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第 34 卷 第 1 期 岩 土 工 程 学 报 Vol.34 No.1 2012 年 .1 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Jan. 2012 初始主应力方向对饱和粉土不排水剪切特性的影响 郭 莹 1, 2，张俊峰1，栾茂田1, 2，刘功勋1, 3 1. 大连理工大学土木工程学院岩土工程研究所，辽宁 大连 116024；2. 大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024； 3. 中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120 摘 要利用“土工静力–动力液压–三轴扭转多功能剪切仪”，针对山东东营原状饱和粉土和采用 3 种初始成样含 水率夯击法制备的重塑饱和粉土，在初始平均主应力为 100 kPa，初始中主应力系数为 0.5，初始偏应力比为 0.433，初 始主应力方向角分别为 0，30，45，60，90的非均等固结条件下，保持平均主应力和中主应力系数恒定进行 了应力控制式不排水静力扭剪实验。着重探讨了初始主应力方向和初始成样含水率对粉土应力–应变关系、孔隙水压 力变化与有效应力路径等的影响。实验结果表明初始主应力方向对原状粉土和重塑粉土的变形与强度特性的影响程 度有所不同；初始成样含水率对饱和重塑粉土的变形及强度特性具有显著影响。 关键词初始主应力方向；初始成样含水率；饱和粉土；应力–应变关系；有效应力路径 中图分类号TU411 文献标识码A 文章编号1000–4548201201–0166–06 作者简介 郭 莹1963– ， 女， 辽宁锦州， 副教授， 博士， 主要从事土力学实验与理论研究。 E-mail dl-guoying。 Effect of orientation of initial principal stress on undrained shear behavior of saturated silt GUO Ying 1, 2，ZHANG Jun-feng 1, LUAN Mao-tian1, 2, LIU Gong-xun1, 3 1. Institute of Geotechnical Engineering, School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 2. State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 3. Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co., Shanghai 200120, China Abstract By using the soil static and dynamic universal tri-axial and torsional shear apparatus, the stress-controlled undrained static torsional tests are pered on Dongying intact saturated silt of Shandong province and remolding saturated silt prepared by tamping controlling three kinds of the initial sampling water contents. The conditions of the initial anisotropic consolidation are the initial mean principal stress of 100 kPa, the initial intermediate principal stress coefficient of 0.5, the initial deviator stress ratio 0.433 and the initial orientation angle of the principal stress respectively at 0o, 30o, 45o, 60o, 90o. During the undrained monotonic shearing process, the mean principal stress and the intermediate