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1、复杂应力条件下饱和粉土剪切特性的试验研究【技术研发】鼹_复杂应力条件下饱和粉土剪切特性的试验研究于洪涛(辽宁有色大连勘察院辽宁大连116033)摘要:利用动一静态空心圆柱扭剪仪,采用两种不同的成样方法制备空心圆柱试样,在不排水条件下控制平均主应力和中主应力系数保持不变,进行单调扭剪试验.并着重讨论成样方法对重塑粉土孔隙水压力发展,应力——应变关系,破坏模式,有效应力路径等特性的影响研究表明:在主应力轴连续偏转的不排水条件下,成样方法对重塑饱和粉土变形及强度特性具有显着影响.关键词:主应力方向;成样方法;中主应力系数;相变
2、状态;有效偏应力比;广义剪应变中图分类号:TU4文献标识码:A文章编号:1671--7597(2011)0610081--020引育土工构筑物地基及海底中土体的初始应力状态是复杂多样的,在主应力大小发生变化的同时,主应力方向也在不断地发生变化.在如此复杂的初始应力状态下,当进一步承受波浪,地震等复杂循环荷载作用时,土的动力特性与本构关系将变得更加复杂.栾茂田[1]等针对饱和松砂进行的单调剪切试验表明:相对密度相同的情况下,主应力方向对剪切过程中的有效应力路径,应力一应变关系具有显着影响;在中主应力系数一定的条件下,随着大
3、主应力方向和轴向之间夹角的增大,有效偏应力比峰值呈现降低的趋势.另一方面,三轴试验是目前使用最为广泛并且可以对试验结果进行较为全面分析的常规土工试验.而进行三轴试验第一步就是试样的制备,试样制备方法的不同将直接导致土体本身结构的差异,那么采用何种试样制备方法所制备的土体试样最能反映原状土的结构状态将是试验获取可靠参数的关键.李广信[2]教授在《高等土力学》一书中明确提出了"成样方法的不同将会导致三轴试验结果的差异".YoginderP.raid[3]等采用AP砂雨法,wP水中沉降和MT湿装夯实三种不同的成样方法对两种砂土
4、进行了不排水单剪和静力三轴试验研究.贺林[4]利用饱和中砂也研究了成样方法的影响,为此,利用动一静态空心圆柱扭剪仪,重点探讨了复杂应力路径下成样方法对饱和粉土不排水剪切特性的影响.1试验条件1.1试验仪器本实验采用动一静态空心圆柱扭剪仪.1.2试验土料表1粉土物理性质指标(g/cm.)%%%Ip2.O630.262.7Ol9.1O21.374.201.3试样制备及应力状态本试验采用空心圆柱试样,分别采用干装和湿装夯击法制样.具体制备过程如下:干装夯击法:将按干密度控制的烘干土逐层加入到成膜筒中;湿装夯击法:称取烘干土和清
5、水搅拌均匀,逐层加入到成膜筒中.试样制备完成后,联合运用通COe和通无气水等方法进行试样饱和,最终饱和度均可达到98%以上.1.4试验方法针对空心圆柱试样的试验中,通过改变轴向荷载W,扭矩MT,外腔压力P.及内腔压力pi的组合来实现三向非均等初始固结.固结阶段施加的荷载大小及其组合见表2.表2固结阶段所施荷载大小及其组合0olpJkPa/~/kPal瞒/kN./N?m092.86l16.670.118045I100l1000l2.06890107.14l83.33—0.1l8l02试验结果分析2.1成样方法对孔隙水压增长
6、特性的影响图1给出了不同主应力偏转角时孔压的时程曲线.图像表明:在单调剪切过程中,原状样孔压均先上升后下降,破坏时孔压均为负值;而采用干装法和湿装法制备的试样孔压均在单剪初期缓慢增加,而后急剧上升直至试样破坏,不同点在于干装法制备的试样孔压在出现峰值后也会呈现如同原状样的孔压下降趋势,而这种趋势在湿装法制备的试样中并未出现.纵观图l可以发现:对于采用同种制样方法制备的试样,主应力偏转角对孔压的增长模式的影响较小.t/s(a)=O.t/s(b)口=45.(C)a=90.图1不同n.对应的孔压时程曲线2.2成样方法对不排水单
7、剪变形特性的影响饱和土在不排水剪切条件下可能出现4种变形与破坏模式:1)在整个剪切过程中,一直呈现硬化变形特性,没有产生超孔隙水压力,即土体始终处于剪胀状态,最终达到稳定状态(USS),如图2(a)所示.2)在开始剪切过程中先发生剪缩,而后发生剪胀,但是整体上呈现硬化变形特征,最终达到稳定状态(USS),如图2(b)所示.从剪缩到剪胀转换的临界状态称为物态转换状态(PTS)或相变状态.3)在开始剪切过程中先发生剪缩,后发生剪胀,尽管在剪切过程中呈现了应变软化特征,但最终还是进入应变硬化阶段而在某个较高的应力水平下趋于变形
8、的稳定状态(USS),如图2(C)所示.发生应变软化之时d=VA一一【技术研发】前的最高应力点称为峰值应力状态(PSS),此时在应变软化过程中应力水平的最低点称为似稳定状态(QSS).4)在整个剪切过程中始终处于剪缩,从峰值应力状态进入应变软化阶段后剪切变形持续发展,最终在某个应力水平下趋于变形的稳定状态,如图2(d
