（岩土工程专业论文）原状与重塑粉土静力三轴试验的对比研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 在实验室内经常需要通过三轴试验来测定土的变形及强度参数 当采用原状样进行 试验时可以得到比较可靠的试验结果 但当原状样数量不足或受到扰动时 常常需要采 用重塑样来代替其进行试验 那么采用不同成样方法制备的重塑样与原状样之间是否会 有试验结果上的差异就成为必须要明确的一个问题了 本文在对取自不同区域的南通港洋口港区人工岛地基粉土和东瀛海滩粉土进行颗 粒分析 比重 界限含水率等常规试验的基础上 着重对原状样与采用不同成样方法制 备的重塑样进行了静力三轴固结排水剪切与固结不排水剪切试验 分析了二者在应力应 变关系 应力路径 抗剪强度指标 邓肯 张模型参数 正常固结线 相转换线 稳态 线 临界状态线等试验结果的差异 同时探讨了采用湿装法成样时初始含水率对固结不 排水剪切试验结果的影响 原状样采用规范规定的切削及安装方法 重塑样的制备采用 干装法及湿装法两种 通过试验研究发现 原状样与采用干装法和湿装法制备的重塑样具有不同的固结排 水及固结不排水剪切试验结果 采用湿装法成样时初始含水率的变化也会对固结不排水 剪切试验结果产生影响 在三轴固结排水剪切试验中 干装样与原状样的应力应变关系 整体呈现软化现象 而湿装样则软化硬化都有可能发生 在剪切过程中干装样与原状样 由剪缩发展到剪胀 而湿装样则一直处于剪缩状态 在三轴固结不排水剪切试验中 干 装样均呈现硬化 部分剪缩 部分剪胀模式 且应力路径具有相转换点 而湿装样均呈现 完全软化 剪缩模式 应力路径中没有相转换点 原状土样呈现硬化一剪胀模式或硬化一 部分剪缩一部分剪胀模式 随着初始含水率的增加 湿装样的应力应变关系由应变软化 逐步过渡到应变硬化 应力路径中伴随有相转换点的出现 在不同的固结围压下存在一 个初始的界限含水率 此含水率条件下的应力应变关系是从应变软化转变到应变硬化的 转换状态 并且它是试样应力路径不出现相转换点的最高初始成样含水率 在本文三轴 试验中 无论总应力还是有效应力抗剪强度指标 湿装样均低于干装样 二者又都低于 原状样 原状样 干装样 湿装样 不同初始含水率的湿装样之间其邓肯 张模型参数 正常固结线都存在差异 造成试验结果不同的根本原因归结为试样不同的初始结构而非 固后密实度 初始孔隙比 固结围压会对相转换线产生影响 同时初始孔隙比 成样方 法也是影响稳态线 临界状态线唯一性的主要因素 关键词 原状粉土 重塑粉土 静力三轴试验 原状与重塑粉土静力三轴试验的对比研究 t h ec o m p a r e dt e s ts t u d y0 1 1s t a t i ct r i a x i a lt e s to f u n d i s t u r b e da n dr e m o l d i n gs i l t a b s t r a c t i nt h el a b o r a t o r yt h ed e f o r m a t i o na n ds t r e n g t hc h a r a c t e ro fs o i li sa l w a y so b t a i n e db y t r i a x i a lt e s t s 刀把结s tr e s u l ti sm u c hm o r ee r e d i t a b l ew h e ni ti sc a r r i e do nt h eu n d i s t u r b e ds i l t w h i l ei ft h e r ei s n te n o u g hu n d i s t u r b e ds i l to rt h eu n d i s t u r b e ds i l t i sd e s t r o y e 也i t sa l w a y s r e p l a c e db yt h er e m o l d i n gs i l t s oi t se s s e n t i a lt om a k et h ed i f f e r e n tt e s tr e s u l t sc l e a rb e t w e e n d i s t u r b e da n dr e m o l d i n gs o i l b a s e do nt h eg e n e r a lt e s tr e s u l t si ng r a i na n a l y s i st e s t s p e c i f i cg r a v i t yt e s ta n dl i m i t w a t e rc o n t e n tt e s to fn a n t o n gp o r tf o u n d a t i o ns i l ta n dd o n g y i n gf o r e s h o r es i l t s o m es t a t i c t r i a x i a lc o n s o l i d a t i o nd r a i n e da n du n d r a i n e dt e s t sa r ec a r r i e do nu n d i s t u r b e ds i l ta