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1、第27卷第5期2005年9月艮0D .JOURNAL OF NANJ I N G UN I V ERSI TY OF TECHNOLOGYVol . 27No . 5Sep. 2005粘性土应力路径试验常银生，王旭东,宰金琅,徐建龙1994-2007n小京工业大学土木工程学院，江苏南京210009摘 要:利用G DS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
2、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：T U411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 78, 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
3、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。«1>0本文选取常规三轴压缩应力路径(AA(T 3=0等平均应力p应力路径(A p =眼基坑（7 1井挖主动区典型的减压三轴压缩应力路径（A（T 3<0利用G DS多功能三轴仪对饱和原状粘 0, A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
4、水压力的影响。试 验设计的应力路径如图1所伪110示，固结过程分别采用应力比（K =。3/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 pq空间应力路径Fig . 1 Stress path on p- q s pace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；
5、王旭东（联系人，教授，Email:ce wxdnjut edu . cn。第5期常银生等：粘性土应力路径试验7112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3911mm B ishop &Wesley应力路径室, 最大轴力5kN ,最大围压17大kPa;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Table 1 Experi m ent p lan固结
6、过程（排水试样编号10515020011015020070剪切过程（不排水应力路径控制方式围压（T 3/kPa105150150Qiiua ycvqcuiir omm| £jwlouic /ipp7iu% 140n7c' VH unustf pr 也20070105140150应力路径(T 1K =。3/1101007110110017017017110C UCTC 110C UCTC 110C UCTCAOA 0105mm /min017110CRRTC 110C URTC 017C URTC 017C URTC 017C UTC 110150140105A (T 3<
7、;0A (T 1=0应力(T 3012kPa /minA p =而力q*D1994-2007imp"即mw.bMh 就ChiN AcHtemic Junmal EkcUumc Fvbl岫g Hduic- All rihU irscrvcd.12kPa /min注:表中试样编号中C U表示固结不排水试验；CT C表示常规三 轴压缩；RT C表示减压三轴压缩；c1994-2007kixetChina Academic Journal Electronic P(7 1 TC表示等p压缩；上标为固结围压(7 3下标为固结应力比(T 3/试验采用G DS LAB软件进行试验控制和数据采集，该软
8、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G DS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(G B 500212001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 G DS多功能三轴试验系统Fig . 2 G DS triaxial test instrument113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
9、取土样，取土深度为1015m ,图3颗粒粒径分布曲线Fig . 3 Particle size distributi on curve8南京工业大学学报表2 土的物理指标Table 2 Physical p r operty of s oil第27卷日EVL fl WMkA Vf VW v 中y vw (H 20 /密度p/(g ? c m -3 1189天然重度丫/(k N ? m 3 1815孔隙比e液性塑性指数指数I LI P%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
10、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A f的平均值为01341994-200?Chma Academic Jeufna EIccininK Pubinhng H«KiiK. All hfhis mergedo0196701781515114 试验步骤11411试样饱和开启G DS系统，选用Saturati on Ra mp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B Check模块，保持反压不变，15kPa, , B 019811413周
11、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Ad 2vance l oading试验模块，保持反压200kPa,根据试验e图4 qa及ua曲线£ £ a curves Fig . q a and u (7 1设定固结要求设定固结轴压，并由应力比K =(7 3/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，周结完毕。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
12、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:选才A Advance l oading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，随周结围压(7 3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10o减小围压至反压值或试样破坏；(3等p压缩应力路径：选才S Stress Path式验,K块，保持p
13、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 Effective stress path£ £ 图6为减压三轴压缩试验的 qua、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9T生，呈应变硬化型，在试验结束时（3二0等向固结试样的 后要明显小于非等向周结试样的 & a除70&
14、; CURTC 01外,ua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C I RTC 017外，其大小随周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A f介于-0120-0129之间n b.iClliM A£*dEflU£o、试验结束时e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由图8和图9给出的等验中围压较小（r3=70kPa导致试样处于超固结状态。向周结下