principal stress coefficient are fixed. The effects of orientation of the initial principal stress and initial sampling water content on the stress-strain relations, the pore pressure development as well as the effective stress paths are studied. The test results show that the effect degree of the initial principal stress orientation on deation and strength behavior of intact silt is different from that of the remolding silt. The initial sampling water content has considerable influence on the test results of the saturated remolding silt. Key words orientation of initial principal stress; initial sampling water content; saturated silt; stress-strain relation; effective stress path 0 引 言 在天然的水平场地上修建路堤或海堤以及进行深 基坑开挖时，都会引起场地土体应力状态的改变，包 括主应力方向、中主应力系数的改变，将对土体的力 学性质产生影响。 Yoshimine 等[1]针对日本丰浦砂进行 的单调剪切实验发现主应力方向与中主应力系数是 决定砂土单调剪切特性的重要因素，认为大主应力方 向的影响是由于试样的各向异性所造成，其程度取决 于制样方法。付磊等[2]利用改造后的拟静扭剪共振柱 仪， 在 b0.25 平面应变条件下针对砂砾料进行的动扭 剪实验表明初始主应力偏转角0对土的动强度、残 余孔压及残余应变的发展具有不可忽视的重要影响， 随着0增加，动强度明显降低，残余孔压比减小，残 ─────── 基金项目国家自然科学基金重点基金项目（50639010）；国家自然 科学基金青年基金项目（50808033） 收稿日期2010–12–03 第 1 期 郭 莹，等. 初始主应力方向对饱和粉土不排水剪切特性的影响 167 余应变发展速率加快。郭莹等[3-4]和栾茂田等[5]针对干 装制备的饱和福建标准松砂进行的主应力方向对其静 动力特性的影响研究表明，主应力方向对土体的静动 力特性具有显著影响。而主应力方向的影响反映了土 体各向异性的影响。 室内土工实验中，试样制备方法的不同将直接导 致土样本身结构的差异， 即土样的初始各向异性差异， 必将导致外荷作用下试样力学反应的差异。采用不同 成样方法制备的重塑与原状粉土的静力三轴固结不排 水实验表明[6]，试样的初始结构不同，是导致实验结 果差异的根本原因。尤其在研究各向异性问题时，成 样方法的不同对实验结果将产生更为直接的影响。张 坤勇等[7]针对砂土进行的真三轴实验结果表明原状 土样或者装样方法可能产生一定的初始各向异性。 Sushil 等[8]指出装样方法和剪切方向都会对各向异 性特征和剪切模量变化产生影响。针对不同初始成样 含水率湿夯法制备的南通重塑粉土进行的固结不排水 静力实验结果表明[9]，初始成样含水率对饱和土体的 静力变形与强度特性均产生显著影响。因此，各向异 性的研究与试样的制备方法密切相关。 利用“土工静力–动力液压–三轴扭转多功能剪 切仪” ，针对山东东营原状和采用不同初始成样含水率 夯击法制备的重塑粉土，在中主应力系数与平均主应 力恒定条件下，进行多组应力控制式不排水单调扭剪 实验，着重探讨了初始主应力方向和初始成样含水率 对饱和粉土不排水剪切特性的影响。 1 实验条件 1.1 实验土料与试样制备 实验中所采用的土料为取自山东东营的黄河三角 洲粉土，取样深度为地表以下 4～9 m，基本处于饱和 状态。原状土样的物理性质1.89～2.15 g/cm3， w25.77～36.27，Gs2.69～2.72，wP19.0， wL22.4，IP3.4。其中液塑性实验采用原状土样混 合后土料进行实验，重塑土料即采用混合后的粉土。 采用“土工静力–动力液压三轴–扭转多功能剪 切仪” 。实验采用的空心圆柱试样内径、外径、高度分 别为 30 mm、70 mm 和 100 mm。