土在不同应力路径下的力学特性分析

收稿Ｋｔ期：２００７．１１－２０ 基金项目：广东省水利科技计划项目（Ｎｏ．２００３—１３）；广东省科技计划项目（Ｎｏ．２００６８３７２０１００３）；湖北省环境岩土工程重点实验室开放基金项目
（Ｎｏ．Ｔ１１０５０３）。
第一作者简介：曾玲玲，女，１９８３年生，博十研究生，主要从事软七性质和高速公路地基处理研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｎｇｌｚ４１３＠１２６．ｃｏｍ 通讯作者；陈晓平，女，１９５７年生，博士，教授．博上生导师，主要从事七力学教学与科研上作。Ｅ－ｍａｉｈ ｃｈｃｎｘｐ＠ｊａｌｌ．ｅｄｕ．ｃａ
ｋＰａ。
一～
表１。 表１试样的物理力学性质指标
物理性质指标
Ｇ１ Ｔａｂｌｅ １ Ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ
力路径试验，即通过原状土的统计均值确定土样的
含水率和密度，将此均值作为扰动样期望值。原状 土样和制备的扰动土样的各项物理力学性质指标见
ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｓａｍｐｌｅｓ
固结快剪指标
Ｏｉｌ
ｐａｔｈｓ．ｂｕｔ ｌｉｔｔｌｅ ｉｎｆｌｕｅｎｅｅ
ｓｏｉｌ
ｓｈｅａｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｒｅｓｓ ｐａｔｈ；ｓｏｆｔ ｓｏｉｌ；ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｔｅｓｔ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
１引
言
Ｎａｇａｒａｊ（１９８１年）１２ｌ、Ｃｈｅｎｇ（１９９０年）ｐＪ、陆士 强（１９８９年）【４】等，基于试验成果提出了一些能够 考虑具体复杂应力路径的本构模型。近２０年来，随 着数值计算技术在本领域的应用进展，～些学者开 展了通过应力路径试验成果进行数值建模的研究， 如陈生水（１９９５年）瞄Ｊ、王靖涛（２００２年）等［６１， 获得了具有机制背景的数值模型。 由于黏性土的状态控制指标较砂土复杂，更因 为黏性土的室内试验控制标准比较难掌握，因而黏 性土应力路径的试验研究无论是数量还是质量都逊
应力控制第１组ＤＥＰ３畦Ｉ 应力控制第１组 应力控制第２组 应力拧制第２组
ＩＮＰ４睢Ｉ ＩＮＰｌ５Ｍ ＫＣＰｌ如．２
自Ｌａｍｂｅ（１９６７年）提出应力路径概念以来， 在土性分析中考虑应力路径的影响经历了一个从理 论到实践、又从实践到理论提升的过程，期间采用 最多、也被认为是最有效及可行的研究手段是室内 试验。早期的试验对象多集中于各种密度的无黏性 土（Ｌａｄｅ和Ｄｕｎｃａｎ，１９７６年）【Ｉ Ｊ，试验成果证明： 砂土的应力。应变状态与应力路径有关。进一步的研 究着眼于应力路径对砂土本构模型的影响，如
ｓｔａｔｅ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔｒｅｓｓ ｐａｔｈｓ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ；ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｒｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｗｉｌｌ ｉｎｄｕｃｅ ｓｈｅａｒ ｄｉｌａｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｌａｙ ｓｏｉｌ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｓｈｅａｒｉｎｇ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ
Ｃｉｖｉｌ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ
２１００９６，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｄｅｐａｒｌｍｅｎｔ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｏｕａｎｇｚｈｏｕ
５１０６３２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｎａｎｓｈａ
状态和应力路径影响的本构模型，为工程应用提供
依据。
２试验方案
２．１试样制备 试样取自地表下４～１６ ｍ软土层，为珠江三角 洲常见的灰黑色淤泥混砂层，含少量贝壳等杂质。 为进行足够充分的对比试验，采用扰动土样进行应
一般都是针对特定的初始条件，对于具有明显区域 性特点的土体，探讨应力路径对软黏土特性的影响
剪切速率 缸＝０．０６ｍｎｇｍｉｎ 缸＝Ｏ．０６ｍｍ］ｍｉｎ 缸＝Ｏ．０６ｍｍ／ｍｉｎ 缸＝０．０６ｍｍ／ｍｉｎ
应变控制 应变控制 应变控制 应变控制
