第25卷 第10期
岩石力学与工程学报 V ol.25 No.10
2006年10月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct . ，2006
不同应力路径下结构性土的力学特性
刘恩龙，(清华大学 水利水电工程系，北京 100084)
摘要：天然土在受荷过程中会经历不同的应力路径，开展结构性土在不同的应力路径下的力学特性的试验研究可以为建立复杂应力路径下的合理结构性本构模型提供试验依据。对结构性土样在不同应力路径下的力学特性进行试验研究。所用土样是人工室内制备的结构性土试样，共进行不同的固结应力状态下常围压、减小围压和增大围压时施加竖向应力直至土样破坏的固结排水和固结不排水三轴试验，对结构性土样在不同的应力路径下的强度特性、破坏特性和变形特性进行探讨和分析。
关键词：土力学；不同的应力路径；人工制备结构性土；三轴试验；力学特性；强度特性
中图分类号：TU 43 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)10–2058–07
MECHANICAL BEHAVIOR OF STRUCTURED SOILS UNDER
DIFFERENT STRESS PATHS
LIU Enlong，(Department of Hydraulic and Hydropower Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China )
Abstract ：Natural soils are often structured because of weak bonds between their particles and subjected to many different stress paths in the field. By conducting experiments on structured soils with changes in stress paths，the mechanical behavior can be investigated on which the establishment of proper constitutive model for structured soils is based. The results are presented for drained and undrained triaxial tests on structured soil specimens under different stress paths. The soil specimens are artificially prepared in the laboratory. Under different consolidated stress conditions，the specimens are gradually loaded axially to failure while the confining pressures are constant，increase or decrease step by step. The mechanical properties，strength properties and deformation mechanism of structured soils are investigated and analyzed.
Key words：soil mechanics；different stress paths；artificial structured soil；triaxial tests；mechanical behavior；strength properties
1 引 言
近年来，结构性土的力学、强度和破坏特性的研究[1
～3]
的屈服强度特性的研究并与重塑土进行了对比[4
，5]
，
对强结构性天然沉积土的土工特性进行了室内试验研究[6]。理论研究方面，建立了考虑结构性土损伤特性的本构模型[7]和以适用于重塑土的Cam-Clay 模型为基础的结构性土模型[8
，9]
取得了很大的进步，研究者进行了大量的。由于天然土在受
试验和理论研究。试验研究方面，进行了结构性土
收稿日期：2005–09–20；修回日期：2005–11–11 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50479007)
