不同应力路径下饱和黄土应力应变及孔压特性分析

不同应力路径下饱和黄土应力应变及孔压特性分析

郅彬;王番;胡梦玲;吴长炎;任兴

【摘 要】通过GDS多应力路径试验仪,对饱和重塑黄土开展不同应力路径下的固结不排水试验.分析和探讨了常规三轴压缩、增p、减p和等p应力路径下饱和黄土的应力与应变关系和孔压特性变化规律.试验结果表明,不同固结方式所得到的应力峰值和稳定的孔隙压力明显不同.在等压固结方式下,减p等p和增p路径所对应的应力峰值和稳定孔隙压力值依次增大;且减p、等p和增p三种路径下的应力峰值和稳定时的孔隙压力值均随初始固结应力增大;在偏压固结方式下,减p、等p和增p路径所对应的应力峰值依次减小,减p增p路径所对应的稳定孔隙压力值大于等p路径,减p路径下的稳定孔隙压力值最大.

【期刊名称】《科学技术与工程》

【年(卷),期】2016(016)022

【总页数】5页(P244-248)

【关键词】黄土;应力路径;三轴试验;孔压;应力应变关系

【作 者】郅彬;王番;胡梦玲;吴长炎;任兴

【作者单位】西安科技大学建筑与土木工程学院,西安710054;西安科技大学建筑与土木工程学院,西安710054;西安科技大学建筑与土木工程学院,西安710054;西安科技大学建筑与土木工程学院,西安710054;西安科技大学建筑与土木工程学院,西安710054

【正文语种】中 文 【中图分类】TU411.3

众所周知，在对基坑、边坡等相关岩土工程问题进行研究时,会因为技术、经济等要求需要采用常规三轴试验来进行土的力学性质研究。土体的性质不仅取决于当前的应力状态；而且与土体中的实际加载方式、加载次序等有关，也就是与应力路径密切相关。因此，土的应力路径的研究引起了许多学者的重视。在试验研究方面，曾玲玲等[1]对软土在不同应力路径下的力学特性进行了分析；殷杰等[2]进行了天然沉积粉质黏土的应力路径试验研究；胡海军等[3]研究应力路径试验前后黄土孔隙形状的改变；翁鑫荣[4]通过原状软土样的等向固结和K0固结不排水三轴试验；分析讨论了软土的剪切强度、孔压以及有效应力路径特性；李校兵等[5]利用GDS三轴仪对原状温州饱和软黏土进行5种应力路径下的K0固结三轴不排水试验，分析不同应力路径下土体的应力-应变关系、孔压发展及有效应力路径；谷川等[6]通过联合使用LVDT(局部应变传感器)的三轴设备，系统地研究了应力路径对饱和软黏土割线模量尤其是小应变情况下割线模量的影响。在理论分析方面；陈林靖等[7]通过不同应力路径下软土的三轴试验确定了邓肯-张模型参数；路德春等[8]建立了黏土的应力路径本构模型，利用变换应力方法将SMP准则用于黏土的应力路径本构模型,使模型得到了合理的三维化；殷德顺等[9]模拟邓肯-张模型思路推导了不同应力路径下的切线模量公式,从而使模量公式系列化,扩大了邓肯-张模型适用范围。这些研究成果表明,应力路径对土体的强度、孔压特性有重大影响。

本文以杨凌地区黄土所制成的饱和重塑样为研究对象,通过GDS应力路径试验仪对试样进行等压及偏压下的固结不排水应力路径三轴试验,即常规静力三轴压缩应力路径、增p应力路径、减p应力路径、等p应力路径三轴试验，分析应力与应变关系、孔压特性受应力路径的影响规律。该研究对隧道、基坑、边坡等开挖工程和路基、堤坝等填筑工程的施工具有一定的实际指导意义。

1.1 土样制备 本次实验所取土样为陕西杨凌地区黄土，取土深度约为10 m，属Q3黄土。通过烧结法测得天然含水量为17.8%，土粒比重为2.73，天然孔隙比为0.76。该黄土的物理指标见表1。

试验试样是从密封的土样盒中取出黄土，使用橡胶锤研碎，随后进行筛分和自然风干，筛分直径为

0.5 mm。制样严格按照试验标准[10]。本文所制重塑土样虽破坏了原状样的结构性；但其他物理指标均与原状土一致。将土样含水率配制为17.8%，随后使用标准击实仪，将土均分5层击实，试验的干密度控制为1.55 g/cm3。所制土样放入饱和器中，采用抽气真空饱和至少24 h。试验是在GDS应力路径试验仪(图1)上进行的，该仪器可分别控制轴向应力、径向应力、孔隙气压力和孔隙水压力等四维应力状态，能够自动采集试验数据，是一种精密的三轴试验仪器。

1.2 试验方案

在土样固结过程中，应变控制下的应力路径所设初始固结围压分别为100 kPa、150 kPa、200 kPa和300 kPa。应力控制下固结方式采用等压和偏压(k0=0.7)，固结围压目标值分别为150 kPa和200 kPa。