n d r e m o l d i n gs i l tp r e p a r e db yd i f f e r e n ts a m p l em e t h o d s t h ed i f f e r e n tr e l a t i o no fs t r e s sa n ds t r a i n s t r e s s p a t h s h e a r r e s i s t a n c e i n d e x e s p a r a m e t e r s o f d u n c a n z h a n gm o d e l n o r m a l c o n s o l i d a t i o nl i n e p h a s et r a n s f o r m a t i o n1 i n e s t e a d ys t a t el i n ea n dc r i t i c a ls t a t el i n ea r e d i s c u s s e d n l ei n f l u e n c eo fi n i t i a lw a t e rc o n t e n ti nw e tt a m p i n gm e t h o do nc o n s o l i d a t i o n u n d r a i n e dt e s t so fs i l ti sa n a l y z e dt o o t h eu n d i s t u r b e ds i l ti sc u ta n df i x e di nt e r mo ft h e c r i t e r i o nw h i l er e m o l d i n gs i l ti s p r e p a r e db yd r ys a m p l em e t h o d k n o c k i n go u t s i d e a n d t a m p i n gi n s i d e a n dw e tt a m p i n gm e t h o d t a m p i n gi n s i d e t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n s o l i d a t i o nd r a i n e da n du n d r a i n e dt e s tr e s u l t sb e t w e e n u n d i s t u r b e ds i l ta n dr e m o l d i n gs i l tp r e p a r e db yd r y w e ts a m p l em e t h o da r ed i f f e r e n t t h e i n f l u e n c eo fi n i t i a lw a t e rc o n t e n ti nw e ts a m p l em e t h o do nc o n s o l i d a t i o nu n d r a i n e dt e s t so fs i l t i so b v i o u s i nc o n s o l i d a t i o nd r a i n e dt e s t t h es t r e s s s t r a i nr e l a t i o no fd r ys a m p l e sa n d u n d i s t u r b e ds i l ts a m p l e sa 1 1s h o w ss o f t e na n ds o f t e no rh a r d e nf o rw e ts a m p l e s t h ec h a n g i n g f r o mc o n t r a c t i b i l i t yt od i l a t a b i l i t yi ss e e nf o rd r ys a m p l e sa n du n d i s t u r b e ds i l ts a m p l e sb u to n l y c o n t r a c t i b i l i t yf o rw e ts a m p l e si nt h ec o u r s eo fs h e a r i nc o n s o l i d a t i o nu n d r a i n e dt e s t s a m p l e s p r e p a r e db yd r ys a m p l em e t h o dd i s p l a yh a r d e n p a r tc o n t r a c t i v ea n dp a r t d i l a t i v em o d e la n d t h e r ei sap h a s et r a n s f o r m a t i o na p p e a r e di ns t r e s sp a t hw h i l et h es a m p l e sp r e p a r e db yw e t s a m p l em e t h o dd i s p l a ys o f t e n p a nc o n t