（道路与铁道工程专业论文）考虑应力路径变化的路基土的力学特性研究及工程应用.pdf

摘要 摘要 8 0 年代以来，随着我国公路建设的迅猛发展，在不良地质地区兴建公路日益 增多。对于这些土质路基，如何处理路基底部地基、填筑路堤以及进行开挖路堑 时的边坡防护就成了制约交通投资和施工工期的重要因素。目前路基的设计和施 工方案基本都是根据路基土体的初始和工后的应力状态，而没有考虑施工的过程 中土体的应力变化过程，结果往往会与实际情况产生较大的偏差，为此，本文尝 试采用应力路径分析方法，以更好地模拟工程实际。 首先，本文系统地总结分析应力路径变化对土的抗剪强度、土的应力一应变关 系及变形特性的影响，结果表明：由于加载的应力路径不同，土体表现出来的剪 切性状也不一样，土的总应力抗剪强度指标大小有所差异；应力路径变化对土的 应力应变关系和变形有着明显的影响。 其次，本文归纳总结了应力路径原理在分析地基的稳定性和沉降计算中的应 用的各种理论，探讨了有关应力路径分析方法在路堤填筑和路堑边坡工程中的应 用理论。 第三，本文结合典型路基工程包括地基沉降、路堤填筑、压实以及边坡开挖 等实例进行了计算分析，初步论证本文中阐述的应力路径原理和理论在路基工程 中应用的正确性。 利用应力路径原理在路堤填筑和路堑边坡开挖工程中的应用的理论还处于初 步探讨阶段，还有待于在室内试验和实际设计、施工中进一步论证和深化。 关键词：应力变化；应力路径；力学特性；路堤填筑：路堑边坡开挖 a b s t r a c t i i a bs t r a c t s i n c et h e19 8 0 s ，a sr a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h w a yc o n s t r u c t i o ni nc h i n a ，t h e c o n s t r u c t i o no fh i g h w a y si n c r e a s i n g l yi n c r e a s ei nb a dg e o l o g i c a lg r o w i n g i tb e c o m e sa i m p o r t a n tf a c t o rh o wt o t r e a tf o u n d a t i o nu n d e rs u b g r a d ea n dp r o t e c ts l o p eo nf i n e m b a n k m e n ta n de x c a v a t i o nc u t ，a n dr e s t r i c t st r a f f i ci n v e s t m e n ta n dc o n s t r u c t i o np e r i o d f o rt h es o i ls u b g r a d e a tp r e s e n t ，t h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o np r o g r a m m eo fs u b g r a d e a r eb a s e do ns t a t eo fi n i t i a la n dc o m p l e t es o i ls t r e s so nt h ew h o l e ，w i t h o u tt a k i n gi n t o a c c o u n tp r o c e s sa b o u ts t r e s sc h a n g ei nt h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i o n ，s o t h ea c t u a l s i t u a t i o nw i l lh a v eag r e a t e rd i f f e r e n c e t h e r e f o r ，t h i sp a p e ra t t e m p t st ou s es t r e s sp a t h a n a l y s i sm e t h o d s ，i no r d e r t ob e a e rs i m u l a t ea c t u a lp r o j c o t s f i r s t l y t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l yg e n e r a l i z e dt h ei