15、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e图6 qa及ua曲线£ a and u e a curves Fig . 6 q e图8 qa及ua曲线£ a and u e a curves Fig . 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。由于试验受吩空制，虽然试验结 束时63=0反孔隙水压力的存在（63丸以使土维持一定的刚度和强度，除CURTC 017试样外，其余试样已达到或
16、接近破坏，由CURTC 110和CURTC 017的试验结果 可知，等向19942007hilpWviww.tnki jneChina Andcmic Jwnid Ekcthmic PublhJhihK Howe. AD ri曲H rewrvedo、T T固结试样的峰值强度要略大于非等向固结试样的强20014070验得到的e酸明显大于减压三轴压缩试验得到的e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况im-2
17、007hnp'kj.iKtChiru Acadcmk Journal Elcctrvnk Pkiblishmg Houk. All right； rcMrvcd.o图7有效应力路径Fig . 7 Effective stress path图9有效应力路径Fig . 9 Effective stress path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。CURT C 017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、非等向周结下常规第27卷比，其轴向应变、孔压和强度等规律有明显
18、的差异e图10 qa及ua曲线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10南京-CUCTCCUCTC图£yRTC 第一 CURTC 那. 将12 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30_r /点 CURTC 那 jCURTG*一孔隙水压力* CUCTCjJ300250200150100500CUCTCpCUCTC图CURTC 那CUCTC伸：叱CURTC留8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
19、 28 3i 1 I / I / JL. _ 1 1 Jcurves Fig . 10 q a and ue图12 qa及ua u a300250 CUCTC代CUCTC您CURTQ* CURTC20050t150100CUCTC；5CUCTC相2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 3C1 1_ . 1 1 1_ 上 ， :CURTC 那“,一,CURT©呼一一下桔我比事Fig . 12q图11 有效应力路径Fig .11 Effective stress path图13有效应力路径Fig .13 Effective stress300 r250
20、20015010050CUC1CUCTC号CURTC 帝 CURTCs,CUC1CUCTC相6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 2：i_ , 上 上 ,_if潞卬呷%一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CURTC 110和CURTC 110的试验结果可 知，等向固结试样的峰值强140度略大于非等向周2试样的峰值强度，但两者的有效应力路径形态具有相似 性。p试验和减压三轴压由图12和图13给出的等向固结下常规三轴压缩试验、等 缩试验结果对比分析-CUCTC留CUCTC即200150100500CURTC腭. CUC
21、TC；*e可知，qa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M c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300 250-CUCTC密4 6 8 10 12 1
22、4 16 18 20 22 24 26 28 30图14 P “q坐标中破坏点Fig . 14 Failure points in p q s p ace3结论(1在不同应力路径下q£酢线性关系明显，曲线呈应变硬化型。(2不同应力路径得到的士的峰值强度不同，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
23、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：1 Lamber TW. Stress path method J . Journal of the SoilMechanics and Foundations D ivision, ASCE, 1967, 93 (S M6 : 309 - 331. 2 Lamber T W , MarrW A. Stress path method A . Second Edu2 cation Journal of the Geotech
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26、 土的本构关系M .北京：中国 Stress pa th tests of cohesive so il ( College of Civil Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China Abstract:Deformation and strengthening behaviors of cohesive soil at the west area of Nanjing city were investigated ferent stress paths, which include convent
27、ional triaxial comp ression, reduced triaxial comp ression and w ith constant sure are obviously different in different stress pathes The shape of effective stress path is sim ilar under the same . stress path testing, the S冗 shape of effective stress path was observed inconventional triaxial comp r
28、ession test . by using GDS triaxial instrum ent, the triaxial tests were carried out under consolidated undrained condition w ith dif2 p The results show that the response of stress2strain is nonlinear hardening; the peak strength and the pore p res2 . Key words: cohensive soil; consolidated undrained triaxial test; stress path CHAN G Yin 2sheng, WAN G Xu 2dong, ZA I J in 2 in, XU J ian 2long m