应力状态对饱和重塑粘性土强度影响的CU试验研究

应力状态对饱和重塑粘性土强度影响的CU试验研究
摘要：土是一种复杂的材料，其性质不仅取决于当前的应力状态，而且与土的
类型、应力历史和后续加载方向有关，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。

关键词：应力状态；重塑粘性土强度影响的CU试验
前言：土的强度取决于很多因素，与土的类型、所处的应力状态、应力历史
和后续的加载方向等有关。

而基坑开挖会使坑周土体应力场发生变化。

对此已经
有很多国内外学者做了室内常规三轴试验研究，研究表明不同的应力路径下土的
性质存在着明显差异。

常规三轴试验由于其本身仪器和数据采集等功能的限制，
存在一定的局限性。

即假定土体土体处于三向等压状态，在同一深度处各个方向
上应力均相等，则两项应力可以相互叠加。

一、试验研究
1.应力路径。

针对天然土层在其沉积历史过程中形成的各向异性和不同应力
路径对土的应力—应变关系及强度的影响，在不同初始应力状态下围压保持不变
的ＣＵ试验，试验仪器采用KTG全自动三轴压缩仪，该仪器由主机，采控器，围压、主应力差、孔压、排水传感器及计算机，气泵、不间断电源（UPS）等组成。

2.试样制备。

试验取用某深基坑工程的粉质粘土。

根据筛分法和比重计法颗
分试验，土样颗粒粒径分布曲线在室内对原土进行了如下处理:将原土烘干、碾碎、过1ｍｍ筛，取筛下足够试验用的细粒土，用喷雾器配置含水量为29%的土样，
配置好后将土样放入塑料袋中静置半天，待土样完全润湿后，将其取出，制备直
径为39.1ｍｍ，高80ｍｍ的试样，并置于真空饱和器中抽气饱和后待用。

(1)孔压系数测定。

选用模块，保持反压不变，增加围压15ｋＰａ，根据孔压变化值计算
孔压系数Ｂ，若Ｂ值达0.98以上可视土样为饱和。

否则将重新进行饱和;(2)固结。

选用试验模块，保持反压为200ｋＰａ，根据试验要求设定固结轴压，并由应力
比设定固结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，固结完毕;(3)加载.在固结完成的基础上，选用试验模块，反
压仍然保持为200ｋＰａ，关闭排水阀门，按不同的应力路径进行加载，具体试
验加载和卸载过程可以分步进行。

这一过程中仪器将实时记载轴向变形、径向变
形等数据(设置每20ｓ记录一次)，数据采集的时间间隔可以人为设定;(4)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，将
仪器擦洗干净。

二、应力状态对饱和重塑粘性土强度影响的CU试验研究
1.强度的影响关系分析。

尽管土样在试验前和试验后轴向和径向都发生了变形，但是由于这两组试验为饱和粘性土的固结不排水试验，所以试验前后土样体
积基本仍保持不变。

试验前土样为圆柱形，试验后土样中部径向变形较两端稍大，但整体仍近似为圆柱形。

土样的轴向变形和径向变形都可以直接得出，当用普通
三轴仪做ＣＵ试验时，轴向变形可以直接测得，而径向变形无法直接测出。

偏应
力逐渐增大，土样的破坏应力也逐渐加大。

此即说明越是深层的土体，由于其所
受围压越大，则其达到破坏所需的荷载就会越大。

而且，土样在某一轴向应变时，增加相同幅度的围压，所需的偏应力的增量逐渐减小，也即当土层达到一定深度
以后，其承载性能趋向于稳定。

所以，初始围压对土体破坏时主应力强度有影响，其值随着围压值的增加而增加。

2.应力应变曲线分析。

土样的应力—应变关系具有明显的非线性，且基本呈
应变硬化型。

随着固结应力比的增加，应力—应变关系曲线初始坡度由缓逐渐变陡。

固结应力比对土体破坏时主应力强度有影响，其值随增加而增加。

当固结应
力比越小时，土样加载越容易破坏。

土样在轴向达到破坏时，轴向应变值大于径
向应变值。

同样，偏应力条件下轴向应变值和径向应变值虽然不同，但是曲线具
有明显的相似性（图1）。

逐步施加轴向压力直至土样破坏时偏应力与轴向应变
曲线，虚线为拟合曲线。

同样可以看出，实测的曲线和拟合曲线较为吻合（图2）。

土样的应力—应变关系具有明显的非线性，且基本呈应变硬化型。

随着初始围压的增加，应力—应变关系曲线初始坡度逐渐由缓变陡。

初始围压对土体破坏
时主应力强度有影响，其值随着围压值的增加而增加。

当初始围压越小时，土样
加载越容易破坏，同样道理，两幅曲线图具有明显相似性，土样在轴向达到破坏时，轴向应变值大于径向应变值。

基底以下某一深度的土体，此时有着相同的围压，要达到同一的竖向位移，越大的土体，所需的竖向力就越大，从而土体达到
破坏时的竖向力就越大，即其承载力越高。

假设土体的高估了土体的承载能力，
造成不安全的结果，再次验证承载力理论常常过高地估计浅基础的承载能力的观点，某一围压下，在同一偏应力作用时越大，土体的轴向应变就越小，也即说明
相同深度的地基土在同一竖向力的作用下，静止土压力系数越大的土体，其竖向
变形就越小。

假设土体的则理论上其沉降量应该较小，而实测沉降量要越大于理
论值，这一不合理假设所导致的。

目前有些地区的工程中，用临界荷载承载力公
式确定的地基承载力特征值远大于按变形确定的承载力特征值，也正说明了这一点，其他围压时，不同偏应力与轴向应力之间的关系也有类似规律。

（图1）
（图2）
3.破坏偏应力的变化率为研究各围压下，不同土样轴向加载的破坏点的差异，现做如下分析，土工试验方法标准中规定:以主应力差或有效主应力比的峰值作为
破坏点，无峰值时，以有效应力路径的密集点或轴向应变15%时的主应力差值作
为破坏点，则对各围压下，不同时土样在轴向加载情况下得到的应力～应变曲线
进行拟合。

不同围压下均有类似规律．虽然不能用土样的破坏应力来代替地基土
的破坏荷载，但这一现象在一定程度上也能说明若地基土的实际侧压力系数，而
按照规范或教材中假设方法来求其承载能力。

某一围压下，在同一偏应力作用时，土体的轴向应变就越小。

等向固结试样的峰值强度略大于非等向固结试样的峰值
强度，但有效应力路径形态具有相似性。

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剪切初期孔压表现为大小随固结围压的增大而减小，等向
固结试样的峰值强度要略大于非等向固结强度，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，反映了土的压硬性对土的
刚度和峰值强度的影响。

其轴向应变、孔压和强度等规律有明显的差异。

孔压均
为负值，与等向固结试样的特性相似，峰值强度略偏大，呈现超固结特性，其原
因可能是由于围压较小导致试样处于超固结状态。

孔隙水压力反应明显不同，孔
隙水压力在常规三轴压缩中表现为正孔压，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。

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。

结束语
通过以上可以得出如下结论:在不同应力路径下非线性关系明显，曲线呈应变
硬化型，随着固结应力增加，应力—应变关系曲线初始坡度逐渐由缓变陡。

固结应力比对土体破坏时主应力强度有影响，其值随增加而增加。

相同应力路径试验得到的有效应力路径具有明显相似性。

参考文献
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