m p a c to fs t r e s sp a t hv a r i e t yf o r s h e a rs t r e n g t h ，c o n s t i t u t i v er e l a t i o na n dd e f o r m a t i o no fs o i l t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：a s t h ed i f f e r e n tp a t ho fs t r e s sl o a d t h es h e a rc h a r a c t e r so fs o i la r ed i f f e r e n t ，a n dt h et o t a l s t r e s ss h e a rs t r e n g t ho fs o i li sv a r y ；s t r e s sp a t hv a r i e t yi sad i s t i n c ti m p a c tf o r c o n s t i t u t i v er e l a t i o na n dd e f o r m a t i o no fs o i l s e c o n d l y , t h i sp a p e ra l s oi n e x t e n s oa n ds y s t e m a t i c a l l yg e n e r a l i z e dt h ev a r i o u st h e o r i e s w h i c ha r ea p p l i e dt os t a b i l i t ya n a l y s i sa n ds e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n so ff o u n d a t i o n , a n d f u r t h e rd i s c u s s e dt h ea p p l i c a t i o nt h e o r ya b o u tt h es t r e s sp a t ha n a l y s i sm e t h o dw i t h e m b a n k m e n tf i l la n dc u ts l o p ec o n s t r u c t i o n t h i r d l y , i nt h i sp a p e r , t y p i c a l l ye x a m p l e so ft h es u b g r a d ec o n s t r u c t i o n i n c l u d e f o u n d a t i o ns e t t l e m e n t ，e m b a n k m e n tf i l l ，c o m p a c t i o n ，a sw e l la se x c a v a t i n gt h es l o p e w e r ec a l c u l a t e da n a l y s i s a tt h es a m et i m e ，t h ec o r r e c t n e s so ft h et h e o r yt h a ts t r e s sp a t h p r i n c i p l ea p p l i c a t i o ni ns u b g r a d ec o n s t r u c t i o nw a s d e m o n s t r a t e d t h et h e o r yt h a ts t r e s sp a t hp r i n c i p l ei ne m b a n k m e n tf i l la n dc u te x c a v a t i o ni ss t i l li n t h ef u r t h e re x p l o r a t o r ys t a g e ，a sw e l la s ，t h ee x i s t i n gt h e o r i e sw i l lb ef u r t h e rd e e p e n e d a n dd e m o n s t r a t e db yt e s ti nt h er o o m ，a c t u a ld e s i g na n dc o n s t r u c t i o na n df e a s i b i l i t