r a c t i v em o d e la n dt h e r ei s n tap h a s et r a n s f o r m a t i o n a p p e a r e di ns t r e s sp a t h r n l e u n d i s t u r b e ds i l t s a m p l e ss h o wh a r d e n d i l a t i v em o d e lo r h a r d e n p a r tc o n t r a c t i v ea n dp a n d i l a t i v em o d e l n l es t r e s s s t r a i nr e l a t i o no fs p e c i m e n sc h a n g e f r o ms o f t e n i n gt oh a r d e n i n gw i t ht h ei n i t i a lw a t e rc o n t e n tc h a n g e df r o ml o wt oh i g hw i t ha p h a s et r a n s f o r m a t i o na p p e a r e di ns t r e s sp a t h t h ei n i t i a lw a t e rc o n t e n tl i m i ti sf o u n dt h a tt h e s t r e s s s t r a i nr e l a t i o no fs p e c i m e nw a s j u s tt h ec h a n g i n gs t a t ef r o ms o f t e n i n gt oh a r d e n i n gu n d e r i i 大连理工大学硕士学位论文 d i f f e r e mc o n f i n e dp r e s s u r e w h i c hw a st h eh i g h e s to n ef o rs a m p l i n gw h e nt h e r ew a sn op h a s e t r a n s f o r m a t i o ni ns t r e s sp a t h t h et e s tr e s u l t si nt h i sp a p e ra l s os h o w st h a tt h et o t a la n de f f e c t i v e s t r e s ss h e a rr e s i s t a n c ei n d e x e so f w e t s a m p l e si sl o w e rt h a nd r ys a m p l e s w h i c ha r eb o t hl o w e r t h a n t h ed i s t u r b e ds i l ts a m p l e s t h ep a r a m e t e r so fd u n c a n z h a n gm o d e l n o r m a lc o n s o l i d a t i o nl i n e o f d i s t u r b e ds i rs a m p l e s d r ys a m p l e s w e ts a m p l e sa n dw e ts a m p l e sw i t hd i f f e r e n ti n i t i a lw a t e r c o n t e n ta r ed i f f e r e n t 砀ed i f f e r e n ti n i t i a ls t r u c t u r eb u tt h ed e n s i t ya f t e rc o n s o l i d a t i o nm a y c a u s et h ed i f f e r e n tt e s tr e s u l t sa b o v e t h ei n i t i a lv o i dr a t i oa n dc o n f i n e dp r e s s u r eh a v ea l l i n f l u e n c eo np h a s et r a n s f o r m a t i o nl i n e w h i l et h ei n i t i a lv o i dr a t i oa n ds a m p l em e t h o dc a u s e t h ed i f f e r e ms t e a d ys t a t el i n ea n dc r i t i c a ls t a t el i n e k e yw o r d s u n d i s t u r b e ds i t t r e m o t d i n gs i f t s t a t i ct r i a x i a tt e s t i i i 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定 在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学 