【doc】 砂土的稳态强度固结不排水三轴试验研究

【doc】 砂土的稳态强度固结不排水三轴试验研究 砂土的稳态强度固结不排水三轴试验研究 第24卷第22期 2005年11月 岩石力学与工程 ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering V_0】.24N0.22 Nov.,2005 砂土的稳态强度固结不排水三轴试验研究 魏松.’.,朱俊高.,2王俊杰.’.,余湘娟., (1.河海大学岩土工程研究所,江苏南京210098;2.河海大学岩土工程水利部重点实验室,江苏南京210098) 摘要t稳态强度理论在土工抗震研究中具有重要意义.介绍了稳态强度理论的基本概念,稳态强度的固结不排水 剪切试验方法及试验结果;论证了稳态线的存在性和唯一性;推求了e.q空间内的稳态线方程,揭示了稳态内 摩擦角是土体变形最终可动用的有效内摩擦角的物理含义,同时得到了由围压,相对密度D确定稳态强度9 的方法. 关键词t土力学;稳态强度;稳态线;稳态内摩擦角;三轴试验 中圈分类号lTu44文l-t标识码lA文章?号 l1000—6915(2005)22—4151—07 CONSOLIDATED.UNDRAINEDTRIAXIALTESTSTUDYONSTEAD Y STATESTRENGTHOFSAND WEISong2ZHUJun—gao.’2WANGJun-jie.,2YUXiang-juan., (1.InstituteofGeotechnicalEngineering,HohaiUniversity,?,g210098,China; 2.KeyLaboratoryofGeotechnicalEngineering,MinistryofWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China) Abstract:Thesteadystatestrengththeoryissignificantinearthstructureaseismaticstudy.Thesteadystate strengthconcepts,theconsolidated—undrainedtriaxialsheartestmethodan dthetestresultsareintroduced.From thetestandanalysis,theexistenceanduniquenessofsteadystatelinearedemonstrated;andthesteadystateline equationsarederived.Anapproachtodeterminingthesteadystatestrengthqsfromconsolidationpressureor3and relativedensityDrispresented;andthephysicalimplicationofsteadystatefrictionangleisrevealed. Keywords:soilmechanics;steadystatestrength;steadystateline;steadystatefrictionangle;triaxialtest 1引言 土坡,土石坝等土工建筑物在地震时和地震后 的安全问题是岩土力学研究的重要问题之一.在2O 世纪6O和7O年代国内外发生的多次地震中,都出 现了较严重的土坡,土石坝的破坏实例,造成了巨 大的损失,因而引起了多方面的关注,尤其在工程 界就如何防止和减轻地震灾害开展了大量的研究工 作.地震引起的液化破坏是一个复杂过程,包括震 时和震后的动荷载,超静孔压的产生及消散,应力 重分配和土体再固结等多个方面….地震时,砂粒 结构可能完全或部分遭到破坏,这将导致土的抗剪强 度的损失.土体液化后,抗剪强度的损失将引起应 力再分配,进一步引起相邻区域土体的更多液化, 因此也可能导致整个土体结构的破坏….由于这种 液化区扩大有一个时间过程,故其表现为地震破坏的 滞后现象.为了研究这一现象,提出了稳态强度理 论.目前对于稳态强度理论的研究已进入了一个崭 新的阶段,而且也得到了一些应用L2~5J:同时,稳 态强度理论已发展为包括对土的一些基本性质方面 的研究.但就稳态线的唯一性,密砂稳态的存在性 等方面仍有许多争论. 本文采用2种砂土从疏松到密实的不同密度进 收藕日期I2004—06—10;修回日期I2004—08—30 基金硬目t留学人员回国基金资助项目;河海大学科技创新项目 (200402443) 作者篱介t魏松(1970一),男,1993年毕业于河海大学农田水利工程 专业,现为博士研究生,主要从事土石坝工程方面的研究工作.E—mail ddweisong@163.com. 