饱和粉土三轴等p应力路径试验特性研究

王 欢，刘晓强

(交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456)

随着我国基础设施建设的蓬勃发展，对不良的各类地基进行研究处理成为工程建设中面临的重要课题。《岩土工程勘察规范》[1]规定：粒径大于0.075 mm，颗粒含量等于或小于总质量的50%，塑性指数小于或等于10的土，称之为粉土。粉土黏粒含量低、粉粒含量高、级配均匀、结构松散、很难压实、属不良地基[2]，建成后的粉土地基处于非饱和状态，在内(粉土的颗粒物质成分、粉土的物理状态等)外(降雨、地下水等)因素的共同作用下，极易发生灾害[3]，应进行防治，在使用过程中受荷载比较复杂，因此研究饱和粉土的拉伸试验和压缩试验的抗剪强度具有重要意义。

宋丹青等[4]研究了饱和粉土变形特性三轴试验，分析了粉土干密度、初始制样含水率和围压对饱和粉土强度的影响；王洪绪等[5]进行了江苏沿海饱和粉土三轴试验的研究，探讨了各类指标间相互关系；吴瑞潜，张少龙等[6]研究重塑粉土抗剪强度特性受剪切速率的影响规律；Y. GUO等[7]分析初始含水率对重塑饱和粉土各向异性行为的影响；吴波、孙德安等[8]研究非饱和粉土的液化特性研究，探讨了饱和度、动应力比及固结围压对非饱和粉土动力强度特性、液化特性及孔压特性的影响；阮永芬等[9]分析饱和粉土的若干动力特性研究，分析粉土的动力特性；田竞等[10]分析了饱和粉土动应力与动应变与动强度的影响因素；张更生[11]关于粉土固化室内试验的结果进行分析；贺海涛[12]针对某高速公路的路基粉土填料，开展了控制基质吸力的三轴试验，探讨了基质吸力与抗剪强度参数的关系；安鸿飞等[13]关于粉土路基压实质量进行研究分析；Ji-chao ZHang等[14]分析饱和粉砂土地基防护技术研究与应用；邓雷飞[15]，林高杰等[16]对吹填粉土地基进行研究。许多学者[17-22]对粉土路基施工技术进行分析,研究成果为粉土路基施工提供资料。不同应力路径下粉土力学特性变化不同，本文基于粉土结构的特殊性，对比三轴试验等p应力路径的压缩与拉伸过程的各参数变化值，了解饱和粉土拉伸试验与压缩试验的力学性质变化。

文章主要应用振动三轴试验系统对饱和粉土进行不同干密度试样的等p拉伸和等p压缩的应力路径试验，分析应力、应变及孔隙水压力变化规律，研究粉土试验过程中变化特性及产生原因，研究结果可以为粉土特性研究及工程防治提供帮助。

1 三轴等p应力路径试验

1.1 试验设备

试验设备采用振动三轴试验系统DYNTTS，利用计算机进行试验过程的控制及试验数据的采集，从而使试验结果有很高的精确度，主机系统可以对轴向位移或轴向力实行控制。整套系统包括：三轴压力室，内置一体化轴向驱动器，8通道数据采集系统，10 kN内置荷重传感器，孔压传感器，位移传感器、围压、反压控制器。设备可以按照用户定义的应力路径完成三轴试验，全面研究应力变化过程对土的力学性质的影响。

1.2 试验制样

试验粉土试样所需干密度分别定为1.67 g/cm3和1.56 g/cm3，对应的压实度分别为96%和90%，为地基压实处理中的取值范围，试样的最优含水率为13.83%。首先将所取粉土试验土体在烘箱内烘干，将一定质量的水均匀喷洒于土样中并充分搅匀，置于保湿缸中24 h以保证土样中水分均匀，从而得到特定含水率的试验样品，根据设定的干密度计算出该含水率条件下所需的土样质量，并采用仪器配套的击实器分层击实制样。

1.3 饱和方法

试样直径为3.91 cm，高度为8 cm，首先采用水头饱和方法在仪器上对试样进行水头饱和，直到进水量与出水量相等。

采用仪器配套控制器施加围压和反压，进行反压饱和，反压饱和即反压力饱和，相当于孔隙压力而言，是在试验过程中人为的将孔隙压力提高一定程度，使土样孔隙中的空气在压力的作用下溶于孔隙水，使土样尽可能达到饱和[23]。维持反压保持一段时间，直到反压控制器体积不变，进行B值检测，保证B值在0.95以上。

1.4 加载方式

试验围压为100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，试验内容见表1所示。以土样轴向变形及排水量稳定作为固结完成的标准。固结完成后进行不排水条件下的应力路径等p拉伸(TE)、等p压缩试验(TC)，剪切速度为应变±0.1%/min，每个围压下试验的结束条件为轴向应变不小于15%。

表1 试验方案Tab.1 Experiment scheme

2 结果分析

试验中通过各种传感器与软件自动量测系统记录试验过程中应力、应变、孔压等的变化过程；图1～图6为不同干密度粉土剪切过程中的参数变化，图中不同的曲线分别代表不同的试验条件。