允许论文被查阅和借阅 学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 学位论文题目 作者签名 导师签名 日期 泣翌年 上月盐日 日期 盟年上月丛日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果 尽我所知 除文中已经注明引用内容和致谢的地方外 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果 也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果 与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 若有不实之处 本人愿意承担相关法律责任 学位论文题目 2 复鉴鱼塑必左边这蕴鱼边蓟宝 作者签名 王 隧叠日期 丑年 l 月盐日 f f 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1课题研究的意义及目的 岩土工程中有关土工问题可分为两大类 即变形问题和稳定问题 变形问题是研究 土体由于自重或外荷作用而产生变形的问题 稳定问题是研究土体由于自重或外荷作用 而产生破坏的问题 l 在两类问题的研究中最主要的影响因素就是土的变形参数和土的 强度参数 因此在工程勘察设计中 土的变形 强度参数 是计算和研究土体变形 稳 定性 地基承载力 地基沉降和土压力等问题的重要指标 土的变形 强度参数的确定方法主要是通过原位试验和室内试验测定 原位试验是 在原位应力和条件下进行 因此试验条件比较符合土体真实的受力状态 但其边界条件 无法精确确定和控锘u t 2 其次 多数原位测试只能测定现场现实荷重条件下的参数 而 无法预测参数在荷重变化时的发展趋势 最后 原位测试耗时费钱 试验数量因而受到 限制 特别是一些大型的试验 得到的参数数量甚至少到无法进行合理的统计分析例 相反 室内试验主要优点是边界条件比较明确而且容易控制 2 但是 影响室内试验可 信程度的一个主要因素就是关于土样制备的问题 对于粘性土用原状样进行室内试验是 可行的 因为大多数粘性土的原状样在开启后能较好地保持原有的整体结构 而对于无 粘性土来说 由于其粘聚力很小 原状样在开启后就会松散 不能保持其原有的结构 所以对于无粘性土来说经常采用重塑土进行室内试验 采用重塑土进行试验研究就离不开试样的制备这一重要环节 试样制备方法的不同 将直接导致所制备试样的本身结构的不同 其在外荷作用下的力学反应特性 应力一应 变反应类型 抗剪强度 应力路径 液化现象等也将不同 那么采用各种成样方法制备 的试样在结构上有怎样的不同以及其对试验结果产生怎样的影响也就成为一个必须要 明确的问题了 成样方法的不同所导致的试样结构和试验结果的不同 这一现象的研究在国外早已 经引起足够重视 19 7 4 年l a d d 4 采用d r y v i b r a t i o n d v 干装振动 和w e t t a m p i n g w t 湿装夯实 两种成样方法对砂土的液化问题进行了研究 1 9 7 7 年 m u l i l i s 掣5 j 采用十一 种不同的成样方法对砂土的液化现象进行了研究 直到2 0 0 5 年 日本学者p a p a d i m i t r i o u 等 6 也通过4 种不同的成样方法和本构模型来研究砂土的各向异性 而在国内 这一现 象的研究并没有得到足够的重视 这方面的研究工作做得并不多 李广信教授在 高等 土力学 一书对成样方法的不同导致三轴试验结果差异进行了对比论述 3 j 关于成样方 原状与重塑粉土静力三轴试验的对比研究 法这一问题进行了比较详细研究的是大连理工大学硕士研究生张文峰的学位论文 成样 方法对南通饱和粉砂变形及强度特性影响的试验研究 本文主要针对粉土试样 通过对比原状样和两种成样方法制备的重塑样静力三轴试 验结果 归纳出具有实际应用价值的试验规律 并特别探讨了湿装法成样时初始含水率 对试验结果的影响 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内各种规范 试验手册中规定的成样方法 i z 工试验方法标准 g b t5 0 1 2 3 1 9 9 9 t 7 中规定 扰动土 例如粉土 试样制备应根据预定的干密度和含水率 按本标准第3 1 5 条 的步骤各样后 在击样器内分层击实 粉土宜为3 5 层 粘土宜为5 8 层 各层土料数 量应相等 各层接触面应刨毛 击完最后一层 将击样器内的试样两端整平 取出试样 称量 对制备好的试样 应量测其直径和高度 砂类土的试样制备应先在压力室底座上依次放上透水石和滤纸 橡皮膜和对开圆 模 根据砂样的干密度及试样体积 称取所需的砂样质量 分三等分 将每份砂样填入 橡皮膜内 填至该层要求的高度 依次第二层 第三层 直至膜内填满为止 当制备饱 和试样时 在压力室底座上依次放透水板 橡皮膜和对开圆模 在模内注入纯水至试样 高度的1 3 将砂样分三等分 在水中煮沸 待冷却后分三层 按预定的干密度填入橡 皮膜内 直至膜内填满为止 当要求的干密度较大时 填砂过程中 轻轻敲打对开圆模 使所称的砂样填满规定的体积 整平砂面 放上不透水板或透水板 试样帽 扎紧橡皮 