孔隙水压力测试

应力作用下的孔隙水压力
一、目的与意义
根据太沙基有效应力原理，在应力的作用下，土体体积变形和抗剪强度的变化，唯一决定于作用在土骨架上的有效应力。

然而这一有效应力一般不能直接测定或直接计算，而是通过有效力原理，利用可以测定或可以计算的孔隙水压力来确定的(即σˊ=σ-μ)。

因此，研究应力作用下的孔隙水压力的目的主要是进一步确定土中有效应力，以便进一步研究土的压缩变形和抗剪强度性状。

例如下面将讨论的有效应力对抗剪强度的影响，以及有效压力对地基固结和地基稳定性的影响等。

这是研究土的应力应变与强度关系中的一个有意义的问题。

为此，A．W．斯肯普顿(A．W．Skempton 1954)根据三轴试验的结果，引入了与土的性质有关的孔隙水压力系数A、B，建立了轴对称条件的孔隙水压力方程，并应用于研究土的强度和变形性质。

二、轴对称应力条件下的孔隙水压力方程
轴对称应力条件下荷载应力增量引起的孔隙水压力可通过三轴剪切
试验来研究。

图34-1所示为三轴剪切试验试样土单元体受到轴对称应力作用时，孔隙水压力和有效应力的变化过程。

图34-1(a)、(b)、(c)和(d)中的三个方块，按顺序分别表示土试样受到的轴对应力增量的作用力Δσ、在试样中产生的孔隙水压力增量Δu和作用于土骨架的有效应力Δσˊ。

按试验的步骤，首先对试样施加等向围压力σc，待完全固结，使试样中的孔隙水压力完全消散至Δu=0，围压力σc
全部作用于土骨架成为有效应力σˊc，见图34-1(a)，其意图是使试
样恢复至原位应力状态，然后，在不排水条件下，施加荷载应力增量，
围压力为Δσ3，轴向应力为Δσ1，进行试验。

按弹性理论应力叠加原理，把荷载应力增量分解为围压增量Δσ3和轴压增量(Δσ1-Δσ
两部分，分别见图34-1中(b)、(c)两种情况。

在试验时应分别施3)
加，先施加正应力部分，即施加等向围压力Δσ3，见图34-1(b)。

此时，由正应力引起的孔隙水压力为Δu3。

相应地，由有效应力原理得到作用于试样土骨架的有效应力为Δσˊ3，即
Δσˊ3=Δσ3-Δ
u3（34-1）
然后，继续施加轴向压力增量(Δσ1-Δσ3)，即施加剪应力进行剪切，见图34-1(c)。

此时，土试样受轴向压力引起的孔隙水压力增量为Δu l，相应土试样骨架受到的有效应力为
轴向：Δσˊ1=Δσ1-Δ
u1（34-2）
径向：Δσˊ3=0-Δu1=-Δ
u1（34-3）
土试样单元体受到轴对称应力增量Δσ1和Δσ3作用剪切时，引起的孔隙水压力增量Δu也可按照应力叠加的原理计算，即为围压增量Δσ3和轴压增量(Δσ1-Δσ3)两者引起的孔隙水压Δu3和Δu1的叠加，故
Δu=Δu1+Δu3（34-4）
分别对两孔隙水压力增量Δu1和Δu3进行分析，最后可求得轴对称应
力增量Δσ1和Δσ3引起的孔隙水压力Δu。

孔隙水压力增量Δu1和Δu3与轴对称应力Δσ1和Δσ3的关系，可通过土骨架和水的应力应变关系来分析求解，也可利用三轴试验结果分析求解。

相对而言，后者比较直接而实用，所以下面采用三轴试验结果来分析。

三轴试验的结果表明：凡对土试样施加轴对称应力增量(Δσ1和Δσ
必然引起试样中孔隙水压力的增大(Δu)。

孔隙水压力增量Δu与有3)
效应力增量Δσ1和Δσ3两者之间的关系不是直接等同的，而是受土试样的变形性质、固结状态和排水条件等因素的影响而变化。

所以孔隙水压力增量Δu是应力增量Δσ1和Δσ3和与土的性质有关的影响参数α的函数，即
Δu=f（Δσ1，Δσ3，
α）（34-5）
例题1 根据三轴试验的结果，下列叙述正确的是（）。

A．凡对土试样施加轴对称应力增量，必然引起试样中孔隙水压力的
增大；
B．凡对土试样施加轴对称应力增量，必然引起试样中孔隙水压力的减小；
C．凡对土试样施加轴对称应力增量，不会引起试样中孔隙水压力的的变化
D．引起试样中孔隙水压力的变化，与对土试样施加轴对称应力增量无关；答案：A
不排水条件下三轴试验中施加围压增量Δσ3和轴压增量(Δσ1-Δσ
引起的孔隙水压力增量Δu3和Δu1，按式（34-5）的原理可得到如3)
下关系：
式中：A也称为孔隙水压力系数，式（34-9）就是斯肯普顿提出的孔隙水压力方程。

孔隙水压力系数B反映土试样在正应力（围压力）增量作用下的孔隙水压力的变化。

由于土中孔隙水和土颗粒都被认为是不可压缩的，因此在饱和土不固结、不排水条件下的剪切试验中，试样在正应力作用下不会产生竖向和侧向变形，这时土骨架不会受正应力的作用，全部正应力都由孔隙水来承担，于是B=1。

反之，对于干土，孔隙中气体的压缩性要比土骨架的压缩性高得多，正应力增量将完全由土骨架来承担，于是B=0。

在非饱和土中，B介于0与1之间。

例题4 在饱和土不固结、不排水条件下的剪切试验中，试样在正应力作用下不会产生竖向和侧向变形，这时的全部的正应力由（）承担。

A．土骨架；
B．土骨架和孔隙水；
C．孔隙水
D．孔隙中的气体
答案：C
例题5 在干土的不固结、不排水条件下的剪切试验中，试样在正应力作用下不会产生竖向和侧向变形，这时的全部的正应力由（）承担，且B（）。

A．土骨架，B=0；
B．土骨架和孔隙水，土骨架，B>0；；
C．孔隙水，B=1
D．孔隙中的气体,B=1
答案：A
孔隙水压力系数A反映试样在轴压增量(Δσ1-Δσ3)作用下剪切时孔隙水压力的变化。

与土的剪切变形特性有关。

高压缩性粘土及松砂的A值比较大；超固结粘土在剪应力作用下产生剪胀，产生负孔隙水压力，A为负值。

同一种土，A值也不是常数，它与初始应力状态、应力历史、施加应力的路径等因素有关。

A．W．斯肯普顿、别耶伦(Bjerrumn)给出土的经验A值，见表34-1。

在计算沉降与稳定分析
中，A应取不同值。

如果应力增量不是轴对称应力状态，而是一般三维应力状态（Δσ1>Δσ2>Δσ3）亨克尔。