y s t u d i e s ，a n df u r t h e rd e e p e n k e yw o r d s ：s t r e s sv a r i e t y ；s t r e s sp a t h ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；e m b a n k m e n tf i l l ； c u t - s l o p ee x c a v a t i o n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：计弘钞 日期：沙诉年中月j 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名： 私参钞 日期：川年垆月；日 指导教师签名： 铷 日期：磅l f 月弓日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 我国高等级公路建设目前正处于飞速发展的时期，由于地质条件复杂多样， 这就使得现行路基工程常遇到高填方软土、膨胀性土、湿陷性黄土、盐渍土、冻 土、可液化土等不良地质条件，对于这些土质路基，如何处理路基底部地基、填 筑路堤以及进行开挖路堑时的边坡防护就成了制约交通投资和施工工期的重要因 剥1 1 。 路基底部处理是当天然地基承载力不能满足路堤对地基的要求时，需要对天 然地基进行地基处理，形成人工地基，以满足路堤对地基的要求。地基承载力主 要是与土的抗剪强度有关，确定地基承载力的方法有很多种，有理论法、规范法 和原位测试法。前两种方法是按照理论公式进行计算，往往会与实际产生较大的 误差。原位测试法虽然和实际比较吻合，但是只能求出总的承载力，而施工过程 中的承载力无法知道，而实际施工过程中有时需要知道地基的相应承载力，以保 证施工安全的进行。 在平原地区修建公路时，路堤是比较常用的路基形式。在一些地区经常会出 现高填方路堤。路堤的填筑需要把握好两个关键问题：每次填筑的高度和碾压方 式。目前在施工过程中是首先确定一个试验段进行填筑试验，通过不断的摊铺碾 压和检测来达到填筑要求，这些主要是根据相应的规范加经验来判断。规范只是 针对有限范围的工况而制定的，经验则适合更有限的工况，而且这些工作都只考 虑试验路段的初始和最后的应力状态。而没有考虑填筑过程中路堤的应力变化过 程。而非试验路段虽然初始和最后应力状态一样，但是摊铺、碾压过程中的应力 变化和试验段的可能有一定的差别。都按照试验路段一样的填筑方式可能会影响 部分路堤的稳定性。 在土质丘陵地区修建公路时，往往需要开挖山体形成路堑。而路堑边坡的开 挖和防护是其中的主要问题。影响边坡稳定性的因素很多，大体上可分为内在因 素和外在因素两个方面，内在因素有组成边坡土体的成因类型、结构、构造。土 的物质组成和物理力学性质，外在因素是指边坡所处的地质地貌与水文环境，如 地貌单元和微地貌特征、地下水的条件、地表水作用、风化作用、地震和震动作 用、以及由于人类活动因素，包括开挖速度、开挖方式等。边坡土体的力学参数 和稳定状态不仅难以确定，而且也不是一成不变的，受到降水、开挖等因素的影 响，不良地质边坡更是如此。因此，需要在施工过程中实时监测土体的应力、应 变变化过程，来获得真实的土体参数、实时判断土体是否处于稳定状态【2 1 。 第一章绪论 2 综上所述，目前路基的设计和施工中还存在许多亟待解决的问题，如果在分 析或设计过程中考虑应力路径对土的力学特性的影响，则能更好地解决上述问题。 应力路径就是土体受力、发生、发展和变化得过程，这一过程实际就是一条应力 变化轨迹线。室内试验和工程实践都表明，不同应力路径下对土的强度、变形、 本构关系都会产生很大的影响，而土的强度与变形特性又直接影响到路基的基层 与垫层的力学特性，这也直接影响到路基的工作性能。在路基的设计、施工和投 入使用阶段都必须考虑到应力路径的影响，由于剪切破坏是路基垫层土发生的最 主要的破坏形式，所以抗剪强度是最重要的设计指标。影响土的抗剪强度的因素 很多，如土的密度、含水率、应力路径、应力历史、固结程度等。其中应力路径 是一个比较重要的因素，在公路路基的设计中必须考虑到应力路径对路基( 包括 填挖路基) 的力学特性的影响。因此研究应力路径变化对路基的力学特性影响将 具有非常重要的理论意义和现实意义。 1 2 国内外研究现状 应力路径研究方法已开始在岩土工程领域有所体现，是土的力学性质定性分 析的一个重要手段和土工计算中必要的定量的组成部分，但总体而言还处于早期 阶段，尤其在分析路基工程中力学特性及应用这方面还有待进一步研究。