荷过程中会经历不同的应力路径，比如深基坑的开
作者简介：刘恩龙(1976–) ，男，博士，1999年毕业于西安建筑科技大学建筑工程系建筑工程专业，主要从事岩土材料基本特性和本构模型方面的教学与研究工作。E-mail ：lel02@mails.tsinghua.edu.cn
第25卷 第10期 刘恩龙等. 不同应力路径下结构性土的力学特性 • 2059 •
挖，隧道的施工过程等，所以也开展了结构性土在不同的应力路径下的力学特性的试验研究，采用真三轴应力路径控制研究了天然软土的力学特性并与重塑土的进行了对比[10]，采用人工制备结构性土样进行了剪切过程中不断改变应力路径的常规三轴试验[11]，对天然硬黏土进行了不同应力路径下的真三轴试验来探讨其力学特性[12]。
本文对结构性土样在不同应力路径下的力学特性进行了试验探讨。所用的土样是人工室内制备的结构性土试样，进行了不同的固结应力状态下常围压、减小围压和增大围压时施加竖向应力直至土样破坏的固结排水和固结不排水三轴试验，对结构性土样在不同的应力路径下的强度特性、破坏特性和变形特性进行了探讨和分析，为建立结构性土样在复杂应力路径下的合理本构模型提供试验依据。
(σ1－σ3) /2
(σ1+σ1)/2
图1 总应力路径 Fig.1 Stress paths
(卸) 荷速率为0.01 mm/min，固结不排水时的加(卸) 荷速率为0.08 mm/min。
3 试验结果
3.1 固结不排水试验(CU)
按照图1所示的3种应力路径，共进行了固结应力分别为25，50，100和200 kPa下的三轴固结不排水试验(其中固结应力为50 kPa时没有进行图1所示的AD 应力路径) ，得到偏应力q 、孔压u 与轴向应变ε1的关系如图2～5所示，其中q =σ1−σ3。由以上的偏应力–应变曲线可知，在不同的固结应力状态下，当总围压为常数或增大时(图1中的
2 制样方法和应力路径
2.1 制样方法
本试验所用的土料为北京市附近的粉质黏土，土料的物性指标为：w L =38.28%，w P =22.04%。将土料自然风干后过0.5 mm的筛子，加入质量20%的国产高岭土土料，然后加入一定含量的国产42.5R 硅酸盐水泥，配成混合料，添加的水泥含量为土料质量的5%。盐粒由国产的大粒径的使用盐碾碎并过0.5 mm的筛子制成。制样严格按照相关标准[13]进行，采用标准击实器，将所需质量的混合料分4层击实。每层混合料都添加了5 g盐粒，然后拌和均匀，进行击实，击实后的土样的密度ρ=1.473 g/cm3，含水量w = 2.55%。然后将击实完成的装有土样的饱和器放入饱和灌中进行抽气饱和，饱和完成后把饱和器放入流动的水中，并保证土样完全浸在水里，通过水的流动循环可以把溶解的盐粒冲走而形成具有胶结作用和大孔隙的结构性土样。操作方法严格按照相关国家标准[13]进行。试验时进行反压饱和，以保证饱和度在98%以上。 2.2 应力路径
所采用的应力路径共有3种，如图1所示为总应力路径示意图，其中OA 段表示等向固结阶段，
OAB ，OAD 应力路径) ，表现为不同程度的应变硬化现象，当固结应力低时OAD 应力路径下硬化现象明显，而当固结应力高时OAD 应力路径下硬化现象不明显直至出现塑性流动现象；当总围压降低时(图1中的OAC 应力路径) 表现为不同程度的应变软化现象；当固结应力低时软化现象不明显却接近于塑性流动，而随着固结应力的增大，软化现象越来越明显。由孔压–应变曲线可以看出，在不同的固结应力状态下，当总围压为增大时(OAD 应力路径) ，随着应变的增大孔压一直增大，直到试样破坏还有增大的趋势；当总围压为常数时(OAB 应力路径) ，随着应变的增大孔压一直增大到某一值稳定下来，随着固结应力的增加孔压稳定所需的应变也增加，且固结应力很低时孔压会到某一值后随应变的增加反而稍有降低；当总围压减小时(OAC 应力路径) ，孔压增大到某一值后会降低很多，可以降低到负值(孔压以压为正) 。 3.2 固结排水试验(CD)
共进行了固结应力分别为50，100和150 kPa
AB 段表示围压不变而增大竖向应力直至破坏应力路径，AC 段表示减小围压的同时增大竖向应力至破坏应力路径，AD 段表示增加围压的同时增大竖向应力至破坏应力路径。试验过程中固结排水时的加
·2060· 岩石力学与工程学报 2006年
偏应力q /k P a
孔压u /k P a
806040200－图2
偏应力q /k P a
孔压u /k P a
－(b) 孔压–应变曲线
－2
应变ε1/10
(b) 孔压–应变曲线