膜 对试样内部施加5 k p a 负压力使试样能站立 拆除对开圆模 土工试验规程 s l 2 3 7 1 9 9 9 e m 中规定 扰动土 含粘粒 试样制备 1 选取一定数量的代表性土样 经风干 碾碎 过筛 测定风干含水率 按要求的含水率算出所需加的水量 2 将需要的水量喷洒到土料上拌 匀 稍静止后装入塑料袋 然后置于密闭容器内至少2 0 小时 使含水率均匀 取出土 料复测其含水率 测定的含水率与要求的含水率的差值应小于 1 否则需调整含水 率至符合要求为止 3 击样筒的内径与试样直径相同 击锤的直径宜小于试样直径 也 允许采用与试样直径相同的击锤 击样筒壁在使用前应洗擦干净 涂一薄层凡士林 4 根据要求的干密度 称取所需土质量 按试样高度分层击实 粉质土分3 5 层 粘质 土分5 8 层 各层土料质量相等 每层击实至要求高度后 将表面刨毛 然后再加第2 大连理工大学硕士学位论文 层土料 如此继续进行 直至击实到最后一层 将击样筒中的试样两端整平 取出称其 质量 一组试样的密度差值应小于0 0 2 9 c m 3 砂类土试样制备 1 根据试验要求的试样干密度和试样体积称取所需风干砂样质 量 分三等分 在水中煮沸 冷却后待用 2 开孔隙压力阀及量管阀 使压力室底座充 水 将煮沸过的透水板滑入压力室底座上 并用橡皮带把透水板包扎在底座上 以防砂 土漏入底座中 关孔隙压力阀及量管阀 将橡皮膜的一端套在压力室底座上并扎紧 将 对开膜套在底座上 将橡皮膜的上端翻出 然后抽气 使橡皮膜贴紧对开膜外壁 3 在 橡皮膜内注脱气水约达试样高的1 3 用长柄小勺将煮沸冷却的一份砂样装入膜中 填 至该层要求的高度 4 第1 层砂样填完以后 继续注水至试样高度的2 3 再装第2 层 砂样 如此继续装样 直至膜内装满为止 如果要求干密度较大 则可在填砂过程中轻 轻敲打对开膜 务使所称出的砂样填满规定的体积 然后放上透水板 试样帽 翻起橡 皮膜 并扎紧在试样帽上 5 开量管阀降低量管 使管内水面低于试样中心高程以下约 0 2 m 在试样内产生一定负压 使试样能站立 拆除对开膜 量试样高度与直径 复核 试样干密度 各试样之间的干密度差值应小于0 0 3 9 c m 3 对含细粒土和要求高密度的 试样 可采用于砂制备 用水头饱和或反压饱和 公路土工试验规程 j t ge 4 0 2 0 0 7 1 9 中规定 扰动土 例如粉土 试样制备 根据预定的干密度和含水率 在击实器内分层击实 粉质土宜为3 5 层 黏质土宜为5 8 层 各层土样数量相等 各层接触面应刨毛 对于砂类土 应先在压力室底座上依次放上不透水板 橡皮膜和对开膜 将砂料填 入对开膜内 分三层按预定干密度击实 当制备饱和试样时 在对开膜内注入纯水至1 3 高度 将煮沸的砂料分三层填入 达到预定高度 放上不透水板 试样帽 扎紧橡皮膜 对试样内部施加5 k p a 负压力 使试样能站立 拆除对开膜 公路土工试验规程 条文说明中规定 原状土 例如粉土 试样制备用切土器切取即可 对扰动试样 可采用压样法和击 样法 压样法制备试样均匀但时间较长 故通常采用击样法制样 击锤的面积宜小于试 样的面积 在击实分层方面 为使试样均匀 层数多 效果好 故本规程规定黏质土为 5 8 层 粉质土为3 5 层 砂样土的试样制备通常有干样制各和煮沸制备两种 前者可测定干燥状态下的强 度 也可以在试样成型后注水饱和 以测定饱和状态下砂类土的强度 南京水利科学研究院土工研究所编著的 t 工试验技术手册 1 1 0 对三轴试验中制样 方法的规定与 土工试验规程 s l 2 3 7 1 9 9 9 峭 中规定相同 原状与重塑粉土静力三轴试验的对比研究 1 2 2 国内外文献对成样方法的讨论 1 对固结不排水剪切试验中应力 应变关系的影响 v e r d u g o 1 1 1 1 9 9 2 年在其博士论文中对砂土在大变形条件下的变形特性做了详细研 究 通过采用湿夯法成样对具有不同初始相对密度的t o y o u r a 砂的固结不排水剪切试验 研究发现 当砂土的相对密度较大时 上垆7 0 偏应力和有效平均主应力随应变的增加 几乎没有减小 可认为是应变硬化反应 当晓0 8 8 时 在相转换阶段会出现一个瞬时稳 态 伴随着偏应力和有效主应力的最小值 这个瞬时的稳态被a l a r c o n g u z r n a n t l 2 叫做 准稳态 v e r d u g o 同时也对具有相同相对密度的砂在不同围压下的固结不排水剪切试验 做了研究 在大变形情况下 当相对密度相同时 稳态具有唯一性 不受初始围压的影 响 在变形最后阶段砂土所达到的稳态叫做最终稳态 张惠名 g a r g a 和曾巧玲1 1 3 j 在 砂土的稳态强度 概念与试验 一文中提到 当采 用湿夯法成样时 饱和砂土有三种典型不排水剪切特性 稳态性状 准稳态性状和加工 硬化性状 在三轴不排水剪切试验中 大部分松砂表现为准稳态性状 新进的研究表明 准稳态性状 不是砂土的固有性状 而是三轴试验中的边界条件所导致 他们还提出 饱和砂土在三轴不排水剪切中通常表现出四个明显不同的阶段 初始阶段 坍塌阶段 临界应力状态阶段和后破坏阶段 稳态强度只有在坍塌阶段才能较好的表现出来 s e e d 和c h a n 1 4 在对压实粘土的结构和强度特性研究中提到 在控制最终相对密度 和含水量相同的条件下 采用揉捏压实 k n e