国内外 主要的研究状况如下所述。 1 2 1 应力路径原理在分析地基力学特性中的应用 目前在许多规范和工况中，常规三轴试验得到的固结不排水剪总应力强度指 标被应用于土的强度问题分析和地基承载力计算。但常规三轴试验的应力路径与 地基的实际应力路径不同，土的固结不排水剪总应力强度指标具有明显的应力路 径相关性。罗嗣海【3 】等人提出和推导了考虑应力路径影响时地基塑性区和临塑( 界) 荷载计算公式和计算方法，并和应用室内常规三轴试验指标的计算结果进行了比 较，分析室内常规三轴强度指标的适用性。常规的地基稳定分析方法没有考虑地 基的排水条件和强度的增长。采用应力路径的方法有可能使常规的方法得到改进。 胡中雄【4 】在土力学与环境土工学一书中从应力路径的角度进行了路基的稳定性 分析和安全度的评价。 传统的地基沉降计算法常常以常规三轴试验的典型曲线为依据，如图1 1 所示。 第一章绪论 图1 1 常规三轴试验的典型曲线 f i g 1 1t y p i c a lc u r v eo fg e n e r a lt r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t 例j t l d u n c a n c h a n g 模型，主要考虑剪切变形；而分层总和法，只考虑压缩变 形，然而这两种变形在地基土中都是客观存在的，剪切变形使地基土的模量随着 剪应力的增大逐步减小；压缩变形使土体进一步固结，地基土模量不断增大，因 此合理的计算方法应同时考虑这两种变形的作用。而应力路径的分析方法能满足 这一点。 l a m b e 5 1 ( 1 9 6 7 ) 提出采用应力路径法计算沉降。根据土体所经过的应力路径计 算土体压缩量，如图1 2 所示。地基中一单元土体原始状态为图中a 点，不排水 条件下加荷的有效应力路径如a b 所示。a 点和b 点的轴向变形相当于土体剪切 变形引起的竖向压缩量。土体固结过程中的有效应力路径如b c 所示，b 点和c 点间的轴向变形相当于固结变形引起的竖向压缩量。从a 点到c 点土体竖向压缩 量等于从a 点到b 点和从b 点到c 点的压缩量之和。通常采用的应力路径法有下 述两种。 g d 图1 2 土体的应力路径示意图 f i g 1 2 s k e t c hm a pa b o u ts t r e s sp a t ho fs o i l p 第一章绪论 4 l a m b e 应力路径法 应用弹性理论计算地基土体在荷载作用下的应力路径，在实验中进行模拟试 验，确定参数或直接测定压缩量，通过试验结果计算总沉降。 应变等值线法 通过三轴试验在应力路径图上作出一簇应力应变等值线，然后在等值线图上 作出应力路径，分两段计算在不排水条件下和排水条件下土体的竖向变形，求和 得到总沉降。 实用应力路径法，可以解释为在常规土工试验中土样的应力变化的内部实质 情况。应力路径法可以用来总结其它沉降计算方法，因为不同的沉降理论的假设 将得到不同的应力路径。 钱坤【6 】采用增量理论原理对变形模量和泊松比按应力路径进行修正，再结合分 层总和法进行地基沉降计算。李纲林【7 】等人利用室内试验模拟现场有效应力路径法 对超大型输水结构的某一段的软粘土地基进行了沉降计算，并将所得结果与实测 值进行了比较，发现由这种方法所得的结果与实测值很接近。 路基的地基处理的主要作用和目的包括三个方面：1 ) 解决地基承载力或稳定 性问题；2 ) 处理沉降、水平位移及不均匀沉降问题；3 ) 防止地基出现渗透问题【8 】。 主要是针对路基承载力和路基的沉降问题而实施的。目前路基加固处理的方案一 般是根据路基的土质条件、周边环境、施工场地等因素及工程经验来选择处理方 案，这样往往会使得设计的承载力要求高于实际所需的承载力不少，虽然保证了 一定的安全性，但是增加了施工成本、延长了工期，不能实现经济合理的施工。 随着高速公路的迅猛发展，传统的路基先处理技术逐渐暴露出其技术应用的 局限性和对以变形性能为控制条件的地基处理技术要求的不适应性。路基先处理 过程必须占用工程有效工期，先处理工程量的巨大必造成工期的延误。此外施工 过程实际上就是复合地基的加荷过程，在填方路基附加压力作用下，复合地基会 产生压缩变形，并在桩周土体中产生超静水压力，使复合地基土中的有效应力增 长过程滞后于下部荷载的施加速度，严重影响地基沉降稳定时间。高速公路常通 过工程地质条件非常复杂的地区，且常需进行边坡开挖或高填方施工。