粘性土三轴剪切试验的实质应力和破坏条件分析

李栋

摘要：粘性土具有压缩强度大、拉锁强度小的突出特征。作为粘性土实质特性研究的重要方式，三轴剪切实验能过实现其实质应力和破坏条件的有效分析。本文在阐述三轴剪切实验应用原理的基础上，从总应力表示和实质应力表示两个角度对三轴剪切实验的应力路径的进行分析；以期有利于人们对粘性土实质应力和破坏条件把握水平的提升，进而推动相关工程建设的规范发展。

关键词：粘性土；三轴剪切实验；实质应力；破坏条件

粘性土是工程建设的常见土体材料之一，其在压硬性和剪胀性等方面的力学特征尤为突出。然天然沉积的粘性土在应力状态上处于不等压固结状态，一旦受到外部作用，其必然在初始应力各向异性的影响下，产生一定的强度改变和变形破坏，对工程的建设造成影响。基于此，进行粘性土实质应力和破坏条件的分析已成为粘性土基础工程建的重要问题。目前，三轴剪切试验是实现这些特性分析的有效手段，本文就此展开分析。

一、三轴剪切实验的应用原理

作为一种抗剪强度实验，三轴剪切实验以三轴仪为基础，通过对某一固定试样增加轴向压力，探究其实质应力强度和破坏条件的实践过程中。实践过程中，人们也将其称为三轴压缩实验，其中摩尔-库伦强度理论是其实验设计的重要支撑。具体而言，在三轴剪切实验中，其假定某一土体试样处于平衡状态，则其必然存在三种相互垂直的应力δ1、δ2和δ3，且其受力方向分别为x、y和z，同时与三个主应力垂直垂直的作用面分别称为大主应力面、中主应力面和小主应力面。此时，在试样上进行轴向主应力δ1的增强，再不改变其它应力的状况下，使得土样的剪应力不断增大，直至破坏；由此，破坏时刻的应力值为土块试样的最大抗剪强度值，同时，实验人员也实现了试样破坏条件的具体把握。

二、通过总应力进行三轴实验应力路径表达

初始应力状态标准下，重塑土和原状土试样的三轴剪切试验是三轴实验的两种基本形态[1]。相比而言，原始场地转移和初始应力状态缺失是重塑土的基本特征；而原状土试样的三轴剪切实验以原始场地为基本载体，即其处于不等压固结状态，静止侧压力的系数Ｋ0不等于1。传统三轴剪切实验过程中，实验人员对于这两者的初始应力状态没有进行精确区分，在ｐ－ｑ坐标体系下，两者的表示方法具有相似性，具体应力表达路径如下图1：

图1以总应力表达三轴试验应力路径

结合其应力表达路径可知，若以p为常数，其三轴试验以PTC表达；而侧向减压和侧向增加的三轴实验分别以RTC和CTE表示；同时PTE代表了三轴伸长剪切实验，RTE代表了轴向减压剪切实验。在图一中，就线路破坏的斜率而言，增压破坏线路的斜率明显高于拉伸破坏线路的斜率；即压缩对黏土造成的破坏高于拉伸破坏。

三、通过实质应力进行三轴试验应力路径表达

传统应力路径表达难以实现三轴剪切实验相关数据的高精度表达，故而在实践中，人们引入以实质应力进行三轴剪切实验应力路径表达的方式，对于粘性土特性的精确把控具有重大影响。

1.实验过程设计

在实质应力表达过程中，若将三轴剪切实验的ｐ-q坐标系统进行平移和旋转，即可实现新坐标系p’-q’的有效获得。在新坐标系统下，其初始的不等压固结状态以原点K0代替。选取ｐ－ｑ坐标系统中的受力点B（1+2K0）γｚ/3，（1-K0）γｚ）进行选择，不难发现，其相应的压破线路和拉破线路也发生了改变。

通过实质压力进行三轴实验应力路径表达过程中，初始向异性状态下的拉压状态被得以考虑和表达，并且，在实验中，静土侧压力系数、样土重度、土样的土层深度、内摩擦家、平均主应力、粘聚力等因素具备纳入考虑范围，有效的确保了其实质应力和破坏系数计算的准确性。

另外，在经过斜率，拉作用力、压破坏力在ｐ－ｑ坐标系中截距的计算，实验人员可以实现初始应力值考虑下，三轴压缩试验和三轴拉伸试验中，大、中、小主应力值δ1、δ2、和δ3的准确表达。

在坐标轴平移旋转后，其对应的p’-q’坐标系统中，也必然存在相应的围压和轴压，此即为三轴剪切实验的实质围压和轴压；同时其也是人们所指的实质应力。在该系统下，实质应力中的各向异性被充分考虑，此时，三轴压缩实验和拉伸实验的结果可通过公式和进行表示。同时在分析三轴压缩实验和三轴拉伸实验实质压力及稳压的基础上，其相关的破坏系统被充分的予以线性表达。

对于粘性土质而言，其三轴剪切实验线性关系下的计算数值仅为一个近似值，同时，初始不等压固结状态下的K0值也各不相同。对于固结压力较大的三轴剪切实验而言，其真实的压破坏线和拉破坏线处于近似曲线状态。

2.实验数据分析

根据实质应力基本内涵对实验数据进行分析可知：对常规三轴实验而言，一旦原状试样去除，其试样前的应力得以解放，即黏土试样受到了一定的荷载作用，然而在经过等压固结后，其应力条件与初始的各向异性出现偏差，因而符合实质应力的作用状态。从实验过程来看，粘性土在三轴剪切实验中表现出以下特征：

其一，当主应力轴进行旋转和平移时，其相应的强度会发生变化；具体而言，当最大主应力轴从竖向旋转到水平方向时，其压缩状态逐渐变为拉伸状态，此时，黏土的不排水强度会有所降低，其影响比例大约为32.3%。其二，三轴剪切实验表明，黏土的压缩和拉伸都会产生一定的结构破坏，而压缩破坏强度明显高于拉伸破坏强度。其三，三轴剪切实验中，拉力破坏线与压缩破坏线与P轴正向相交，然而在常规应力路径中，其很难实现这一问题的充分解释与表达；而在实质应力表达三轴剪切实验应力路径的图像中，一旦初始不等压固结状态下的K0值达到一定条件，p-q坐标系与p’-q’坐标系的平移距离也会不断扩大，由此，两者必然后再p轴的正方向上进行相交。

3.实验结果

粘性土三轴剪切试验表面：就抗剪强度而言，重塑土和原状土具有明显差异，究其根本在于试验前期，两者的应力状态改变程度不同；并且，在受压破坏强度上，原状试样的破坏强度明显高于重塑试样，而在拉力破坏中，原状试样的破坏强度低于重塑试样。

结论

三轴剪切实验是进行黏土实质应力和破坏条件分析的有效手段。其在考虑黏土试样不等压固结状态霞初始应力的基础上，验证分析表明：实质应力对于黏土土质的屈服和破坏具有重大影响。实践过程中，工程建设人员只有充分认识到三轴剪切实验应用的必要性，并按照严格、规范的控制措施，通过其对基础地质进行实质应力和破坏条件分析，才能有效的提升人们对工程建设基础条件的把握水平，从而推动相关工程建设的规范发展。

参考文献：

[1]司马军，胡爽子，王智超.武汉天然老黏性土的压缩和剪切特性试验研究与数值模拟[J].水利与建筑工程学报，2016（1）：78-84.