关于复杂应力路径原状黏土破坏标准的研究及初探

　　摘要：文章以杭州原状黏土为对象展开不同剪应力水平下的主应力轴纯旋转试验，并对试验过程中各向应变与主应力方向角的关系曲线作了进一步的分析与研究，从而对复杂应力路径下软粘土的破坏标准提出了有关解决措施

　　关键词：原状粘土,主应力方向角,主应力轴旋转,扭剪应变,八面体剪应变

　　1 引 言

　　岩土力学中，判断土体试样破坏采用的标准通常可分为两种：一种是应力控制标准，即根据应力状态的特点考察某个应力参量，若该应力达到了预定状态，则认为试样破坏。一种是应变控制标准，即根据应力应变的特点考察某个应变参量，若该应变达到了预定状态，则认为试样破坏。

　　本文以杭州原状黏土为对象展开不同剪应力水平下的主应力轴纯旋转试验，以分析试验过程中各应变与主应力方向角的关系曲线作为主要内容，从而对复杂应力路径下软粘土的破坏标准做初步论述。

　　2 试验方案介绍

　　2.1 试验仪器及试样简介

　　试验仪器为空心圆柱扭剪仪HCA(由浙江大学岩土工程研究所与英国GDS仪器设备有限公司共同研制)。HCA可独立对空心圆柱试样施加外压p0，内压 pi，轴力 W 和扭矩 MT(如图 1(a))，从而使主应力方向角 (主应力方向与竖向的夹角)发生改变，也即是研究计划所需的复杂应力路径。具体实现方式可参见有关文献结果[3,4]。

　　试验用土取自杭州某基坑工地，取土过程按相关规程要求严格控制扰动，以保证其原状特性。试验室中，采用专用切土器制备成如图1所示200 mm×100 mm×60 mm(高×外直径×内直径)的空心圆柱状。

　　2.2 试验加载方案

　　为保持原状样的特点，试样经过反压饱和后施加150kPa的有效等向围压进行等向固结(围压保持p=200kPa不变，取反压为50kPa)，使其超固结比OCR=1。(详细见文献[4])

　　待固结完成后，即可展开试验。具体方案的应力路径见图2，图中q为试样所受的剪力，也为大、小主应力之差， 即q=σ1-σ3;b为中主应力系数，定义式为b=(σ2-σ3)/(σ1-σ3)，其意义详见文献[4]。

　　在整个试验加载过程中都保持平均总球应力幅值p(根据土体的现场埋深，取为200kPa)以及中主应力系数b值不变，而 与q则按预定路径组合变化(具体应力路径如图2所示)。研究中，为避免主应力轴旋转引起过大的不均匀应力，试验中b统一取为0.5。

 

　　3试验结果及分析

　　3.1 三向应变特性

　　试验R301的应变与主应力方向角的关系如图3所示。结合图2可知， 从20°增大到180°的过程中，剪应力q始终保持为50kPa，可以认为这个过程为主应力轴纯旋转阶段。

 

　　由图3中曲线特点可知：

　　(1) 轴向应变和环向应变都在 接近60°和160°时达到0值，并且都在 =120°时达到最大值，两条曲线关于横轴对称，即大小相等、正负相异。

　　(2)试验中土单元体的径向应变很小，相对于轴向应变和环向应变可以近似认为径向应变没有变化规律。

　　因此在下面的讨论中，为了更全面的分析复杂应力路径下软粘土的破坏标准。将重点研究轴向、径向、环向应变中的轴向应变。

　　3.2破坏标准

　　为了更准确的观察剪切过程中试样的应变变化情况，引入八面体剪应变 ， 和 、 的关系如下式：

　　试验中轴向应变 、扭剪应变 以及八面体剪应变 随 的变化特征如图4和图5所示。其中，图4(b) 绘制了试样在R201初期的各应变变化曲线，相对于后期，初期的应变较小。

 

 

　　如图4(a)所示，曲线反应的是R201试验过程中应变与主应力方向角的关系，根据曲线可以判断试验是以剪应力作为判断试验破坏的对象参数，属于应力控制判断标准。试验中，剪应力q=50kPa，主应力轴纯旋转至200°左右时试样破坏， 超过40%， 接近25%， 接近-16%。这说明，在主应力轴旋转的应力状态下，采用主应力差或剪应力作为判断试样是否破坏的参数并不合理，而应采用应变控制标准。

　　现结合3.1重点讨论采用轴向应变、扭剪应变或八面体剪应变作为判断试样是否破坏的参数的适用性。

　　如图5所示， R202实验过程中，试样破坏时， 基本等于零。由此说明，在有主应力轴旋转的应力状态时，采用 作为判断试样是否破坏的参数并不合理。

　　对比图4、图5可知，在主应力轴旋转前的剪应力加载阶段， 基本没有变化， 在三个应变中增长最快，因此这个过程中采用 来判断试样是否破坏并不合理，而采用 则较为合理。在主应力轴旋转阶段， 的变化速率要快于 和 ，同时 也会快速增大，在整个过程也存在 大于 的情况，因此这个过程中，应该以扭剪应变 为主要参考量，并结合八面体剪应变 来共同判断试样是否破坏。

　　综上所述，当粘土体经历主应力轴旋转的应力过程时，采用主应力差来判断试样是否破坏并不合理，而应该采用应变来判断，以避免应变过大;在剪应力加载的过程中，宜考察八面体剪应变来判断试样是否破坏，而在应力路径中含有主应力轴旋转的过程，宜以扭剪应变为主要参考量，结合八面体剪应变的情况，来共同判断试样是否破坏。

　　4 结 语

　　(1) 复杂应力路径下，软粘土破坏的判断标准应该选用应变控制标准，以避免产生过大变形。

　　(2)加载剪应力的过程中，宜考察八面体剪应变来判断软粘土是否破坏。

　　(3)在主应力轴纯旋转的过程中，应重点考察剪应变和八面体剪应变来判断试样是否破坏。

　　参考文献：

　　[1] Yukio Nakata，Masayuki Hyodo，Hidekazu Murata，Noriyuki Yasufuku.Flow deformation of sand subjected to principal stress rotation.Soil and Foundation，1998，38(2)：115-128.

　　[2] 沈 扬，周 建，龚晓南.空心圆柱仪(HCA)模拟恒定围压下主应力轴循环旋转应力路径能力分析.岩土工程学报，2006，28(3):281–287.

　　[3] 沈 扬. 考虑主应力方向变化的原状软粘土试验研究[博士论文 D].杭州：浙江大学，2007

　　[4] 《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)

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