2.1 应力特性分析

应力-应变关系受密度、应力路径等诸多因素影响，图1、图2给出了两种干密度粉土四种围压条件下等p拉伸和等p压缩应力路径试验的应力-应变关系曲线。

拉伸试验中，粉土的应力随应变的增大先减小后增大最后趋于稳定，其中干密度小的粉土应力峰值集中出现在小应变处，随后迅速变化趋于稳定，干密度大的粉土应力峰值晚于较干密度小的粉土出现，之后缓慢趋于稳定，表现为干密度小的粉土结构不稳定，破坏较快，更容易受到扰动，干密度大的粉土更具有稳定性。

压缩试验中，干密度小的粉土随应变的增大应力先增大后减小，稳定值相同，干密度大的粉土随应变的增大，应力先增大后趋于稳定且围压越大稳定值越大。

拉伸试验和压缩试验中相同围压条件下粉土越密实应力峰值越大，这是因为粉土结构越密实，抗压能力越强。同种粉土拉伸或压缩试验，围压越大应力峰值越大，这是由于围压改变粉土颗粒微观结构，使土颗粒排列更加紧密，抵抗外部荷载变形的能力提高，抗拉或抗压强度增强[4]。

图1 拉伸试验 (应力-应变)Fig.1 Stress-strain of tensile test图2 压缩试验(应力-应变)Fig.2 Stress-strain of compression test

2.2 孔隙水压力分析

为了解粉土剪切作用下孔压的变化过程，绘制孔压随应变的变化曲线，如图3、图4所示。

干密度小的粉土的拉伸试验和压缩试验孔压曲线变化趋势相同，都是开始上升之后趋于平稳且相同粉土同种试验围压越高相同应变对应的孔压越高。这与试样的受力情况相关，粉土受拉或受压很快达到破坏应力迅速减小，等p试验使得围压变大，粉土土颗粒间空隙大孔压迅速上升直至稳定。

干密度大的粉土的拉伸试验和压缩试验孔压的曲线都会出现一个峰值即粉土破坏时最大应力对应的孔压值，且同种试验围压越大，相同应变对应的孔压越大。拉伸试验孔压出现峰值后缓慢上升，原因为试验过程应力缓慢下降等p试验使围压缓慢上升，孔压随围压变化。压缩试验孔压出现峰值后逐渐趋于平稳，原因为压缩试验时应力由小变大之后平稳，等p试验使围压保持稳定不变，孔压随之稳定。

图3 松散粉土(孔压-应变)Fig.3 Pore pressure-strain of loose silt 图4 密实粉土(孔压-应变) Fig.4 Pore pressure-strain of dense silt

2.3 有效应力比分析

剪切过程中粉土有效应力比随应变的变化规律如图5、图6所示。

拉伸试验，有效应力比小于1，趋势由大变小趋于稳定，相同围压下粉土结构越密实有效应力比越大。干密度小的粉土有效应力比最后稳定值为0，干密度大的粉土有效应力比稳定值为0.4。

压缩试验，有效应力比最大值大于1。干密度小的粉土有效应力比随应变的增长快速达到峰值之后迅速下降为0附近。干密度大的粉土有效应力比随应变的增加趋于稳定，有效应力比随围压的增大而减小，相同围压下粉土结构越密实有效应力比越大。

图5 拉伸试验(有效应力比-应变)Fig.5 Effective stress ratio-strain of tensile test图6 压缩试验(有效应力比-应变)Fig.6 Effective stress ratio-strain of compression test

3 结论

本文对饱和粉土进行分析，进行三轴等p应力路径试验，得出以下结论：

(1)拉伸试验粉土的应力随应变的增大先减小后增大，最后趋于稳定，干密度小的粉土应力峰值出现较早，干密度大的粉土应力峰值出现偏晚，表现为结构越密实粉土更具稳定性不易受扰动。压缩试验干密度小的粉土随应变的增大，应力先增大后减小，稳定值相同，干密度大的粉土随应变的增大，应力先增大后趋于稳定且围压越大稳定值越大。拉伸试验和压缩试验中相同围压条件下粉土越密实应力峰值越大。同种粉土拉伸或压缩试验，围压越大应力峰值越大。

(2)干密度小的粉土的拉伸试验和压缩试验孔压曲线变化趋势相同，开始上升之后趋于平稳且相同粉土同种试验围压越高相同应变对应的孔压越高。干密度大的粉土的拉伸试验和压缩试验，孔压的曲线都会出现一个峰值且同种试验围压越大相同应变对应的孔压越大。

(3)拉伸试验有效应力比和应变关系中，有效应力比小于1，趋势由大变小趋于稳定，相同围压下粉土结构越密实有效应力比越大。压缩试验有效应力比和应变关系中，有效应力比最大值大于1。干密度小的粉土有效应力比随应变的增长快速达到峰值之后迅速下降为0附近。干密度大的粉土有效应力比随应变的增加趋于稳定，有效应力比随围压的增大而减小，相同围压下粉土结构越密实有效应力比越大。