原状样在切削成实 心试样以后，采用专门器械切削内腔制备空心试样， 重塑试样利用自行加工的空心夯锤，通过在顶部敲击 夯锤的方法夯击制样，控制初始成样含水率分别为 w0 0，5，10，重塑试样的干密度控制与原状样 的平均值相同，为 1.53 g/cm3。重塑试样夯击成样方 法如下称量固定质量的烘干土，初始成样含水率为 0时，均分为 5 等分逐层装入到承膜筒中夯击成样； 当初始成样含水率为 w05，10时，需在烘干土中 添加适量纯净水搅拌均匀后再分 5 层夯击成样。试样 制备完成后，联合运用通 CO2和通无气水等方法进行 试样饱和，最终饱和度均可达到 95以上。 1.2 试样固结 针对空心圆柱试样，通过改变轴向荷载 W、扭矩 MT、外侧压力 po及内侧压力 pi的组合来实现固结和 剪切过程中的三向应力状态，可计算相应的大主应力 方向、中主应力系数 b、平均主应力 p、广义剪应 力 q、 偏应力比、 广义剪应变 g ， 本文广义剪应变 g  采用 z 和z 简化计算[4]。 试样固结时根据0，p0，0与 b0等参数控制初始 固结条件，计算所需要施加在试样体上的外荷载 pi0， p0，W0，MT0，控制 p0100 kPa，b00.5 和00.433， 初始大主应力方向角分别为 0，30，45，60， 90的条件下进行三向非均等固结。固结阶段施加的 荷载大小及其组合见表 1。 表 1 固结阶段所施加荷载大小及其组合 Table 1 Combinations of applied loads during consolidation 0/ pi0/kPa P0/kPa W0/kN MT0/Nm 0 116.67 92.86 0.118 0 30 108.33 96.43 0.059 1.791 45 100.00 100.00 0 2.068 60 91.67 103.57 -0.059 1.791 90 83.33 107.14 -0.118 0 1.3 实验控制应力路径 本次实验采用应力控制剪切，图 1（a）给出了本 次实验设计的应力路径，图中的虚线与实线分别表示 固结与剪切过程中的应力路径。在静力扭剪过程中， 控制平均主应力 p 和中主应力系数 b 保持不变，采用 0.15 Nm/min 的加载速率在不排水条件下施加扭矩。 不同初始大主应力方向角的实测剪切应力路径如图 1 （b）所示，可见，实验过程中实现了预先设计的应力 路径。由图 1 可见，在扭剪过程中因为只有扭矩线性 增加，所以主应力方向角也会在初始值的基础上发生 变化。 图 1 实验应力路径 Fig. 1 Stress paths during tests 2 实验结果及其分析 2.1 初始主应力方向角的影响 图 2（b） 、2（c） 、2（d）分别给出了在 3 种初始成 168 岩 土 工 程 学 报 2012 年 样含水率 w00，5，10条件下制备重塑粉土试样 的广义剪应力 q 与广义剪应变 g 关系曲线， 同时图 2 （a） 给出了原状样的实验结果，各图中均对比了不同初始主 应力方向角的实验结果。考虑将广义剪应变 5作为破 坏标准，故原状样实验仅到 5广义剪应变结束。为了 深入研究重塑试样大变形条件下结构变化趋势，重塑样 进行至 10广义剪应变结束。 由图 2（a） 、2（b）可看出，对于原状样和初始成 样含水率为 0 的干装法制备的重塑试样，初始主应力 方向角 α0对其应力应变曲线产生较显著影响，均呈如 下变化规律从小应变开始直到大应变，α0为 0的剪 应力最大，α0为 30、45、60的剪应力呈现依次 减小的趋势，α0为 90的结果最小。在实验的广义剪 应变范围内，原状样的应力–应变关系曲线均呈现应 变硬化的现象，初始主应力角不影响应变硬化的变化 趋势；干装试样的应力–应变关系曲线的趋势则与初 始主应力角有关，α0为 0时呈现应变硬化，其他情 况基本呈现应变软化后再硬化的趋势。由于初始主应 力角对变形特征的影响较显著，可认为原状样和干装 法重塑试样均表现出较显著的初始各向异性特征。 由图 2（c） 、2（d）可以看出，对于初始成样含 水率为 5和 10的湿装法制备的重塑试样，尽管两 者的曲线并不完全一致，但在固定初始成样含水率的 条件下， 初始主应力方向角 α0的变化对应力应变曲线 的影响均不太显著，无论是应变软化的基本趋势、还 是峰值点位置均比较接近。 在10广义剪应变范围内， 初始主应力方向的影响不显著，由于初始主应力角对 变形特征的影响较小，可以认为湿装法重塑试样均表 现出较显著的初始各向同性特征。但是在超过 10广 义剪应变以后初始主应力角的影响， 由于设备的限制， 大应变条件的实验尚待进一步研究。 