a d 和静力压实 s t a t i c 两种方法成样对试验结 果有一定影响 其中偏应力 g 仃1 o 3 与应变曲线的发展趋势不同 而有效主应力比 仃1 毋 与应变曲线的发展趋势却很接近 2 0 0 5 年 p a p a d i m i t r i o u 等 6 j 对t o y o u r a 砂采用四种成样方法 d r y d e p o s i t i o n d d 干装沉积 w e t t a m p i n g w t 湿装夯实 a i r p l u v i a t i o n a p 一砂雨法 d r y r o d d i n g d r 干装插捣 对比某一本构模型的模拟结果与四种成样方法的试验结果的差异 干装沉 积法分5 层装样 轻敲装样器振实 湿装夯实法控制初始含水率为5 分5 层装样 击实功随高度的增加而增加 砂雨法采用改变砂土自由下降高度来改变密实度 干装插 捣法分5 层装样 通过向下插捣的次数来改变密实度 把制备好的试样进行饱和 饱和 度在9 6 以上 然后在1 0 0 k p a 围压下进行等压固结的不排水剪切试验 试验结果显示 相比其他三种方法试样呈现的收缩性和应变软化现象而言 湿装夯实法制备的试样都呈 现膨胀和应变硬化现象 李广信p 1 教授在 高等土力学 一书中关于砂土的排水强度和不排水强度问题的阐 述中 归纳了不同相对密度下饱和砂土在初始围压为4 0 0 k p a 下鲋囱结不排水试验结果 大连理工大学硕士学位论文 结果显示随着相对密度的增加 饱和砂土的应力应变关系由应变软化逐渐发展到应变硬 化 并指出只有当试样处于临界孔隙比e 口时 试验过程中土试样的体积才基本没有变 化的趋势 因而不会产生明显的超静孔隙水压力 以上讨论中大多针对砂土和粘土 针对粉土的相应结论尚未给出 且并未验证重塑 土样与原状土样是否具存在试验结果上的差异 因此有必要做进一步的研究 2 对固结排水试验中应力 应变关系的影响 o d a 17 j 于1 9 7 2 年对砂土在三轴压缩试验中的变形特性做了详细研究 首先采用 两种方法来制备具有相同初始密度的密实砂土试样 敲击法 p l u n g i n gm e t h o d 夯击法 t a p p i n gm e t h o d 采用另一种用勺子向成模桶里填加砂土的方法 l 法 制备了尽可能松 的中密砂土试样 在初始围压为1 0 0 l p a 的条件下进行了固结排水剪切试验 得到了平 均应力 应变 体变曲线 试验结果表明 采用三种方法制备的试样均呈现应变软化的应 力应变关系 夯击法制备的试样偏应力峰值最高且出现较早 敲击法次之 l 法最小 通过对试验过程中孔隙比变化的分析 对不同成样方法制备的试样结构组成特点进行了 有益探索 作者将一个砂土试样分为三个区域 分析在变形从开始到残余应力状态整个 过程中的变化 死区 d e a dd o m a i n 出现在试样的端部 抵制沿半径方向的摩擦力 这部分的试样体在变形过程中几乎不会出现结构的重组 膨胀区 d i l a t e dd o m a i n 该 区域的孔隙比最大 试样的最终体变由这个区域的孔隙比和膨胀程度决定 剪切区 s h e a r d o m a i n 这个区域的试样体也有较大的孔隙比 但比膨胀区小 张文峰 1 8 j 针对南通饱和粉砂而进行的干装法和控制固定初始含水率的湿装法的试 验研究中指出 在三轴固结排水剪切试验中 干装法试样的应力 应变关系均呈现先应 变硬化而后应变软化的趋势 而湿装法试样的应力 应变曲线不仅与干装法成样所得的 曲线类型不同 且与初始相对密实度有关 砂土和粉砂的力学性质不同于粉土 所以前两者的试验结论不能一概应用于粉土 因此粉土试验结果有待明确 3 对稳态线 临界状态线唯一性的影响 稳态线的唯一性一直是国内外许多学者研究的重点 粘性土的稳态线存在唯一性是 已经公认的结论 而无粘性土的稳态线唯一性则是争论的焦点问题 6 1 9 2 0 c a s t r o 1 9 6 9 和c a s t r o 等人 1 9 7 7 1 9 8 2 对多种具有不同颗粒级配 颗粒大小和形状的砂土进行了多次 应力控制式试验 结果表明 对于一种材料只存在唯一的稳态线 但是在试验过程中全 部采用的是m o i s t t a m p i n g m t 湿装夯实 的成样方法 p o u l o s 1 9 8 1 和p o u l o s 等 1 9 8 5 指出 稳态变形是不受土的初始结构 固结应力比和加载形式 动 静 影响的 但是受 固结后的孔隙比 土的类型和颗粒级配的影响 i s h i h a r a 1 9 9 3 与v e r d u g o 和i s h i h a r a 1 9 9 6 原状与重塑粉土静力三轴试验的对比研究 得出 t o y o u r as a n d 的稳态线不受成样方法的影响 相同的结论也由z l z t o v i c 和 i s h i h a r a 1 9 9 7 对 n e v a d as a n d 试验得出 与此相反b e e n 等 1 9 9 1 用试验证明了稳态 线的不唯一性 m o o n e y 等 1 9 9 7 1 9 9 8 指出稳态线是受加载方向和加载形式影响的 y o s h i m i n e 和i s h i h a r a 1 9 9 8 也得出了相同的结论 