图3 偏应力–应变和孔压–应变曲线(固结应力为50 kPa) Fig.3 Curves of deviatoric stress and pore pressure-strain
(consolidated stress is 50 kPa)
图5 偏应力–应变和孔压–应变曲线(固结应力为200 kPa)
Fig.5 Curves of deviatoric stress and pore pressure-strain
(consolidated stress is 200 kPa)
第25卷 第10期 刘恩龙等. 不同应力路径下结构性土的力学特性 • 2061 •
压时(所示的加(偏应力q /k P a
5
体应变εv /10
－2
432100
2
4
6
810－2
图6 Fig.6 Curves of deviatoric stress and volumetric strain-axial
strain (consolidated stress is 50 kPa)
121416
ε1/10轴向应变
3.3 试验现象的解释
3种不同的应力路径在不同的固结应力状态下和不同的排水条件下得到的试验现象有很大的不同，这是由结构性土的颗粒之间的胶结作用和孔压
(b) 体应变–轴向应变曲线
图8 偏应力–应变和体应变–轴向应变曲线(固结应力为
150 kPa)
Fig.8 Curves of deviatoric stress and volumetric strain-axial
strain (consolidated stress is 150 kPa)
·2062· 岩石力学与工程学报 2006年
的消散程度引起的有效应力的不同所引起的。颗粒
偏应力q /k P a
之间的胶结强度在固结应力较低时基本不破损，而在固结应力较高时会受很大的破损。排水条件下孔隙水压力可以完全消散，而不排水条件下的孔隙水压力不能消散使得有效应力大为减小。在不排水条件下，当固结应力低时，有效围压很低，在破损过程中胶结强度发挥了重要作用，故在总围压为常数或增加时，软化现象不太明显；当固结应力高时，胶结强度受到了破损，土样所表现出的性质类似于重塑土的，破损过程中表现为塑性流动或稍有软化。而在不排水条件下，总围压降低时，低固结应力下胶结强度发挥作用，表现为塑性流动，而高围压时表现为很强的应变软化。排水条件下，不同的固结应力状态时胶结强度的影响同以上的解释，只不过这时的有效应力等于施加的总应力，使得有效围压比不排水条件下增大许多，由于此处的试验最小围压是50 kPa(不是很低) ，不便做更深刻的解释。
偏应力q /k P a
[1**********]
20
40
60平均有效应力p ′/kPa
80100
(b) 固结应力为50 kPa
4 应力路径与强度特性
4.1 不排水有效应力路径
图9(a)～(d)分别为固结应力为25，50，100和200 kPa时的不排水试验条件下的有效应力路径变化图。可以看出，较低的固结应力状态(图9(a))下的结构性土样应变软化的最为明显。有效应力路径和高的固结应力状态下的有效应力路径有很大的不同，这是由土样的结构性引起的，较高的固结应力会部分或全部破坏土颗粒之间的胶结强度，而较低的固结应力状态下土颗粒之间的胶结强度是在加荷过程中逐渐破损的。 4.2 排水应力路径
图10(a)～(c)分别为固结应力为50，100和150 kPa 时的排水试验条件下的排水有效应力路径变化图。由图10可知，对于不同的固结应力条件下减小围压时(OAC 应力路径) 都表现出了应变软化现象，而围压为常数时(OAB 应力路径) 表现为硬化现象。 4.3 强度特性
图11(a)，(b)分别为结构性土样在固结不排水和固结排水时的不同应力路径下的强度特性。排水与不排水条件的强度包络线类似，且强度包络线在应力状态较低时为非线性的，而应力状态较高时近似为线性的，以结构屈服强度为界。结构性土的强度特性与颗粒之间的胶结作用有很大的关系，在
偏应力q /k P a
[1**********]00
3060
90120150
平均有效应力p ′/kPa (c) 固结应力为100 kPa
偏应力q /k P a [***********]0
50
[1**********]0
平均有效应力p ′/kPa (d) 固结应力为200 kPa
图9 不排水有效应力路径 Fig.9 Undrained effective stress paths
固结应力较低时，胶结强度受损很少，而固结应力较高时，胶结强度受损的很多，所以得到了在低应力状态时强度呈非线性的变化，而应力状态较高时强度变化为线性的，可以用Mohr-Coulomb 强度准则描述。
