饱和粗砂在不同应力路径下的真三轴试验研究

饱和粗砂在不同应力路径下的真三轴试验研究

周若洋

广东工业大学土木与交通工程学院广州510006

摘要：由于岩土材料具有的横观各向异性，因此在真三轴试验中，不同的加载路径对其本构特性的影响要予以探究。在有效围压为200kPa，大主应力方向与沉积角度方向为0°的条件下，分别进行不同应力路径（b=0，0.5,1）的饱和粗砂进行排水剪切试验，并结合试验数据探究其应力应变及剪胀特性。

关键词：横观各向异性；应力应变关系分析；剪胀性分析；

TrueTriaxialTestofSaturatedCoarseSandunderDifferentαAngleConditions

Abstract:Duetothetransverseanisotropyofgeomaterials,theeffectsofdifferentloadingpathsontheirconstitutivepropertiesshouldbeexploredinatruetriaxialtest.Undertheconditionthattheeffectiveconfiningpressureis50,100,200,350,500kPa,thelargeprincipalstressdirectionandthedepositionangledirectionare0°,thesaturatedcoarsesandswithdifferentstresspaths(b=0,0.5,1)arerespectivelydrained.Sheartest,combinedwithexperimentaldatatoexploreitsstressstrainanddilatancycharacteristics.

Keywords:transverseanisotropy;stress-strainrelationshipanalysis;

岩土工程作为一门与人类接触最为紧密的学科之一，能够发展到今天，正是各种不同类型的试验推动的结果，在这其中，真三轴试验无疑是探究岩土材料本构关系的有效手段。而许多研究表明，岩土材料一般具有横观各向异性，也就是颗粒不同方向排列形成的结构性质不尽相同，并且在重力场作用下，颗粒的长轴倾向于水平方向排列[1]。而对于真三轴试验而言，在不同的中主应力系数b下，试样的土体颗粒有可能随着加载的进行发生方位的变化，因此，不同应力路径下对于岩土材料本构关系的探究是有积极意义的。

1.试验概述

研究人员选择具有明显长短轴的福建标准砂，通过筛分的方法获得粒径为1-2mm的干密度为ρd=1.558g/cm3，相对密实度Dr/(%)=0.76，初始孔隙比e0=0.705的粗砂，进行真三轴试验。

一般情况下，对于颗粒状材料室内试验的制样方法有干装法、水下沉积法和湿装法三种[2]。干装法的具体操作为：首先对试验试样进行烘干，后利用计重器将试样分成几等份，每份逐次倒入套好橡皮膜的模型箱内，每次倒入后用工具夯实试样，使其达到试验方案所要求的密实度后进行饱和即可。

由郭莹和陈珍对砂土分别运用湿装夯实法和干装法进行固结排水剪切试验的研究成果可以看出[3，4，5]：使用干装法对于砂土的扰动较小，因此研究所涉及的试验采用干装法。

试验方案见表1：

表1大主应力σ1和砂土沉积方向的夹角α为0°（Dr/(%)=0.76）

图1大主应变ε1-偏应力q关系曲线

表格中的b=，采用求倒数的方法对公式中的分子分母进行处理，得b=在每组试验中，一定的有效围压σ3下，通过调节真三轴控制仪的程序参数改变大主应力σ1和中主应力σ2的加载速率，从而达到在整个试验过程中b恒定。如令σ2方向的加载速率为10kPa/min，σ1方向的加载速率为20kPa/min，就得到b=0.5。

2.不同应力路径下的真三轴试验结果分析

2.1应力应变关系对比

通过分析，得出以下结论：

1）对于同一σ3，曲线的初始模量随着b值的增加而增加，当应变增大到某一定值后，曲线的走势趋于平缓。

2）对于同一中主应力系数b，试样的强度和模量随着围压的增大而增大。

通过分析，得出以下结论：

1）在同一有效周围压力下，虽然中主应力系数不相同，但是试样最终达到的临界状态近乎一致。

2）试样接近临界状态的应力比η略小于1.0，且与固结围压的关系不大。

3）当b=0时可以看作压缩试验，当b=1时则可看为伸长试验，由莱特邓肯强度理论可知三轴压缩试验的临界应力比应该大于三轴伸长试验的临界应力比，即Mc>Me，说明了随着b值的不断增大，临界应力比逐渐减小。

图4剪胀d–偏应力η关系曲线

通过分析大主应变ε1和体应变εv的关系曲线，得出以下结论[6]：

1）在同一围压下，试样的总体积膨胀εv随着中主应力系数b的增大而增大。

2）在剪切初期阶段，大主应变逐渐增大，由于试样进入短暂的剪缩阶段，随着剪切的进行到达相变点后进入剪胀阶段。

通过分析剪胀d和应力比η的关系曲线，得出以下结论：

1）随着围压的增加，剪缩的区域增加。

2）随着围压的增加，试样的剪胀减弱。

3）随着大主应变继续增大，在剪切后期，试样产生最大剪胀后，由于颗粒的破碎和方位调整，d值减小，砂土的应力比η值趋近一个临界状态值。

3.结论

通过以上分析，研究人员主要得出以下结论：

（1）在剪切的前中期，随着b值的增加，对应的大主应变增速变大，且对于同一大主应变值，应力比η减小，说明当大主应力与颗粒沉积方向一致时，即颗粒长轴水平排布时，试样的强度更高，受剪切发生的变形较小，且在相对较小的形变下即可到达临界状态。但不论b为何值，最终的临界应力是基本一致的；在剪切的后期，随着b值的增加，对应的应力比η却逐渐靠近，直至近似相等，主要是因为大主应力方向从垂直颗粒长轴逐渐变为顺着颗粒长轴，颗粒的方位愈发易于调整耗能，试样中土体颗粒会出现颗粒互相翻越、转动等方位变化，就引起了偏应力的增加，从而导致应力比增加，并且在剪切后期颗粒逐渐破碎导致了偏应力的增加，从而导致应力比增加。

（2）随着剪切的进行，不论b取何值，试样均先进入剪缩状态，后进入剪胀状态，但是b值越大，试样的剪缩程度越大，剪胀程度也越大，并且在剪胀阶段，b值越大，试样对应的应力比η就越小，说明颗粒水平沉积时强度最高。

参考文献

[1]陈立平.基于细观统计的各向异性砂土摩擦特性与破坏机制研究[J].岩石力学与工程学报,2014,33(增刊1):3291－3298

[2]Kuerbis.R,Vaid.Y.P.SandsamplePreparation一theslurrydepositionmethod[J].SoilsandFoundations,1988,128(4):107-118.

[3]郭莹.陈珍.成样方法对饱和中砂静力三轴固结排水剪切试验结果的影响[J].土木工程学报，2010，43增刊：306-311.

[4]郭莹.陈珍.成样方法对砂土静力三轴固结不排水剪切试验结果的影响[J].中国港湾建设.2010.

[5]陈珍.成样方法对饱和中砂静力三轴试验结果的影响[D].大连理工大学硕士学位论文.2010.

[6]张沛.饱和砂土不同应力路径剪胀与强度特性的真三轴试验研究[D].广东工业大学,2015.