a l a r c o n 和l e o n a r d s 1 9 9 8 和 d e n n i s 19 9 8 对砂土进行试验研究 发现其稳态线受成样方法的影响 d e g r e g o r i o 19 9 0 对 o t t a w as a n d 的试验研究也得出相同结论 v e r d u g o 1 9 9 2 指出 在三轴压缩试验中 砂土的稳态与初始围压无关只与密度唯一相关 2 0 0 5 年 p a p a d i m i t r i o u 等 6 在对t o y o u r a 砂的稳态线研究中提到准稳态线的不唯一 性 其具有一个变化范围 从上到下依次为 湿装夯实法 干装沉积法 砂雨法和干装 插捣法 对于临界状态线 发现其也并不唯一 也具有一个变化范围 从上到下依次为 湿装夯实法 干装沉积法 砂雨法和干装插捣 且各条线相互平行 粉土即不同与砂土也不同于粘土 其稳态线和临界状态线的唯一性有待验证 因此 采用不同成样方法制备的粉土试样是否具有相同的稳态线和临界状态线也将是本文讨 论的问题之一 4 对试样初始结构的影响 大量的研究表明土的应力 应变关系不仅由有效应力 干密度 应力历史等因素决 定 还决定于土的 结构或微观结构 而干密度和这种微观结构是由成样方法决定的 不同的成样方法决定着土体的不同结构 同时呈现出不同的应力 应变关系 2 1 2 2 1 研究 表明1 6 1 9 2 u j w a t e r p l u v i a t i o n w p 水中沉降 方法制备的试样具有较好的均匀性 试样 可以很好地模拟自然沉积或在水中沉积的土的结构 m o i s t t a m p i n g m t 湿装夯实 方法 制备的试样具有较好的可压缩性以及松散的结构或不均匀性 且试样常出现应变软化现 象 d r y d e p o s i t i o n d d 干装沉积 方法制备的试样沿高度方向具有很好的均匀性 s e e d 和c h a l l 1 4 j 针对压实粘土进行结构和强度特性研究中指出 对含砂粒的粘性土 或粉质粘土在低于最优含水率成样时 揉捏压实 k n e a d 和静力压实 s t a t i c 两种方法制备 的试样具有相同的膨胀和收缩特性 但是当成样含水率高于最优含水率时 静力压实法 制备的试样具有较大的膨胀性和较小的收缩性 并且试样体中土颗粒方向性比较一致 会产生更多的絮状结构 而揉捏压实法会使试样产生单粒 分散的结构 侍倩 2 j 编著的 土工实验与测试技术 一书中对 土的固有各向异性 问题的讨论 中提到 证据表明 不仅现场砂土是各向异性的 而且室内试样也可能因制样方法引起 各向异性 砂土在填筑过程中长轴总趋于垂直于灌注方向 试验表明 用灌注法制备的 试样比用振动法制备的试样具有较强的各向异性 大连理工大学硕士学位论文 国内经常采用不同与以上讨论中的干装法 膜外敲击 膜内夯击 和湿装法 膜内夯击 来制备粉土的三轴试样 这两种方法制备的试样在试验结果上是否存在差异以及产生这 种差异的根本原因是否与初始结构有关 本文将给出初步解答 1 2 3 国内外文献关于成样初始含水率的讨论 1 对试验结果的影响 s e e d 和c h a r t 1 4 讨论了成样时含水率对土的结构和强度特性的影响 选用粉质粘土 用同一种方法揉捏压实 k n e a d 在不同含水率下成样而使试样密度相同 在相同围压下进 行了不固结不排水和固结不排水试验 结果显示 在不固结不排水试验中 对于含水率 较低的试样在应变很小的时候其应力已经得到快速增长 而对于含水率较高的试样应力 随应变的增长比较缓慢 在固结不排水试验中 含水率的高低对应力 应变关系的影响 同不固结不排水试验 含水率较高的试样在初始阶段的孔隙水压力比低含水率的试样 高 但当应变发展到一定程度时孔隙水压力接近相同 含水率对有效主应力比随应变发 展的影响不大 选用高岭土 k a o l i n i t e 重复了上述条件下的固结不排水试验 试验结果显 示 成样时的含水率对试样应力 应变关系和孔隙水压力的影响比较明显 但对有效主 应力比随应变发展的影响不大 s e e d 和c h a n t l 4 同时指出 在其它条件相同的情况下 成样的含水率低于最优含水 率的试样具有较小的收缩性和较大膨胀性 随着含水率的增加 土颗粒排列成相同方向 的程度和收缩性都会增加 絮状结构的土样具有比较陡峭的应力一应变关系曲线 应力 峰值发生在小应变时 而土体以单粒 分散结构为主时 应力 应变关系曲线比较平缓 光滑 应力逐步发展到高应变 土体中的絮状结构比单粒 分散结构更易阻止孔隙水压 力的发展 因此成样时含水率的高低决定着孔隙水压力反应的大小 m a g i s t r i s 和t a t s u o k a 2 3 在研究成样含水率对击实粉砂应力 应变关系影响时指出 在最优含水率成样使试样各方向的压缩性最小 较小应变时会出现较大的初始硬化现象 和阻尼比 当应变增加时 应力 应变关系将由试样瞬时干密度唯一决定 含水率是影响粉土力学性质的重要因素 湿装法成样时控制初始含水率在一定范围 内递增变化并试图从试验结果中找出某种规律 这能更加清楚地反应出初始含水率对粉 土力学性质影响 这种从试验结果出发定义某种特定含水率的分析方法比以上讨论中的 最优含水率 更加具有意义 2 对试样初始结构的影响 s e e d 