第25卷 第10期 刘恩龙等. 不同应力路径下结构性土的力学特性 • 2063 •
偏应力q /k P a
250
200 150 100 50 0
偏应力q /k P a
[1**********]000
100 200300400
平均有效应力p ′/kPa (b) 排水
图11 结构性土的强度特性
Fig.11 Strength properties of structured soil
偏应力q /k P a
400 300 200 100 00 50
100
150
200
250
5 结 论
通过人工制备结构性土样在不同应力路径下的排水与不排水三轴试验，对结构性土的力学特性、强度特性和变形特性进行了分析和探讨，得到以下几点结论。
(1) 在不同的应力路径和排水条件下，结构性土样表现出了不同的应力应变特性和孔压特性。在不排水条件下，当在不同的固结应力状态下进行试验时，当总围压为增大时，土样表现为不同程度的应变硬化现象，而孔压一直增大，直到试样破坏还有增大的趋势；当总围压降低时，土样表现为不同程度的应变软化现象，而孔压增大到某一值后会降低很多。在排水条件下，当在不同的固结应力下常围压时均土样表现出了应变硬化现象和体积收缩；
平均有效应力p ′/kPa (b) 固结应力为100 kPa
500 400 偏应力q /k P a
300 200 100 00
100
200
300
400
而减小围压时土样均表现出了应变软化现象和剪胀现象。
(2) 颗粒之间的胶结作用对结构性土样在不同的应力状态下的力学特性影响很大。颗粒之间的胶结强度在固结应力较低时基本不破损，而在固结应力较高时会受很大的破损。当应力水平较低时，颗粒之间的胶结强度受损程度较小，而当应力水平较高时，颗粒之间的胶结强度受损程度较大。
(3) 在排水与不排水条件下结构性土样表现出相似的强度包络线，且强度包络线在应力状态较低时表现为为非线性的，而应力状态较高时近似表现为线性的，它们以结构屈服强度为界。在低应力状
平均有效应力p ′/kPa (c)固结应力为150 kPa
图10 排水有效应力路径 Fig.10 Drained effective stress paths
[1**********]
偏应力q /k P a
50 100 150 200
250300
态下强度包络线呈非线性的变化，而在高应力状态下强度包络线变化为线性的，可以用Mohr-Coulomb 准则描述。
平均有效应力p ′/kPa (a) 不排水
·2064· 岩石力学与工程学报 2006年
参考文献(References)：
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structured natural sedimentary soil[J]. Rock and Soil Mechanics，
(上接第2057页)
本刊2006年增刊1被EI 收录论文(114篇，收录率为100%)题录
No.
论 文 题 目
作 者 名
许建聪 尚岳全 王建林 冯文凯 石豫川 柴贺军等 王秀丽 王艳红 朱彦鹏 俞伯汀 孙红月 尚岳全等 沈 强 陈从新 汪 稔 白 冰 李小春 刘延锋等 张贵科 徐卫亚
徐前卫 朱合华 廖少明等 朱珍德 邢福东 渠文平等 闫治国 朱合华 廖少明等 雷文杰 郑颖人 冯夏庭 吴 刚 何国梁 张 磊等 谭卓英 蔡美峰 岳中琦等 况 勇 朱永全 贾晓云 速宝玉 谢兴华 王国庆 郝延锦 吴立新 戴华阳 苏承东 翟新献 李永明等 李元松 李新平 张成良 李文秀 侯晓兵 郭玉贵等 吴 波 刘维宁 索晓明 时亚昕 王明年 李 强 卿启湘 王永和 李光耀等
页 码 2 854–2 860 2 861–2 867 2 868–2 874 2 875–2 881 2 882–2 887 2 888–2 893 2 894–2 901 2 902–2 909 2 910–2 917 2 918–2 923 2 924–2 929 2 930–2 938 2 939–2 945 2 946–2 951 2 952–2 957 2 958–2 962 2 963–2 968 2 969–2 973 2 974–2 978 2 979–2 984 2 985–2 990 2 991–2 996 (下转第2107页)