岩石力学与工程2005年 行了固结不排水三轴试验,就稳态线的存在性和唯 一 性,稳态内摩擦角的物理含义和稳态强度q的 确定等方面进行了研究. 2稳态强度理论 稳态强度理论主要包括稳态强度,稳态变形, 流动结构,稳态线和准稳态等基本概念. “稳态强度”是指土体在稳态变形状态下可以 动用的强度,其大小决定了土体在地震中和地震后 的稳定性和永久变形L6J. 到目前为止,人们普遍接受关于”稳态变形” 的定义是Poulos的定义J:对颗粒材料,”稳态 变形”是指土体在常体积,常法向有效压力,常剪 应力和常应变速率下的持续变形状态.在排水或不 排水条件下均可达到稳态变形,稳态变形只存在于 颗粒持续变形过程中,此时颗粒的结构为”流动结 构L9JJ’.若应变停止或应变速率改变,则土体不再处 于稳态变形状态. Casagrade通过研究发现,无论是等压固结不排 水加载,不等压固结不排水加载还是等压固结不排 水循环加载,只要条件适当,试验中都会有”流动 结构”存在.同时,对同一剪前孔隙比和有效围压 都有一相同的残余强度,即稳态强度,如图1所 示【JUJ.根据土体达到稳态变形状态的孔隙比(即临 界孔隙比),稳态时的有效围压,平均有效应力及 剪应力可以绘出它们之间的关系线,称为”稳态 线”【J.在e一o-;平面中,该稳态线是一条分界线. 在线以上区域内土体呈剪缩性,线以下区域呈剪胀 性【J引.文【12】指出,对一均质无粘性土,稳态线是 唯一不受土的组构,初始密度和压力影响的参考线, 剪切中是否排水对其没有影响,是土体的内在固有 属性.由于稳态是土体的固有属性,因而在土的各 种相对密度区域内都可以出现.在对饱和松砂进行 不排水三轴剪切试验时,常会发现在某一相对小的 应变下偏应力达到峰值;而随着应变的继续增大偏 应力迅速降低.当应变超过偏应力最低点后,会发 现2种性状,如图2所示.试验1发生了稳态变 形,试验2表明土体的偏应力将随应变的增加继 续发展.对试验2中的A点所处的状态即为”准稳 态”u引,该状态下的强度称为”准稳态强度”.文【6] 研究指出,在出现准稳态后,随着应变的继续发展, 偏应力逐渐趋近于一稳定值,此稳定值所处的状态 即为”稳态”. /,,\,/不等压固结不排水加载 /等压固结不排水加载 排水循环加审 r一 应变 1D=30% }侧限围压 J400kPa 图l相同初始条件不同试验方法砂土剪切最终状态 Fig.1Finalstatesofthesameinitialcondition 采 长 鏊 .应变 (b)孔隙水压力一应变 图2饱和松砂不排水剪切时的2种性状 Fig.2Twotypesofbehaviorofsandindifferenttestmethods saturatedloosesandduringCUtriaxialsheartest 3试验方法简介 本试验所用F2和F5砂土样分别取自土坝的坝 基和坝体部位,为固结不排水三轴试验.砂土样的 物理性质指标及颗分曲线分别见表1和图3. 试验步骤和方法:(1)砂土样采用湿击样法制 备(根据文[14】,该法可以得到较大范围孔隙比的试 样),试样直径D=3.91cm,高h=8cm,分5层击 实;(2)采用试样在压力室内抽气饱和的方法【l, 裹1F2,F5砂土样物理性质指标 Table1PhysicalpropertiesofsamplesF2andF5 ~D … so/mm … D,o/mm 径 CvJ~200妻F20.5500.2802.30.52.661485l728 第24卷第22期魏松等.砂土的稳态强度固结不排水三轴试验研究 舞 10.0001.0000.1000.0100.00l 粒径/mm 图3F2,F5砂土样颗分曲线 Fig.3GrainsizedistributioncurvesofsarnplesF2andF5 对没有达到规定饱和度的试样采用加反压饱和方 法:(3)所有试验都在应变控制式三轴剪切仪上进 行1,采用同一剪切速率.制样密度见表2. 裹2F2,F5砂土样干密度和相对密度 Table2TableofandDrofsamplesF2andF5 试验时所施加的固结压力分别为100,200, 300,400kPa,并在剪切过程中使周围压力保持不 变.为了研究饱和砂土稳态变形中的特性,试验 时逐渐增大轴向压力,直至土体破坏.在峰值破 坏之后,要继续进行剪切,轴向应变要达到l5%, 20%. 