在土样剪切过程中，应变控制下的三轴试验剪切速率为0.04 mm/min。应力控制下的三轴试验剪切速率为0.3 kPa/min，所取应力变化为增p(平均主应力)应力路径、减p应力路径和等p应力路径三种。当轴向应变达到15%时，即认为试样破坏试验终止。具体试验方案见表2。

2.1 应力与应变关系分析

通过对重塑饱和黄土的固结不排水试验，获得了不同固结方式和不同剪切过程的最大剪应力q与轴向应变ε的关系曲线，如图2。

对于所有的q-ε曲线，它们先呈现出线性增长即弹性阶段，但各曲线斜率不同；随后q-ε曲线会达到屈服，轴向应变逐渐增长，而q值基本保持不变，即塑性阶段，但各曲线峰值具有明显的差异，见表3。因此，曲线的差异性说明应力路径对应力应变关系影响很大。

初始固结压力的不同会使q-ε曲线呈现出不一样的形态。从图2(a)可以看出，在常规三轴试验中，当初始固结压力为100 kPa、150 kPa、200 kPa时，q-ε曲线会呈现出硬化型，当初始固结压力为300 kPa时，q-ε曲线呈现出软化型，且各曲线峰值不同。对比图2(b)和图2(d)可以看出，在等压固结方式下，减p、等p和增p三种路径下的应力峰值均随初始固结应力增大。

应力与应变关系也受固结方式影响。从图2(b)和图2(d)可以看出, 在等压固结方式下，减p、等p和增p路径所对应的应力峰值依次增大; 从图2(c)可以看出, 在偏压固结方式下，减p、等p和增p路径所对应的应力峰值依次减小。比较图2(c)和图2(d)的数据可知，等压固结时，屈服点对应的轴向应变约为4%。偏压固结时，屈服点对应的轴向应变约为6%，在偏压固结中，减p路径的应力应变曲线为应变软化型，而等压固结中，减p路径的应力应变曲线为应变硬化型。同时，不同固结方式所得到的应力峰值呈现明显不同。

由以上可知，固结不排水三轴试验下的应力应变关系曲线呈现出一定的规律，说明其曲线走势受到了应力路径的控制，即应力应变关系受应力路径影响。

2.2 孔压与轴向应变关系分析

通过对试验数据进行处理，绘制出剪切阶段孔压u与轴向应变ε的关系曲线，如图3。对曲线分析得到：

从图3中可以看出所有的孔压u与轴向应变ε的关系曲线均先呈现出线性增长，随后孔压趋于稳定，基本保持不变。

不同的初始固结压力的u-ε曲线是不一样的。从图3(a)可以看出，在常规三轴试验中，初始固结压力越大，孔隙压力随轴向应变增长越快，且稳定值越大。对比图3(b)和图3(d)可以看出，在等压固结方式下，减p、等p和增p三种路径下达到稳定的孔隙压力值均随初始固结应力增大。

孔压特性也受初始固结方式的影响。从图3(b)和图3(d)可以看出, 在等压固结方式下，减p、等p和增p路径所对应的稳定孔隙压力值依次增大; 从图3(c)可以看出,

在偏压固结方式下，减p、增p路径所对应的稳定孔隙压力值大于等p路径，减p路径下的孔隙压力峰值最大。

由上可知，固结不排水三轴试验下的u-ε曲线呈现出一定的规律，说明其曲线走势受到应力路径的影响，即孔压u与轴向应变ε的关系曲线受应力路径影响。

本文采用GDS多应力路径实验仪器，对杨凌地区黄土进行不同应力路径下饱和重塑土样的固结不排水实验，分析了饱和重塑黄土在不同应力路径下的应力与应变关系和孔隙压力特性。主要的研究结论如下。

(1)饱和重塑黄土的应力与应变关系受到应力路径的影响。在常规三轴试验中，当初始固结压力为100 kPa、150 kPa、200 kPa时，q-ε曲线会呈现出硬化型；当初始固结压力为300 kPa时，q-ε曲线呈现出软化型；且各曲线应力峰值不同。在等压固结方式下，减p、等p和增p路径所对应的应力峰值依次增大，这三种路径下的应力峰值均随初始固结应力增大。在偏压固结方式下，减p、等p和增p路径所对应的应力峰值依次减小。

(2)饱和重塑黄土的孔隙压力特性受到应力路径的影响。在常规三轴试验中，初始固结压力越大，孔隙压力随轴向应变增长越快，且稳定值越大。在等压固结方式下，减p、等p和增p路径所对应的稳定孔隙压力值依次增大，这三种路径下达到稳定的孔隙压力值均随初始固结应力增大。在偏压固结方式下，减p、增p路径所对应的稳定孔隙压力值大于等p路径，减p路径下的孔隙压力峰值最大。

【相关文献】 1 曾玲玲,陈晓平.软土在不同应力路径下的力学特性分析.岩土力学学报,2009；30(5):1264—1270

Zeng L L,Chen X P.Analysis of mechanical characteristics of soft soil under different stress

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Yin J, Liu F J, Liu C, et al. Stress path tests on nnatural sedimentary silty clay.Rock and Soil

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10 中华人民共和国国家标准编写组.土工试验方法标准(GB/T 50123—1999).北京：中国计划出版社，1999