分析试样体受力可知，在中主应力系数固定条件 下，1和3各自数值相同，径向2值也相同时，如果 固结时1方向在 0时，水平面和环向竖直面分别为 1面和3面，90时正好相反，进行扭剪实验，意味 着在水平面和环向竖直面上同时施加剪力。如果制备 的试样为初始各向同性，对于 0和 90初始主应力 角的试样，则应表现为相同或接近的应力与应变变化 趋势。由图 2 各图中 0和 90初始主应力角的实验 结果差异大小可以看出，原状样和干装样与湿装法试 样相比较呈现更加明显的各向异性特征。相对 w05，10湿装样而言，原状样 0和 90的实验 结果的差异最大接近 20 kPa， w00 干装试样最大也相 差 25 kPa，干装试样与原状样表现的各向异性特征比 较接近。相反，w05，10湿装法制备的试样在广 义剪应变为 10时分别相差约 9.5 kPa 和 7.3 kPa，可 见，湿装法制备的试样各向异性特征不太明显。 图 3 给出了原状样与重塑样在不同初始主应力方 向角条件的竖向应变z与剪应变 z 的关系曲线对比结 果，图 3 给出的竖向应变和剪应变全部为剪切过程产 生。由图 3 可见，扭剪实验过程中只增加扭矩保持竖 向荷载不变，原状试样在各种初始主应力角条件下基 图 2 原状样与重塑样的 q–γg关系曲线 Fig. 2 q––γg for intact and remolding specimens 第 1 期 郭 莹，等. 初始主应力方向对饱和粉土不排水剪切特性的影响 169 图 3 原状样与重塑样的z– θz 关系曲线 Fig. 3 Relation curves between z and θz  for intact and .remolding specimens 本不产生竖向应变，且明显小于重塑样结果。重塑试 样产生的竖向应变的大小则与初始主应力角和初始成 样含水率密切相关，当 α045时，试样基本不产生 竖向变形；当 α045时，重塑样产生的均是正的竖 向应变，此时土体单元所受竖向应力大于侧向应力， 试样处于竖向压缩状态；当 α045时，重塑样产生 的竖向应变均为负值，即产生拉应变，此时土体单元 的竖向应力小于侧向应力，试样处于竖向拉伸状态； α0为 0和 90的竖向应变以及 α0为 30和 60的 竖向应变基本以 α0 45呈现拉压对称分布。对比原 状样与不同初始含水率的重塑样，可以看出，对应于 相同剪应变和相同 α0时，w0 10湿装样的竖向应变 z最大，w05湿装样z次之，且均大于干装样，相 对而言，w010湿装样的各向异性特征不明显，与 前述实验结果的分析基本吻合。 由上述研究可看出，尽管干装夯实样与原状样的 实验结果依然存在较大差异，但由于粉土颗粒扁平状 结构和装样时形成的水平沉积面，导致干装夯实样具 有与原状样更为接近的各向异性特征，而湿装样因为 初始结合水的影响导致制备的试样具有较好的各向同 性性质。相对而言，干装夯实样的实验结果与原状样 更为接近，湿装夯实样与原状样的结果差距加大。因 此，科学实验研究与工程实验中应特别注意重塑试样 制备方法的选择， 有针对性地选用重塑试样制备方法。 2.2 初始成样含水率的影响 为了更清晰地对比初始成样含水率的影响，图 4 代表性地给出了初始主应力方向角 α0为 0，45， 90条件下，不同初始成样含水率制备的饱和试样的 广义剪应力和广义剪应变的实验结果对比，图中 yz 代表原状样，α0为 30，60结果的规律完全一致。 由图 4 可以明显看出，初始成样含水率对应力应 变关系产生相当显著的影响，以出现峰值或广义剪应 变 5作为破坏标准时，原状样的广义剪应力均大于 重塑试样。在初始主应力角相同条件下，重塑样随着 初始成样含水率的增加，应力–应变关系从应变硬化 向应变软化转化，峰值剪应力比较接近，其后相同广 义剪应变所对应的广义剪应力，按 w00干装样、 w05湿装样、w010湿装样的顺序呈明显降低的 变化趋势。说明相同夯击成样方法不同初始成样含水 率对应力–应变关系具有相当显著的影响，而且说明 不同初始成样含水率制备的同样密实程度饱和粉土的 初始结构具有显著差异。 图 5 代表性地给出了 α0为 0，45，90条件 下， 原状样和不同初始成样含水率重塑样的孔隙水压力 与剪应变的对比关系曲线，α0为 30，60结果的规 律基本一致。图 5 表明在单调扭剪过程中，原状样 孔压均先上升后下降，破坏时孔压均为负值，即呈现 先剪缩后剪胀，说明原状样处于较密实状态。相同密 实程度的重塑样和原状样的孔压结果存在很大的差 异，在剪应变发展初期孔压均快速增加，并完成孔压 终值的绝大部分，而后缓慢上升并趋于稳定。