4试验结果 按以上方法可求得某一干密度某一固结压力 下不排水压缩试验的轴向应变偏应力(一), 孔压U,平均有效应力P=(+20”3)/3以及剪应力 q=一O”3,可绘出F2,F5砂土样三轴固结不排水 的典型试验曲线(见图4). 凸,% (a)F2砂土样(=1.40g/cm) a,% (b)F5砂土样(=1.45g/cm) p,% (c)F2砂土样(=1.40g/cm) p’/kPa (d)F5砂土样(=1.45g/cm) ???加????加m0 岩石力学与工程2005笠 室 室 凸/% (e)F2砂土样(=1.40g/cm) 凸/% (f)F5砂土样(=1.45g/cm) 图4F2,F5砂土样三轴固结不排水的典型试验曲线 Fig.4CurvesoftypicalCUtriaxialsheartestsofsamples F2andF5 5试验结果分析 5.1稳态和准稳态的选取 文[14,171认为,用作液化后土体强度指标的 应该为最小强度指标(即准稳态强度).准稳态大多 发生在应变为8%,15%处,处于常规三轴试验试样 面积校正的范围之内,而且有一段相对稳定状态. 但是当ea>20%时,在应力一应变图中偏应力有一 明显增长趋势.文U71通过研究试样端部约束,面 积校正,体积压缩,橡皮膜嵌入等因素,认为在准 稳定状态后的剪胀大多是由于以上因素造成的,因 而建议用准稳态强度作为稳态时的强度.同时指出, 用此强度指标同样可能由于端部约束和排水体积的 变化而过高地估计了稳态强度.基于以上观点,在 整理本文试验成果时取准稳态来进行稳态研究. 5.2稳态线的求取 在稳态时的剪应力g((0-一0”3),有效平均应 力p((+2)/3))与其达到稳态时的孔隙比e之 间均可建立相应的关系,该关系线称为稳态线.由 此可绘出P.g和P.p曲线(见图5). qs/kPa (a) p’ s /kPa (b) 图5F2和F5稳定状态时e,q..及p的关系曲线 Fig.5CorrelativecurvesofeqssandpofsamplesF2and F5duringsteadystate 现有研究成果,.大多认为P.g和P.Pss均为 一 直线关系,即 e=一kInq(1) P=:. 一 kPInPss(2) 图5表明,P—g..和P-p基本为线性关系,因 此,依据式(1),(2)拟合图5的试验点可得:对F2 砂土样,=1.304,=0.0925,,=1.268,k,=SSSSssss 0.0925;对F5砂土样,=0.835,=0.0437;,=ssSSss 0.821,kp:=0.0437. 在p’-q应力空问内可绘出稳态时的关系曲线, 如图6所示. 由图6可以看出,p一g成一直线关系,其拟 合曲线为 qssMPss(3) 由式(3)可求得:=1.479,=1.392.同时, 联立式(1),(2)可得:2qss - kqInq=一kInPss, 且有k,,故可得SSSS Mq/ps%=exp[(2q一)/kq】(4) 对F2砂土样,;2=exp[(1.304—1.268)/0.0925】= 1.476;对F5砂土样,:5=exp[(O.835—0.821)/ 第24卷第22期魏松等.砂土的稳态强度固结不排水三轴试验研究 重 星 /lrPa (a)F2砂土样 p,”/kPa (b)F5砂土样 图6p’-q空间内F2,F5砂土样的稳态线 Fig.6SteadystatelinesofsamplesF2andF5inp’-qspace 0.0437】=1.378.与p.q拟合的斜率相比,二 者结果非常接近.因此,可以认为:对于一种土体, 无论其初始状态如何,当其达到稳态时,在e-p’-q 空间内都终将处于同一条曲线(即稳态线)上.这一 结果充分证明了稳态线的存在性和唯一性. 5.3稳态内?擦角的物理含义 稳态是土体的固有属性,当不同初始条件的土 体达到稳态变形时,在e-pp-q空间内都终将处于同 一 条曲线(即稳态线)上.因此,可以用土体共有的 某种参数结合各自的初始条件来描述其稳态,本文 认为共有的参数可采用稳态内摩擦角(即土体变形 最终可动用的有效内摩擦角). 与稳态内摩擦角不同,土体的峰值摩擦角是随 初始状态的不同而不同的,一般随着相对密度的增 加而增加.对于本试验中的F2和F5砂土样,单组 试验峰值和稳态变形时的内摩擦角变化情况见图7. 由图7可知,土体的稳态内摩擦角大于或等于峰值 内摩擦角,这可解释为:由于松砂达到稳态时偏应 力下降,有效应力下降幅度更大(见图4),所以峰值 摩擦角小于稳态变形时摩擦角ll;而当砂土密实 时,稳态变形时试样不软化,所以稳态摩擦角与峰 值相同.这也说明稳态变形同样存在于紧密砂中. 