39 松散土质滑坡位移与降雨量的相关性研究 40 斜坡填筑路堤变形破坏物理模拟研究 41 黄土地区高边坡稳定性模糊识别法理论与应用 42 浙江下山滑坡特征及稳定性分析 43 边坡位移预测的RBF 神经网络方法 44 中国CO 2集中排放源调查及其分布特征 45 适用于节理岩体的新型黏弹塑性模型研究
46 砂土地层盾构法施工的地层适应性模型试验研究 47 岩石–混凝土两相介质胶结面抗剪强度分形描述 48 地铁隧道钢纤维混凝土管片力学性能研究 49 沉埋桩的有限元设计方法探讨 50 大理岩循环冻融试验研究
51 钻进参数用于香港复杂风化花岗岩地层的界面识别
#
52 上海地铁2线淤泥质地层地铁隧道浅埋暗挖施工技术方案研究 53 水泥砂浆水力劈裂试验研究
54 用弹性板理论建立地表沉陷预计模型 55 煤样三轴压缩下变形和强度分析
56 基于BP 网络的隧道围岩位移预测方法 57 遗传规划方法用于确定岩体移动参数
58 隧道降水施工地表沉降的渗流–应力耦合分析 59 单洞双层地铁隧道施工力学行为
60 砾砂岩填筑高速铁路堤身模型试验与数值分析
第25卷 第10期
岩石力学与工程学报 V ol.25 No.10
2006年10月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct . ，2006
不同应力路径下结构性土的力学特性
刘恩龙，(清华大学 水利水电工程系，北京 100084)
摘要：天然土在受荷过程中会经历不同的应力路径，开展结构性土在不同的应力路径下的力学特性的试验研究可以为建立复杂应力路径下的合理结构性本构模型提供试验依据。对结构性土样在不同应力路径下的力学特性进行试验研究。所用土样是人工室内制备的结构性土试样，共进行不同的固结应力状态下常围压、减小围压和增大围压时施加竖向应力直至土样破坏的固结排水和固结不排水三轴试验，对结构性土样在不同的应力路径下的强度特性、破坏特性和变形特性进行探讨和分析。
关键词：土力学；不同的应力路径；人工制备结构性土；三轴试验；力学特性；强度特性
中图分类号：TU 43 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)10–2058–07
MECHANICAL BEHAVIOR OF STRUCTURED SOILS UNDER
DIFFERENT STRESS PATHS
LIU Enlong，(Department of Hydraulic and Hydropower Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China )
Abstract ：Natural soils are often structured because of weak bonds between their particles and subjected to many different stress paths in the field. By conducting experiments on structured soils with changes in stress paths，the mechanical behavior can be investigated on which the establishment of proper constitutive model for structured soils is based. The results are presented for drained and undrained triaxial tests on structured soil specimens under different stress paths. The soil specimens are artificially prepared in the laboratory. Under different consolidated stress conditions，the specimens are gradually loaded axially to failure while the confining pressures are constant，increase or decrease step by step. The mechanical properties，strength properties and deformation mechanism of structured soils are investigated and analyzed.
