh i )观察到土的变形及强度性质与有效应力密切相关,且应力只有通过粒间接触点传递,才能引起土体变形和强度,而孔隙水压力对颗粒的压缩变形可以忽略,因此,提出有效应力原理,饱和粘性土土体内任意点的总应力Ρ包括通过土粒接触点传递的粒间应力(也称有效应力Ρ′)和通过土体中孔隙传递的孔隙压力,孔隙压力又包括孔隙中的水压应力和气压应力,水压应力由孔隙水传递又称孔隙水压力(u ),即饱和粘性土体中任意点总应力Ρ=有效应力Ρ′+孔隙水压力u +气压应力u ′,而饱和粘性土封闭气体比例甚少,通常假定u ′=0,即Ρ=Ρ′+u .2 饱和粘性土的应力历史第12卷第4期1997年12月 洛阳大学学报JOU RNAL O F LUO YAN G UN I V ER S IT Y V o l 112N o.4D ec .1997α作者单位:洛阳大学土木工程系,471000,河南省洛阳市收稿日期:1997—01—30饱和粘性土在压力作用下,孔隙水(主要指自由水)将随时间推移而逐渐被排出,同时孔隙体积随之减少,这个过程即饱和粘性土的渗透固结,天然土层在历史上所经受过的最大固结压力称先期固结压力(P c )、按它与现有自重应力P 1的比O CR (O CR =P c P 1)可将土分为正常固结土、超固结土和欠固结土,固结强度不同的土,具有不同的抗剪强度.3 饱和粘性土的抗剪强度为了探讨饱和粘性土应力——应变和强度之间的关系,以三轴试验不固结不排水抗剪强度,固结不排水抗剪强度,固结排水抗剪强度来进行应力变化过程分析.311 不固结不排水抗剪强度一组饱和粘性土试件,已在某一周围压力下固结至稳定,试件中的初始孔隙水压力u 1为0,Ρ3和轴向压力Ρ1至剪切破坏,结果如图1所示,图中三个实线半圆A 、B 、C 分别表示三个试件在不同的Ρ3作用下破环时的总应图1图2力圆,虚线表示有效应力圆,虽然三个试件Ρ3不同,但破坏时的大小主应力差相等,在Σ2Ρ图上表示现为三个总应力圆直径相等,破坏包线是一条直线且Υu =0,Σf =C U =12(Ρ1-Ρ3),且三个试件拥有一个有效应力圆,有效应力圆直径12(Ρ1′-Ρ3′)=12(Ρ1—Ρ3).这说明在不排水条件下,试样在试验过程中含水量不变,体积不变,饱和粘性土的孔隙压力系数B =1,改变周围压力增量只能引起孔隙水压力变化,并不改变试样中的有效应力,各试样在剪切时有效应力相等,因此抗剪强度Σf 不变,如果在较高的剪切固结压力下进行不固结不排水试验,就会有较大的不排水抗剪强度(C u ),即C u 与先期固结压力有关,P c =0,C u =0;P c =∞,C u =∞(如图2所示).54邓洪亮等:饱和粘性土的抗剪强度及应力路径探讨图3图4312 固结不排水抗剪强度饱和粘性土的抗剪强度在一定程度上与所受应力历史有关,对正常固结试样P 1=P c ,若施加围压Ρ3≥P 1=Ρc ,试样在Ρ3作用下充分排水固结,即∃u 3=0;在不排水条件下施加偏应力剪切时,则试样中的孔隙水压力随偏应力的增加而不断变化,u f =∃u =∃Ρ3+A (∃Ρ1-∃Ρ3)>0,大小主应力差Ρ1-Ρ3增加,土的轴向应变增加,孔隙水压力增加(如图3示).因此剪切时土体体积呈减少趋势,即产生剪缩,绘出Σ2Ρ关系曲线可知有效应力圆与总应力圆直径相等,但位置不同,两者之间的距离为u f ,有效应力圆在总应力圆的左边,总应力圆包线和有效应力包线都通过原点(如图4示),说明未受任何固结的土(如泥浆状土)不具有抗剪强度,有效应力强度Σf ′=总应力强度Σf ,有效内摩擦角Υ′大于总内摩擦角Υcu ,Υ′≈2Υcu ,Υcu =10-20°.对超固结试样即P 1<P c ,若施加围压Ρ3<Ρc =P 1,试样在Ρ3作用下排水固结则∃u 3<0,在不排水条件下施加偏应力剪切时,孔隙水压力u f ′=∃u =∃Ρ3+A (∃Ρ1-∃Ρ3)<0,剪切时试样体积有增加的趋势(如图3示);当Ρ3=∃Ρ3≥P c 时又转为正常固结土情况u f >0,绘出Σ2Ρ关系曲线(如图5示),超固结试样的不排水总应力圆破坏包线是一条略平缓的曲线,近似用直线a b 代替,与正常固结总应力圆破坏包线b c 相交,b c 的延长线仍通过坐标原点,实用上将a b c 折线取为一条直线a ′b ′c ′,有效应力圆与总应力圆直径相等,有效应力圆位于总应圆右边,两者间的距离为 u f ′ ,其总应力圆强度包线a ′b ′c ′在纵轴上截距即为粘聚力C cu ,内摩擦角为Υcu ,有效应力圆包线在纵轴上截距即为有效粘聚力c ′有效内摩擦角为Υ′,有效应力强度Σf ′=c ′+Ρ′tg Υ′,c ′<C cu ,Υ′>Υcu .64洛阳大学学报图5313 固结排水抗剪强度图6 固结排水试验的过程中孔隙水压力u =0,总应力最后全部转化为有效应力,所以总图7应力圆就是有效应力圆,总应力圆包线就是有效应力圆包线,图6为固结排水试验的应力——应变关系和体积变化,在剪切过程中,正常固结粘土发生剪缩,而超固结粘性土则是先压缩继而呈现剪胀的特性,图7试验结果表明,正常固结土的破坏包线通过原点,粘聚力C d =0,内摩擦角ΥΑ=20-40°,超固结土的破坏包线略弯曲,实用上近似取一条直线代替,C Α′≈5-25KPa ,Υd ′≤Υd .4 饱和粘性土的应力路径 对饱和粘性土三轴试验应力路径常取应力圆的顶点(f 74邓洪亮等:饱和粘性土的抗剪强度及应力路径探讨程顺序把这些点连接起来,并以箭头指明应力状态的发展方向,其横坐标为p =12(Ρ1+图8Ρ3),纵坐标为q =12(Ρ1-Ρ3).现就饱和粘性土不同边界条件下三轴压缩试验结果分析如下.图8表示饱和粘性土不固结不排水试验的应力路径,说明随着大小主应力差的增加,总应力路径B CD 为一水平直线,有效应力路径为A 点,抗剪强度包线为一直线,Σf大小相等,总应力圆距有效应力圆的距离等于静水压力u f i ,Ρ1-Ρ3的改变并不改变Ρ1′和图9Ρ3′,不影响C ′和Υ′,固结度不变.图9表示正常固结饱和粘性土固结不排水试验的应力路径,A B 线,A B ′之间的距离表示剪切过程中孔隙水压力u ,从A 点开始至B ′点剪切破坏,u f ′,表示剪切破坏时的孔隙水压力,总应力圆包线K f 线和有效应力圆包线K f ′线为一通过坐标原点的斜线,其斜率代表内摩擦角,说明土体中总应力Ρ=Ρ′+u ,土体内部随应力增加而逐渐固结,Ρ越大,固结度越高.图10 图10表示超固结饱和粘性土固结不排水试验应力路径CD 和CD ′之间的距离表示剪切过程中孔隙水压力u ,u f ′为负值,表示剪切破坏时孔隙水压力为负值,CD 线未端趋于水平(或发生转折)该点即为试件破坏点.说明土体在一定压力下,体积产生剪胀尔后转为正常固结(剪缩),即固结度先减小后增加.图11表示饱和粘性土固结排水试验应力路径,总应力路径和有效应力路径一致,说明剪切过程中u =0,Ρ=Ρ′,Ρ越大,固结度越高.84洛阳大学学报图115 结论(1)土的抗剪强度随试验的边界条件不同而不同,因此可根据不同的工程问题,施工速度等选择不同的试验方法.(2)不同的试验方法土体内部的应力状态不同,应力路径不同.(3)应力路径可较好的模拟土的应力历史,反映土体内应力变化与土的应力历史关系.参考文献1 华南理工学院等四院合编.地基与基础.北京:中国建筑工业出版社,19802 丁金粟等编.土力学及基础工程.北京:地震出版社,19923 周汉荣主编.土力学地基与基础.武汉:武汉工业大学出版社,19934 陈仲颐、叶书麟主编1基础工程学.北京:中国建筑工业出版社,19905 工程地质手册编委.工程地质手册.北京:中国建筑工业出版社,1992On Shear i ng Strength and Stress Pa th of Sa tura tion ClayD eng Hongliang Fu H ai m ei(D ep artm en t of C ivil Engineering )AB STRA CT A cco rding to the effective stress p rinci p le and stress h isto ry ,the shearing strength and stress p ath of satu rati on clay are studied .U nder differen t bound 2ary conditi on ,the shearing strength and its relati on of satu rati on clay are given .D ifferen t stress p ath po ssesses differen t stress state is po in ted ou t .KEY W O RD S shearing strength ,srtess p ath ,stress ,strain ,satu rati on clay 94邓洪亮等:饱和粘性土的抗剪强度及应力路径探讨。
