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应力路径试验分析

2025年04月03日 11:28

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网友（1）：

三轴试样由压密到破坏可分为弹性压密、屈服和破坏三个阶段。

1）弹性压密阶段：主应力差较小时，应变不大，砂粒被挤得更趋紧密，侧向的变形也不明显（图4.8）。

图4.8 三轴试验压密过程

2）屈服变形阶段：主应力差再增大，试件进入屈服阶段，轴向应变逐渐加快增大，试件开始出现较大变形，表现为轴向压缩而侧向鼓胀（图4.9）。

图4.9 三轴试验屈服过程

3）破坏阶段：当主应力差达到一个峰值后，这个峰值为风积砂的峰值强度a，应变已经较大，土的结构也变得松弛，轴向压缩和鼓胀加剧，主应力差无法再增大而逐渐开始下降并趋向于一个稳定值，这个稳定值也就是风积砂的残余强度b。可明显观察到试样有呈45°左右的破坏面。此时试样变形和轴向应变都很大，试件进入破坏阶段（图4.10）。

图4.10 三轴试验破坏过程

本节试验处理中应力路径采用以p＝（σ_a＋σ_c）/2和q＝（σ_a-σ_c）/2为坐标的普通应力路径表达，用来确定不同条件下砂土的强度参数。而在前面确定临界参数时则采用三维八面体应力表达，即以p＝（σ_a＋2σ_c）/3和q＝（σ_a-σ_c）为坐标的三维应力路径表达。根据实验结果整理出两种典型应力路径的结果如下所述。

4.2.3.1 常规三轴应力路径试验分析

（1）干砂

三种不同密度的干砂在p-q平面中的应力路径如图4.11～图4.13所示。

图4.11 1.53g/cm³CTC应力路径图

图4.12 1.60g/cm³CTC应力路径图

图4.13 1.70g/cm³CTC应力路径图

不同干密度条件下沙漠砂CTC应力路径试验结果见表4.3。通过表4.3可以看出，不同干密度情况下，随着干密度的增加，内摩擦角随之增大，但增幅有限；同时由于细砂颗粒较细，因此颗粒之间咬合较弱使黏聚力C为0。

表4.3 CTC应力路径下干砂强度参数

（2）非饱和砂

非饱和砂（1.53g/cm³）在p-q平面中的应力路径如图4.14所示。

非饱和砂（1.60g/cm³）在p-q平面中的应力路径如图4.15所示。

图4.14 1.53g/cm³CTC应力路径图

图4.15 1.6g/cm³CTC应力路径图

不同干密度条件下不同饱和度非饱和沙漠砂CTC应力路径试验结果见表4.4。从表4.4可以看出，相同干密度情况下，随着饱和度的增加，内摩擦角随之减小，但饱和度越大则减幅越小；同时由于饱和度小于100％，因此颗粒之间孔隙毛细效应使黏聚力不为0，随着饱和度的增加，黏聚力随之有所减小。在不同干密度情况下，干密度越大，一方面会导致内摩擦角有所增大，另一方面会导致有效孔隙减小，因此相应的毛细黏聚力亦有所增大。

表4.4 CTC应力路径下非饱和砂的强度参数

对比表4.3和表4.4可知，干砂的内摩擦角大于非饱和砂的内摩擦角约2°～3°，这是由于干砂较为粗糙使砂粒间内摩擦力较大，而非饱和砂中有一部分水起了润滑作用使内摩擦力有所减小。

（3）饱和砂

饱和砂（1.60g/cm³）在p-q平面中的应力路径如图4.16所示。应力应变曲线以p＝（σ_a＋2σ_c）/3和q＝（σ_a-σ_c）为应力坐标来表达，相应的应力应变及体应变曲线如图4.17～图4.22所示。砂土属于中密状态，应力应变有软化现象出现。

图4.16 1.6g/cm³S_r＝100％CTC应力路径图

图4.17 风积砂1.60g/cm³围压100kPa条件下qεs曲线

图4.18 风积砂1.60g/cm³围压100kPa条件下εsεv曲线

图4.19 风积砂1.60g/cm³围压200kPa条件下qεs曲线

图4.20 风积砂1.60g/cm³围压200kPa条件下εsεv曲线

图4.21 风积砂1.60g/cm³围压300kPa条件下qεs曲线

图4.22 风积砂1.60g/cm³围压300kPa条件下εsεv曲线

1.60g/m³干密度条件下饱和沙漠砂CTC应力路径试验结果见表4.5，对比表4.3、表4.4和表4.5可知，干砂的内摩擦角大于非饱和砂的内摩擦角约2°～3°，而非饱和砂内摩擦角亦大于饱和砂的内摩擦角，说明饱和砂中水的润滑作用大于非饱和砂。

表4.5 CTC应力路径下饱和砂的强度参数

饱和砂（1.60g/cm³）在100kPa、200kPa、300kPa围压下的加卸载循环试验相应的应力应变曲线如图4.23～图4.25所示，砂土属于中密状态，随着围压的增大，砂土的压硬性是明显的，当然荷载越大残余应变也越大。

4.2.3.2 拉伸三轴应力路径试验分析

饱和砂（1.60g/cm³）在p-q平面中的拉伸应力路径如图4.26所示。应力应变曲线以p＝（σ_a＋2σ_c）/3和q＝（σ_a-σ_c）为应力坐标来表达，相应的应力应变及体变曲线如图4.27～图4.29所示，试验结果较为合理，表明改进的三轴拉伸设备是成功的。

图4.23 100kPa围压的qεs曲线

图4.24 200kPa围压的qεs曲线

图4.25 300kPa围压的qεs曲线

图4.26 p-q曲线图

图4.27 qε_s曲线

图4.28 qε_s曲线

图4.29 qε_s曲线

1.60g/m³干密度条件下饱和沙漠砂RTE应力路径试验结果见表4.6，对比表4.5和表4.6可知，同样干密度条件下饱和砂的内摩擦角差异大约3°，表明应力路径不同会导致土体强度特性有较大差别，三轴拉伸处于轴向卸载，试样被挤长，颗粒间咬合作用基本丧失，因此，导致了RTE应力路径条件下饱和砂的内摩擦角小于CTC应力路径下的内摩擦角。

表4.6 RTE拉伸应力路径下的强度参数

4.2.3.3 应力路径试验分析汇总

根据以上试验结果确定不同密度、不同饱和度、不同应力路径条件下砂土的强度参数见表4.7。从表4.7可以看出相应的规律：密度越大，内摩擦角越大；饱和度越低，内摩擦角越大，等效黏聚力也越大，但最大为11.74kPa；相对于常规三轴试验，三轴拉伸条件下内摩擦角有所降低。

表4.7 应力路径处理的干砂、非饱和砂、饱和砂的强度参数汇总

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