三向等压固结ｊ（＝１．０００ 三向等压同结Ｋ＝１．０００ 三向等压固结 三向等压固结 三向等压同结
Ｋ＝１．０００ Ｋ＝１．０１）０ Ｋ＝１．０００
ｃｕ枷４００
１００ １５０ １５０ １５０ １５０ ２００ ２００ ２００ ３００ ３００ ４００ １５０ １５０ １５０ ２００ ２００ ２００
应力控制第ｌ组ＤＥＰｌ雕Ｉ 应力控制第１组ＤＥＰｌ５０．１ 应力控制第１组 应力控制第ｌ组
幻＝０．２ＩｄＷｍｉｎ 却＝０．２ｌ＆“ｍｉｎ 却＝０．２ｌ＆“ｍｍ 幻＝０．２ｋＰ妇ｌｉＩＩ 却＝０．２ｋＰ“ｍｉＩＩ 却＝０．２ｋＰ“ｒａｉｎ
土样 原状土’
扰动士
注：・表示２８４个样本统计均值。
２．２试验方案
（１）固结方案
应变控制三轴仪围压识分别为１００、２００、３００、
４００
ｋＰａ，应力控制三轴仪和ＧＤＳ应力路径三轴仪
固结过程分别采用等压固结和偏压固结两种方式，
等压固结压力为１００、１５０、２００、３００、４００ ｋＰａ，偏 压应力比Ｋ＝０．７００和Ｋ＝０．６２５（Ｋ＝玛／ｑ），固 结压力终值分别为１５０、２００ （２）剪切方案 应变控制的剪切过程采用Ａｓ＝０．０６ ｍｒｎ／ｍｉｎ的 剪切速率，应力控制的剪切过程分别采用模拟堆载 过程的轴向加荷增Ｐ路径、模拟开挖过程侧向卸荷 的减Ｐ路径及轴向加荷侧向卸荷同时进行的等Ｐ路
２００１年）【８１；采用真三轴试验研究不同应力路径下 天然硬黏土的力学特性（Ｃａｌｌｉｓｔｏ Ｌ，２００２年）【９】、 欠压密土在不同应力路径下的特殊力学性质（刘元 雪，２００２年）Ｉｌ…、采用常规三轴压缩试验和真三轴 平面应变试验研究不同应力路径下土体的变形特性 和破坏特性（杨雪强，２００６年）…】等。另外，还有 卸衙条件下软土特性的研究，如基坑开挖中的应力 路径分析（Ｃｈａｒｌｅｓ，１９９９年）［１２１、上海软土的卸荷 模量研究（刘国彬，１９９６年）［１３１，上述研究成果从 不同角度揭示了应力路径对黏性土力学特性的影 响，但由于软黏土具有明显的沉积特点，其力学特 性与当前应力状态、应力历史、后续加卸载路径等 的关系的归一化有较大的难度，所以现有研究成果
ｏｒｏｇｒａｍ 剪切过程（不排水）
同鲇过程 控制方式
试验编号———堕堕堂望竺篁堡望—一 ￡三ｌ鱼±！堡２ １１ ｇ三堡二亟
ＣＵＩ∞ ＣＵ２∞ ＣＵ３∞ １００ ２００ ３００ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０
同结路径
Ｋ
剪切路径 矾不变，４增大 玛不变，嘎增大 仉不变，ｑ增大 以不变，４增大 氓减小，ｑ不变 仉减小，嘎不变 仉不变，ｑ增大 仉减小，ｑ增大 吼减小，ｑ不变
ｔｈａｔ
ｓｔｒｅｓｓ
ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ；ｔｈｅ ｌａｔｅｒａｌ ｕｎｌｏａｄｉｎｇ
ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ａｎｄ ｖｏｌｕｍｅ
ｔｏ
ｓｔｒｅｓｓ
ｄｅｃｒｅａｓｅｄ．１１１ｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｌｓｏ ｓｈｏｗ
ａ
ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ｐａｔｈｓ ｕｎｄｅｒ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄ ｕｎｄｒａｉｎｅｄ ｓｈｅａｒ ｉＳ ｍａｉｎ ｒｅｌａｔｅｄ
ｏｎｅ
ｉｎｉｔｉａｌ
ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｃｔｉｖｅ ｔｈｅ ｅｒｉｅｃｔｉｖｅ
ｓｔｒｅｓｓ ｓｔｒｅｓｓ
ｐａｔｈｓ ｉＳ ｏｎｌｙ
ｕｎｄｅｒ
ｔｈｅ ｓａｍｅ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄ ｓｔａｔｅ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｓｈｅａｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｍｏｄｅ ｏｆｔｅｓｔ ｈａｓ ｅｖｉｄｅｎｔ ｅｆｆｅｃｔ
径设定如表２所示。
０“ｃ一三向等压同结减Ｐ剪切路径 ｏＡＥ一三向等尿阎结等Ｐ鲫切路径
图１ ｐ岬空间应力路径
Ｆｉｇ．１ ｐ－ｑ ｓｐａｃｅ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｐａｔｈｓ
径，加卸荷速率匀＝０．２ 万方数据
ｋＰａ／ｍｉｎ，为保证土样的饱
１２６６
岩
土
力
学
２００９笠
表２应力路径试验方案
Ｔａｂｌｅ ２ Ｓｔｒｅｓｓ ｐａｔｈｓ ｔｅｓｔｉｎｇ
第３０卷第５期 ２００９年５月
岩
土
力
学
Ｖ０１．３０
Ｎｏ．５ ２００９
Ｒｏｃｋ ａｎｄ Ｓｏｉｌ
Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ
Ｍａｙ