w00 干装法制备试样的孔压在出现峰值后也会呈现如同原 状样的孔压下降现象，但孔压下降量相对较小；这种 现象在 w05，10湿装法制备的试样中均未出现。 各种初始主应力方向角时，在剪应变很小时原状样与 重塑样的孔压值基本相同， 在 3剪应变之后， 相同 θz  170 岩 土 工 程 学 报 2012 年 情况下，呈现湿装样的孔压值最大，干装样孔压值次 之，原状样的孔压值最小的规律；而且 w010湿装 样的孔压值始终高于 w05湿装样的结果。可见，初 始含水率对孔压增长模式和孔压数值具有较大影响。 在 5 种初始主应力方向角条件下，图 6 给出了不 同初始成样含水率的重塑样的有效应力路径对比结 果。由图 6 可见，在单调扭剪过程中，对于干装样以 剪缩为主，后期部分出现剪胀趋势，存在较明显的相 变状态，以相变转换点绘出的破坏线斜率如图所示， 由斜率变化数值可见，随着初始主应力角的增加斜率 呈现逐渐降低的趋势。对于 w05，10的湿装样， 在各种初始主应力方向角 α0情况下，均发生剪缩，若 图 4 不同初始成样含水率 w0的 q– g 关系曲线 Fig. 4 Relation curves between q and g  with different w0 图 5 不同初始成样含水率 w0的 u–γz 关系曲线 Fig. 5 Relation curves between u and γz with different w0 图 6 不同初始成样含水率重塑土在不同 α0下的有效应力路径 Fig. 6 Effective stress paths with different α0 for different w0 of remolding specimens 171 岩 土 工 程 学 报 2012 年 以剪应力达到最小值确定其破坏线的话，该破坏线的 斜率大多数情况下与干装样的结果接近，可以认为这 样确定的有效应力强度指标， 3 种初始成样含水率对其 影响不大。湿装试样也基本上符合随着初始主应力角 的增加，有效强度逐渐降低的规律。因此，可以认为， 初始主应力方向角对有效应力强度指标有影响，初始 成样含水率对有效应力强度指标影响则不太显著。 3 结 论 （1）广义剪应力与广义剪应变的关系曲线表明， 原状样的应力–应变关系均表现出明显的硬化特征； w00干装样的应力–应变关系基本表现为硬化特 征；w05，10湿装样的应力–应变关系则表现出 明显的软化特征，初始含水率对试样的应力–应变关 系具有显著影响； 对于初始主应力方向角的影响程度， 干装样与原状样具有相似的规律， 相同广义剪应变时， 随着初始主应力角的增加，广义剪应力呈现逐渐降低 趋势，反映了各向异性的性质；而 w05，10湿装 样的结果均显示出与初始主应力方向角关联度降低的 趋势，间接说明湿装样的各向异性特征不明显。 （2） 初始主应力方向角和初始成样含水率对重塑 饱和粉土竖向应变z的发展、孔隙水压力增长以及有 效应力路径具有较为显著影响。在相同的 α0情况下， 原状样的z明显小于重塑样；对应于相同的 θz ， w010湿装样的z最大，w05湿装样的z次之， w00干装样z最小。以 45为基本对称，分别随着 主应力角的降低和增大竖向应变呈现逐渐增大的趋 势。在单调扭剪过程中，原状粉土均经历了从剪缩到 剪胀状态的转化；对于干装样，粉土先发生剪缩，后 期出现剪胀趋势，存在相变状态；湿装样在各种 α0 情况下，只出现剪缩趋势，初始成样含水率对饱和粉 土的剪胀性有一定影响。初始主应力方向角对有效应 力强度指标有影响，初始成样含水率对有效应力强度 指标影响则不太显著。 （3） 相对而言， 干装夯实样具有与原状样更为接 近的各向异性特征，而湿装夯实制备的试样具有较好 的各向同性性质。干装样的实验结果与原状样具有更 好的相似规律，湿装样与原状样的结果差距加大。因 此，科学实验研究与工程实验中应特别注意重塑试样 制备方法的选择。为模拟原状样而进行的粉土室内实 验，干装样更适合。 参考文献 [1] YOSHIMINE M, ISHIHARA K, VARGAS W. Effects of principal stress direction and intermediate principal stress on undrained shear behavior of sand[J]. Soils and Foundations, 1998, 383 179–188. [2] 付 磊, 王洪瑾, 周景星. 主应力偏转角对砂砾料动力特 性影响的实验研究[J]. 