Key words：soil mechanics；different stress paths；artificial structured soil；triaxial tests；mechanical behavior；strength properties
1 引 言
近年来，结构性土的力学、强度和破坏特性的研究[1
～3]
的屈服强度特性的研究并与重塑土进行了对比[4
，5]
，
对强结构性天然沉积土的土工特性进行了室内试验研究[6]。理论研究方面，建立了考虑结构性土损伤特性的本构模型[7]和以适用于重塑土的Cam-Clay 模型为基础的结构性土模型[8
，9]
取得了很大的进步，研究者进行了大量的。由于天然土在受
试验和理论研究。试验研究方面，进行了结构性土
收稿日期：2005–09–20；修回日期：2005–11–11 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50479007)
荷过程中会经历不同的应力路径，比如深基坑的开
作者简介：刘恩龙(1976–) ，男，博士，1999年毕业于西安建筑科技大学建筑工程系建筑工程专业，主要从事岩土材料基本特性和本构模型方面的教学与研究工作。E-mail ：lel02@mails.tsinghua.edu.cn
第25卷 第10期 刘恩龙等. 不同应力路径下结构性土的力学特性 • 2059 •
挖，隧道的施工过程等，所以也开展了结构性土在不同的应力路径下的力学特性的试验研究，采用真三轴应力路径控制研究了天然软土的力学特性并与重塑土的进行了对比[10]，采用人工制备结构性土样进行了剪切过程中不断改变应力路径的常规三轴试验[11]，对天然硬黏土进行了不同应力路径下的真三轴试验来探讨其力学特性[12]。
本文对结构性土样在不同应力路径下的力学特性进行了试验探讨。所用的土样是人工室内制备的结构性土试样，进行了不同的固结应力状态下常围压、减小围压和增大围压时施加竖向应力直至土样破坏的固结排水和固结不排水三轴试验，对结构性土样在不同的应力路径下的强度特性、破坏特性和变形特性进行了探讨和分析，为建立结构性土样在复杂应力路径下的合理本构模型提供试验依据。
(σ1－σ3) /2
(σ1+σ1)/2
图1 总应力路径 Fig.1 Stress paths
(卸) 荷速率为0.01 mm/min，固结不排水时的加(卸) 荷速率为0.08 mm/min。
3 试验结果
3.1 固结不排水试验(CU)
按照图1所示的3种应力路径，共进行了固结应力分别为25，50，100和200 kPa下的三轴固结不排水试验(其中固结应力为50 kPa时没有进行图1所示的AD 应力路径) ，得到偏应力q 、孔压u 与轴向应变ε1的关系如图2～5所示，其中q =σ1−σ3。由以上的偏应力–应变曲线可知，在不同的固结应力状态下，当总围压为常数或增大时(图1中的
2 制样方法和应力路径
2.1 制样方法
本试验所用的土料为北京市附近的粉质黏土，土料的物性指标为：w L =38.28%，w P =22.04%。将土料自然风干后过0.5 mm的筛子，加入质量20%的国产高岭土土料，然后加入一定含量的国产42.5R 硅酸盐水泥，配成混合料，添加的水泥含量为土料质量的5%。盐粒由国产的大粒径的使用盐碾碎并过0.5 mm的筛子制成。制样严格按照相关标准[13]进行，采用标准击实器，将所需质量的混合料分4层击实。每层混合料都添加了5 g盐粒，然后拌和均匀，进行击实，击实后的土样的密度ρ=1.473 g/cm3，含水量w = 2.55%。然后将击实完成的装有土样的饱和器放入饱和灌中进行抽气饱和，饱和完成后把饱和器放入流动的水中，并保证土样完全浸在水里，通过水的流动循环可以把溶解的盐粒冲走而形成具有胶结作用和大孔隙的结构性土样。操作方法严格按照相关国家标准[13]进行。试验时进行反压饱和，以保证饱和度在98%以上。 2.2 应力路径
所采用的应力路径共有3种，如图1所示为总应力路径示意图，其中OA 段表示等向固结阶段，
OAB ，OAD 应力路径) ，表现为不同程度的应变硬化现象，当固结应力低时OAD 应力路径下硬化现象明显，而当固结应力高时OAD 应力路径下硬化现象不明显直至出现塑性流动现象；当总围压降低时(图1中的OAC 应力路径) 表现为不同程度的应变软化现象；当固结应力低时软化现象不明显却接近于塑性流动，而随着固结应力的增大，软化现象越来越明显。由孔压–应变曲线可以看出，在不同的固结应力状态下，当总围压为增大时(OAD 应力路径) ，随着应变的增大孔压一直增大，直到试样破坏还有增大的趋势；当总围压为常数时(OAB 应力路径) ，随着应变的增大孔压一直增大到某一值稳定下来，随着固结应力的增加孔压稳定所需的应变也增加，且固结应力很低时孔压会到某一值后随应变的增加反而稍有降低；当总围压减小时(OAC 应力路径) ，孔压增大到某一值后会降低很多，可以降低到负值(孔压以压为正) 。 3.2 固结排水试验(CD)