文章编号Ｉ １０００－－７５９８（２００９）０５—１２６４－－０７
软土在不同应力路径下的力学特性分析
曾玲玲１，陈晓平２
（１．东南大学岩土工程研究所，南京２１００９６２：２．暨南大学力学与土木工程系，广州５１０６３２）
ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｉｎｉｔｉａｌ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ
ｓｔｒｅｓｓ
ｐａｔｈｓ
ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｓｏｆｔ ｃｌａｙ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ－ａｘｉａｌ ｓｔｒａｉｎ ｒｅｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｏｒｅ ｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ
年）１７】；采用人工制备结构性土样进行剪切过程中 不断改变应力路径的常规三轴试验（Ｍａｌａｎｒａｋｉ
Ｖ，
轴仪和ＧＤＳ应力路径三轴仪对该区域土样进行了
不同固结条件和不同应力路径下的三轴固结不排水 剪试验，探讨了固结状态和应力路径对软土的变形 特性、强度特性和破坏特性的影响，以期通过试验 成果的积累，针对软土特点建立综合考虑复杂固结
ａ
ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄ—ａｎｄｒａｉｎｅｄ
ａｒｅ
ｓｔｒｅｓｓ
ｐａｔｈ ｔｅｓｔｓ，ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｏｆｔ ｓｏｉｌ ｆｒｏｍ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ
ｏｎ
ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ；ｔｈｅ
△叮＝０．２ｋＰａ，ｍｉｎ
三向等爪同结Ｘ＝１．０００ 三向等压固结 三向等压固结 三向等压固结 三向等压同结 三向等压同结 三向等压固结 三向等压固结 三向等压固结 三向等压同结 偏压 偏压 偏压 偏压 偏压 偏压
Ｋ＝１．０００ Ｋ＝１．０００ Ｋ＝１．０１１０ Ｋ＝１．０００ Ｋ＝１．０００ Ｋ＝１．０００ Ｋ＝１．０００
ｗ／％Ｐ／（ｇ／ｅｍ’）
４４ ４５ １．７４ １．７３
ｅ０
Ｓ／％
９８．６０ ９９．０２
ｗｔ／％
ｗｐ／％
乓
／Ｌ
Ｃ／ｋＰａ ９
矿／（ｏ）
２０．０４ １９．９ｌ
１．３ｌ
２．７０
４０．４４
１７．２７
２４．１２
０．７７
１．２３
５．１３
和，减Ｐ和等Ｐ路径试验过程中均施加了反压。
图ｌ为试验方案ｐ—ｇ空间应力路径图，具体路
Ｋ＝１．０００ Ｋ＝１．０００
ＩＮＰ挪Ｉ ＫＣＰｍｌ
应力控制第１组ＤＥＰｌ…
应力控制第１组呻２吣ｌ
应力控制第ｌ组
ＫＣＰ２∞－ｌ
哦不变，珥增大△ｇ＝０．２ｋＰａ，ｍｉｎ 仉减小，ｑ增大
应力控制第１组ＤＥＰ２¨１ 应力控制第１组
ＩＮＰ３雏１
０
０ ０ ０ ７５ ７５ ７５ ７５ ７５ ７５
识减小，矾不变△ｇ＝０．２ｋＰａ，ｍｋｎ 仉不变，峨增大 矾减小，ｑ不变
万方数据
第５期
曾玲玲等：软土在不同应力路径下的力学特性分析
１２６５
于砂土。但近年来，随着工程实际的需求和试验仪 器的更新，黏性土应力路径研究也取得了颇为丰富 的成果，如采用真三轴应力路径研究天然软土的 力学特性并与重塑土进行对比（Ｃａｌｌｉｓｔｏ
Ｌ，１９９８
还有很多工作要做。 本文根据应力路径的研究现状和广州南沙大规 模开发需求，选取南沙夹粉细砂的海积软土为研究 对象，采用应变控制式三轴仪、应力．应变控制式三
Ｔｕ４３１；ＴＵ４１ｌ
文献标识码：Ａ
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｏｆｔ ｓｏｉｌ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔｒｅｓｓ ｐａｔｈｓ
ＺＥＮＧ Ｌｉｎｇ—ｌｉｎ９１．ＣＨＥＮ Ｘｉａｏ．ｐｉｎ９２
（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
ｏｆＧｅｏｔｅｅｈｎｉｅａｌ
摘要：通过固结不排水剪应力路径试验对广州南沙典型软土在不同固结条件的力学特性进行了系统研究。分析了初始固结 状态对软黏土应力路径依赖性的影响，比较了不同应力路径下土的应力．应变关系特征和孔隙水压力变化规律，探讨了孔压 分布与土体变形特征的关系，认为侧向卸荷会造成剪应力增加、体应力减小。从而使土体产生剪胀趋势。研究结果还表明， 不排水条件下的有效应力路径主要与土样初始固结状态有关，因而同一周结状态下的有效应力路径具有唯一性。另外，试验 中的剪切控制方式对有效应力路径有明显影响，但对土体抗剪强度的影响可以忽略。 关键词：应力路径；软土；室内试验；力学特性 中圈分类号ｔ