岩土工程学报, 2000, 224 435– 440. FU Lei, WANG Hong-jin, ZHOU Jing-xing. Effect of the initial rotation angle of principal stress on the dynamic properties of soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2000, 224 435–440. in Chinese [3] 郭 莹, 栾茂田, 史旦达, 等. 初始应力条件对松砂动力变 形特性影响的实验研究[J]. 岩土力学, 2005, 268 1195– 1200. GUO Ying, LUAN Mao-tian, SHI Dan-da, et al. Experimental study on effect of initial stress condition on dynamic behavior and deation parameters of loose sands[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005, 268 1195–1200. in Chinese [4] 郭 莹, 栾茂田, 许成顺, 等. 主应力方向变化对松砂不排水 动强度特性的影响[J]. 岩土工程学报, 2003, 256 666-670.GUO Ying, LUAN Mao-tian, XU Cheng-shun, et al. Effect of variation of principal stress orientation on undrained dynamic strength behavior of loose sand[J]. Chinese Jounal of Geotechnical Engineering, 2003, 256 666–670. in Chinese [5] 栾茂田, 许成顺, 郭 莹, 等. 静力和动力组合应力条件下 饱和松砂变形特性的实验研究[J]. 土木工程学报, 2005, 383 82–88. LUAN Mao-tian, XU Cheng-shun, GUO Ying, et al. An experimental study on the deation characteristics of saturated loose sand under coupled static and dynamic combined stress conditions[J]. Chinese Civil Engineering Journal, 2005, 383 82–88. in Chinese [6] 郭 莹, 王跃新. 原状与重塑粉土固结不排水剪切特性的 对比实验研究[J]. 水 利 学 报 , 2011, 421 68–75. GUO Ying, WANG Yue-xin. Comparative test study on consolidation un-drained shear characters of undisturbed and remolding silt[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2011, 421 68–75. in Chinese [7] 张坤勇, 殷宗泽, 梅国雄. 土体各向异性研究进展[J]. 岩土 力学, 2004, 259 1593–1509. ZHANG Kun-yong, YIN Zhong-ze, MEI Guo-xiong. Development of soil’s anisotropy study[J]. Rock and Soil Mechanics, 2004, 259 1593–1509. in Chinese [8] SUSHIL K C, JIRO K. Effects of initial fabric and shearing direction on cyclic deation characteristics of sands[J]. Soils and Foundations, 2002, 421 147–157. [9] GUO Ying, WANG Yue-xin. Experimental study about the influence of initial water content in wet tamping on static triaxial test results of silt[J]. Electronic Journal of Geotechnical Engineering, 2009, 14E.