共进行了固结应力分别为50，100和150 kPa
AB 段表示围压不变而增大竖向应力直至破坏应力路径，AC 段表示减小围压的同时增大竖向应力至破坏应力路径，AD 段表示增加围压的同时增大竖向应力至破坏应力路径。试验过程中固结排水时的加
·2060· 岩石力学与工程学报 2006年
偏应力q /k P a
孔压u /k P a
806040200－图2
偏应力q /k P a
孔压u /k P a
－(b) 孔压–应变曲线
－2
应变ε1/10
(b) 孔压–应变曲线
图3 偏应力–应变和孔压–应变曲线(固结应力为50 kPa) Fig.3 Curves of deviatoric stress and pore pressure-strain
(consolidated stress is 50 kPa)
图5 偏应力–应变和孔压–应变曲线(固结应力为200 kPa)
Fig.5 Curves of deviatoric stress and pore pressure-strain
(consolidated stress is 200 kPa)
第25卷 第10期 刘恩龙等. 不同应力路径下结构性土的力学特性 • 2061 •
压时(所示的加(偏应力q /k P a
5
体应变εv /10
－2
432100
2
4
6
810－2
图6 Fig.6 Curves of deviatoric stress and volumetric strain-axial
strain (consolidated stress is 50 kPa)
121416
ε1/10轴向应变
3.3 试验现象的解释
3种不同的应力路径在不同的固结应力状态下和不同的排水条件下得到的试验现象有很大的不同，这是由结构性土的颗粒之间的胶结作用和孔压
(b) 体应变–轴向应变曲线
图8 偏应力–应变和体应变–轴向应变曲线(固结应力为
150 kPa)
Fig.8 Curves of deviatoric stress and volumetric strain-axial
strain (consolidated stress is 150 kPa)
·2062· 岩石力学与工程学报 2006年
的消散程度引起的有效应力的不同所引起的。颗粒
偏应力q /k P a
之间的胶结强度在固结应力较低时基本不破损，而在固结应力较高时会受很大的破损。排水条件下孔隙水压力可以完全消散，而不排水条件下的孔隙水压力不能消散使得有效应力大为减小。在不排水条件下，当固结应力低时，有效围压很低，在破损过程中胶结强度发挥了重要作用，故在总围压为常数或增加时，软化现象不太明显；当固结应力高时，胶结强度受到了破损，土样所表现出的性质类似于重塑土的，破损过程中表现为塑性流动或稍有软化。而在不排水条件下，总围压降低时，低固结应力下胶结强度发挥作用，表现为塑性流动，而高围压时表现为很强的应变软化。排水条件下，不同的固结应力状态时胶结强度的影响同以上的解释，只不过这时的有效应力等于施加的总应力，使得有效围压比不排水条件下增大许多，由于此处的试验最小围压是50 kPa(不是很低) ，不便做更深刻的解释。
偏应力q /k P a
[1**********]
20
40
60平均有效应力p ′/kPa
80100
(b) 固结应力为50 kPa
4 应力路径与强度特性
4.1 不排水有效应力路径
图9(a)～(d)分别为固结应力为25，50，100和200 kPa时的不排水试验条件下的有效应力路径变化图。可以看出，较低的固结应力状态(图9(a))下的结构性土样应变软化的最为明显。有效应力路径和高的固结应力状态下的有效应力路径有很大的不同，这是由土样的结构性引起的，较高的固结应力会部分或全部破坏土颗粒之间的胶结强度，而较低的固结应力状态下土颗粒之间的胶结强度是在加荷过程中逐渐破损的。 4.2 排水应力路径
图10(a)～(c)分别为固结应力为50，100和150 kPa 时的排水试验条件下的排水有效应力路径变化图。由图10可知，对于不同的固结应力条件下减小围压时(OAC 应力路径) 都表现出了应变软化现象，而围压为常数时(OAB 应力路径) 表现为硬化现象。 4.3 强度特性