从图7中还可以看出,稳态时不同相对密度下 的内摩擦角相近;相反,峰值时的内摩擦角变化较 大.故可以认为由图7中得到的不同相对密度下稳 态内摩擦角(即残余内摩擦角)是不依赖于初始相对 D一/% (a)F2砂土样 D一/% (b)F5砂土样 图7F2,F5砂土样内摩擦角随相对密度D变化情况 Fig.7changesalongwithDofsamplesF2andF5 密度和固结压力的常数.根据稳态变形的定义,当 土体发生稳态变形时,土体内颗粒骨架完全破碎, 颗粒结构已为流动结构,所以稳态内摩擦角是土体 变形最终可动用的有效内摩擦角,这也是稳态内摩 擦角的物理含义. 本试验中F2和F5砂土样稳态时的内摩擦角可 由图6得到.利用下式: M=6sinS/(3-sinS) 可得:S=36.4.,S=34.4.. 5.4稳态强度和初始相对密度, 的关系 (5) 固结压力 目前,稳态强度理论在土体的液化判断方面得 到了一定的应用.对于可能液化土体,如果稳态时 的剪切强度低于初始剪应力,地震时就可能液 化,否则就不会发生液化.因此,求稳态强度9 的方法也是稳态强度理论研究的一项重要内容. 文[14】通过试验,给出了用稳态总应力内摩擦 角和剪前初始应力表示的稳态强度q的表达 式.本文通过试验发现,土体在稳态变形时,总应 力的Pss-q并不存在如图6中的线性关系,因而本 文从另一角度来尝试推求稳态强度g 对一确定的土体来说,对应一初始相对密度 D(或干密度)和某一固结压力必有一确定的稳 态孔隙比(对不排水试验,即剪前孔隙比),而根据 稳态理论e与q有一一对应的关系,所以完全可以 岩石力学与工程2005年 用相对密度和固结压力来表示稳态强度g. 为了推求该关系,就要推出用D,表示稳态 孔隙比e的关系.对于一土体在某一D时,其压缩 曲线应该是唯一的,因而可以绘出F2,F5砂土样 的不同Dr时的固结曲线(见图8). (a)F2砂土样 c~]kPa (b)F5砂土样 图8F2,F5砂土样不同相对密度下的固结曲线 Fig.8ConsolidationcurvesindifferentDrofsamples F2andF5 从图8可以看出,.1n压缩曲线近似为直线关 ? ,而且近似平行.为简化起见,近似认为这些 直线有统一的斜率(m和m).其关系可用下式模 拟: e=mln(a3/p)+n(6) 式中:m为斜率;n为截距;P为一个标准大气压, 取100kPa. 根据初始相对密度D,和每个固结压力下的孔 隙比,可得到.D,关系曲线,如图9所示.可见, 在图9所示的相对密度范围内,不同的固结压力 下,.D,基本成平行的直线关系,也即可用下式模 拟: e=hD+g(7) 式中:h为斜率,g为截距. 当=100kPa时,e=100kPa==hD+g. 因此,取a3=100kPa时的h,g作为基本参数,将 D./% (a)F2砂土样 D.,% (b)F5砂土样 图9F2,F5砂土样在固结压力100~400kPa下的P.D, 关系曲线 Fig.9Correlationcurvesofe-DrofsamplesF2,F5under 400kPa consolidationpressure100— 该n的表达式与式(1),(7)联立可得 q.=(/p)e”(8) 式中:a=一m/k,b=一h/k,C=(一g)lk. 以上参数的确定,需要进行固结不排水三轴剪 切试验(或结合各向等压固结试验)即可.对F2,F5 两种砂土样,其相关参数见表3. 裹3F2,F5砂?祥蠢态强度的相关参数 Table3Steadystatecorrelativeparametersofsamples F2andF5 6结论 稳态强度是验算地震后土体是否发生渐进破坏 的重要特性参数.进行固结不排水剪三轴试验是研 究该理论的实用试验方法.本文通过试验,验证了 j.....一. 第24卷第22期魏松等.砂土的稳态强度固结不排水三轴试验研究?4157? 稳态线的唯一性,结果表明稳态是土体的基本属性: 同时揭示了稳态内摩擦角是土体变形最终可动用的 有效内摩擦角的物理含义;所得出的稳态强度的公 式有一定应用价值.虽然公式中参数较多,但为研 究土体稳态强度及计算提供了一种思路. 参考文献(References): [1]GuWH,MorgensternNR,RobertsonPK.Progressivefailureof lowerSanFernandodam[J].J.Geotech.Engrg.,ASCE,1993,Il9(2): 333—349. 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