和c h a n t l 4 j 有关成样含水率对粘土试样初始结构影响的研究表明 当成样时含 水率低于最优含水率时 土中颗粒排列成相同方向的程度很低 土体结构以絮状结构为 原状与重塑粉土静力三轴试验的对比研究 主 当成样时含水率等于最优含水率时 颗粒间排斥作用会增加 土体的絮状结构会减 弱 颗粒排列成相同方向的程度会升高 当成样含水率高于最优含水率时 土中颗粒排 列成相同方向性的程度会进一步升高 土体结构以单粒 分散结构为主 m a g i s t r i s 和t a t s u o k a 2 3 指出 当土体在最优含水率成样时会产生微观结构 微观结 构在小应变时的作用比较明显 随着应变的增加其对有效强度几乎没有影响 当成样含 水率低于最优含水率时 土体的微观结构主要是由絮状颗粒结构组成 孔隙水压力主要 通过相邻絮状结构之间的大空间流动 而不是通过土颗粒之间的小空间流动 当成样含 水率高于最优含水率时 土体结构主要以颗粒结构为主 孔隙水主要通过颗粒之间的小 空间流动 1 3 论文的主要研究工作 综合以上文献中的讨论 关于粉土的相应试验研究还不多 并且文献中的结论大都 基于重塑土样的试验结果 而忽律了原状土样可能与其存在差异这一有待明确的问题 关于初始成样含水率是否对粉土的静三轴试验结果产生影响这一问题 本文也从不同的 讨论角度出发给出了相应解答 国内关于用重塑土制备三轴试验试样的方法常采用以下三种 湿装夯实法 干装夯 实法和干装敲击法 湿装夯实法是根据预定的含水率和相对密度来制备湿土 然后分层 夯实 干装夯实法和干装敲击法是分别采用夯击和膜外敲击的方法使干土达到预定的相 对密度 且干装敲击法适用于制备比较松散的土样 而由于本论文中试验所用的粉土处 于较密实的状态 所以本文采用干装法 膜外敲击 膜内夯击 和湿装 夯 法 击样筒内夯击 来制备的重塑粉土试样 论文的研究工作如下 在对取自不同区域的南通港洋口港区人工岛地基粉土和东瀛 海滩粉土进行颗粒分析 比重 界限含水率等常规试验的基础上 着重进行了一系列静 力三轴对比性试验 1 对比了原状土样和在相同相对密度条件下采用干装法和湿装法制备的重塑土样 的静力三轴固结排水剪切试验结果 2 对比了原状土样和在相同相对密度条件下采用干装法和湿装法制备的重塑土样 的静力三轴固结不排水剪切试验结果 3 对比了采用湿装法成样时不同初始含水率的粉土试样静力三轴固结不排水剪切 试验结果 大连理工大学硕士学位论文 上述静力三轴剪切试验控制初始固结围压分别为1 0 0 2 0 0 3 0 0 k p a 由试验结果分 析了成样方法对应力 应变关系 抗剪强度指标 应力路径 邓肯 张模型参数 正常固 结线 相转换线 稳态线 临界状态线等方面的影响 以及原状土样与重塑土样在以上 各方面的不同 原状与重塑粉土静力三轴试验的对比研究 2 试验设备与试验方法 2 1静力三轴试验仪 土工三轴试验不仅能够测得土体的抗剪强度指标 而且能够获得土体在剪切过程中 的偏应力与轴向应变关系 孔隙水压力与轴向应变关系或体积变化与轴向应变关系 因 此通过上述试验结果还可以获得土体非线性本构模型的相关参数 因此被国内外岩土工 程界广为采用 三轴试验仪是c a s a g r a n d e 于2 0 世纪3 0 年代发明的 三轴试验仪由三轴 压力室 轴向加荷系统 周围压力控制系统 孔隙水压力测量系统等组成 如图2 1 所 示 排 水 管 图2 1 三轴试验仪示意图 f i g 2 1t h ef i g u r eo f t h ct r i a x i a lt e s ta p p a r a t u s 本文中试验所用的设备是应变控制式静力三轴仪 捌 主要包括以下几个组成部分 三轴压力室 轴向加荷系统 轴向压力量测系统 周围压力稳压系统 孔隙水压力 量测系统 轴向变形量测系统 反压力及体变系统 计算机数据采集和处理系统t g w i n 程序 2 2 静力三轴剪切试验的原理 常规三轴试验的主要步骤如下 将土制成圆柱体套在橡皮膜内或者分层装入对开圆 模的橡皮膜内成样 橡皮膜下端绑扎在底座上 上端绑扎在试样帽上 放在密封的压力 大连理工大学硕士学位论文 室中 孔隙水通过试样下端的透水石与孔隙水压力量测系统连通 并通过上端透水石与 排水管和体变管连通 向压力室内施加压力 使试样各向受到周围压力仍 并使围压在 整个试验过程中保持不变 这时试样内各向的三个主应力都相等 不产生剪应力 如图 2 2 a 然后再通过抬高底座对试样施加竖向压力 这样 竖向主应力大于水平向主应 力 保持水平向主应力保持不变 而竖向主应力逐渐增大 直到试件受剪破坏 如图 2 2 b 仃3 a 周围压力作用 o n t o a3 r c r 3 a 譬七由 2 仃3 仃l b 破坏时的主应力 b a t0 3仃i f c 主应力差和轴向应变 d 剪切强度包线 图2 2 三轴剪切试验原理 f i g 2 2t h ep r i n c i p l eo ft r i a x i a ls h e a rt e s t 试样受到各向均等应力以时 应力圆为一点 随着主应力差 盯1 的逐渐加大 应 力圆随之扩大 如图2 2 d 中虚线圆 作出 盯l 一 岛的关系曲线 如图2 2 c 如出现 峰值将峰值作为破坏点 若无峰值时将轴向应变c a 1 5 时的 盯1 值作为破坏点 得到 剪破时主应力差 盯1 a 3 f 及