图11(a)，(b)分别为结构性土样在固结不排水和固结排水时的不同应力路径下的强度特性。排水与不排水条件的强度包络线类似，且强度包络线在应力状态较低时为非线性的，而应力状态较高时近似为线性的，以结构屈服强度为界。结构性土的强度特性与颗粒之间的胶结作用有很大的关系，在
偏应力q /k P a
[1**********]00
3060
90120150
平均有效应力p ′/kPa (c) 固结应力为100 kPa
偏应力q /k P a [***********]0
50
[1**********]0
平均有效应力p ′/kPa (d) 固结应力为200 kPa
图9 不排水有效应力路径 Fig.9 Undrained effective stress paths
固结应力较低时，胶结强度受损很少，而固结应力较高时，胶结强度受损的很多，所以得到了在低应力状态时强度呈非线性的变化，而应力状态较高时强度变化为线性的，可以用Mohr-Coulomb 强度准则描述。
第25卷 第10期 刘恩龙等. 不同应力路径下结构性土的力学特性 • 2063 •
偏应力q /k P a
250
200 150 100 50 0
偏应力q /k P a
[1**********]000
100 200300400
平均有效应力p ′/kPa (b) 排水
图11 结构性土的强度特性
Fig.11 Strength properties of structured soil
偏应力q /k P a
400 300 200 100 00 50
100
150
200
250
5 结 论
通过人工制备结构性土样在不同应力路径下的排水与不排水三轴试验，对结构性土的力学特性、强度特性和变形特性进行了分析和探讨，得到以下几点结论。
(1) 在不同的应力路径和排水条件下，结构性土样表现出了不同的应力应变特性和孔压特性。在不排水条件下，当在不同的固结应力状态下进行试验时，当总围压为增大时，土样表现为不同程度的应变硬化现象，而孔压一直增大，直到试样破坏还有增大的趋势；当总围压降低时，土样表现为不同程度的应变软化现象，而孔压增大到某一值后会降低很多。在排水条件下，当在不同的固结应力下常围压时均土样表现出了应变硬化现象和体积收缩；
平均有效应力p ′/kPa (b) 固结应力为100 kPa
500 400 偏应力q /k P a
300 200 100 00
100
200
300
400
而减小围压时土样均表现出了应变软化现象和剪胀现象。
(2) 颗粒之间的胶结作用对结构性土样在不同的应力状态下的力学特性影响很大。颗粒之间的胶结强度在固结应力较低时基本不破损，而在固结应力较高时会受很大的破损。当应力水平较低时，颗粒之间的胶结强度受损程度较小，而当应力水平较高时，颗粒之间的胶结强度受损程度较大。
(3) 在排水与不排水条件下结构性土样表现出相似的强度包络线，且强度包络线在应力状态较低时表现为为非线性的，而应力状态较高时近似表现为线性的，它们以结构屈服强度为界。在低应力状
平均有效应力p ′/kPa (c)固结应力为150 kPa
图10 排水有效应力路径 Fig.10 Drained effective stress paths
[1**********]
偏应力q /k P a
50 100 150 200
250300
态下强度包络线呈非线性的变化，而在高应力状态下强度包络线变化为线性的，可以用Mohr-Coulomb 准则描述。
平均有效应力p ′/kPa (a) 不排水
·2064· 岩石力学与工程学报 2006年
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structured natural sedimentary soil[J]. Rock and Soil Mechanics，
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39 松散土质滑坡位移与降雨量的相关性研究 40 斜坡填筑路堤变形破坏物理模拟研究 41 黄土地区高边坡稳定性模糊识别法理论与应用 42 浙江下山滑坡特征及稳定性分析 43 边坡位移预测的RBF 神经网络方法 44 中国CO 2集中排放源调查及其分布特征 45 适用于节理岩体的新型黏弹塑性模型研究
46 砂土地层盾构法施工的地层适应性模型试验研究 47 岩石–混凝土两相介质胶结面抗剪强度分形描述 48 地铁隧道钢纤维混凝土管片力学性能研究 49 沉埋桩的有限元设计方法探讨 50 大理岩循环冻融试验研究
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