在高填方 路段，路基逐层碾压过程中，下层原地基土受压、发生沉降变形，如果原状土为 非饱和土，则路基填方施工过程中地基土有效应力路径与总应力路径基本一致， 施工过程中路基沉降变形可完成大部分；如果原地基土为饱和土，则在路基施工 过程中，原地基土孔隙水应力随填土高度增加逐渐增大，相应的地基土的有效应 力路径与总应力路径相差较大，导致高填方路基的沉降变形可能严重滞后于填方 施工进程。 文献 9 1 1 0 应用应力路径的方法反演地基处理方案，并引进了后处理技术，后 第一章绪论 处理技术是先对路基进行填筑，当路基填筑到一定高度之后再对软土路基进行处 理。路基填筑到一定高度之后，原地基土在填方路基压力作用下产生压缩变形， 同时产生超静水压力，影响地基的沉降变形和路基稳定性。后处理技术在加速地 基固结变形速度，缩短沉降稳定时间以及有效减少工期等方面均较先处理技术具 有显著的技术优势，在一定程度上解决了上述问题。赵晓磊f l 】采用应力路径法通过 在理论上的推导，求出具体土质下地基土的承载能力，实现了高填方软土路基的 优化处理。 1 2 2 应力路径原理在路堤填筑工程中的应用 目前评价软基路堤稳定性的方法很多，理论上多采用极限平衡法，用稳定系 数作为评价标准。但是，在高等级道路工程施工设计和施工过程中，由于滑动面 的位置及其强度参数难以准确确定，新技术和新材料的采用，使计算结果与实际 情况存在较大的差别。为了保证软基路堤既安全又经济地顺利施工，常采用现场 观测和试验资料对软土地基的稳定性进行综合分析评价，以使结果更符合实际。 其中一种评价方式就是利用应力路径原理进行分析。王希年【l l 】等人提出了有效应 力路径法对软土路堤进行了施工期的稳定性评价和分析。这为我们应用应力路径 分析一般路堤的稳定性起到了一定的启发作用。 在软土地基上进行高速公路的路堤填筑时，路堤将由于固结和剪切变形而产 生很大的沉降，甚至由于强度不足而产生地基土的破坏。如果作用在地基上的荷 载小于地基的破坏荷载时，则在荷载作用下，饱和软粘土随着孔隙水压力的消散， 地基便会产生排水固结，同时孔隙水压力减小，而抗剪强度则会得到相应的提高， 也就是利用前期荷载使地基固结，从而提高软土的抗剪强度，即提高地基的承载 力，以适应下一期荷载的施加。当采用较快的施工速度时，地基就会发生稳定性 破坏，因而路堤就不容易填筑成功。采用分期加荷的方法填筑路堤，就是在软土 地基上修建路堤时，为了防止路堤在填筑过程中因地基承载力不足而发生稳定性 破坏，将填土分期施工，待地基因前期荷载的施加而产生的固结( 使地基的抗剪 强度提高) 达到一定程度，在施加下一级荷载，直至填筑到设计高度。文献 1 2 】 采用应力路径的原理分析了分期加载的应力变化过程。如图1 3 所示，但是只是定 性地分析，具体每一级的填筑高度没有做定量的分析。 压实是路基填筑过程中的一个重要组成部分，因为压实结果对道路的质量和 寿命有着决定性的影响，有效的压实能显著改变填料的承载力和稳定性，从而可 以大大减少公路的维修费用。 影响压实度的因素有路基填料的性质、压实厚度、压实机具、碾压速度和遍 数以及振动的频率和振幅等。其中后三种因素体现了压实的应力路径相关性，即 第一章绪论6 选择不同的压实机具、碾压速度和遍数、振动频率和振幅，路堤填料中土会产生 图1 3 路堤填筑过程中土体应力路径图 f i g 1 3s t r e s sp a t ho fs o i lw i t hf i l l i n g 不同的应力路径，不同的应力路径对应的压实度不一样。目前关于应力路径变化 对压实度的影响方面的研究还没有。 1 2 3 应力路径原理在路堑边坡工程中的应用 分析路堑边坡稳定性的常用方法有极限平衡分析法和有限单元法，这两种方 法都没有考虑有效应力路径对边坡当前的应力状态和抗剪强度的影响。为此，高 正中【l3 j 等人提出了考虑有效应力路径影响的土坡稳定分析方法。它主要包括以下 几个方面的内涵：计算土坡抗滑阻力的破坏准则，应能计入土坡过去和将经受 的应力路径影响，且应在一定应变水平下有效；应考虑土坡失稳过程中有效应 力路径的影响，及计算土坡当前的应力状态；采用恰当且易使用的土体本构模 型。但目前关于考虑应力路径影响的路堑边坡开挖过程中的动态稳定性分析这个 领域还未有研究人员涉足。 1 3 本文的主要工作 应力路径分析方法已开始应用于浅基础稳定性问题、挡土墙压力问题、土坝 坝体施工期的稳定性问题等岩土工程的众多领域。但在分析路基工程中土的力学 特性及其应用方面，虽在地基稳定性和沉降计算等方面已有不少零零散散的研究 成果，但不够系统全面，再者就是在路堤填筑和路堑边坡工程当中的应用理论还 很少，还有待进一步研究。针对这样的问题，本文做了如下几项工作： l 、为分析考虑应力路径条件下路基工程中土体的强度和变形问题，在第二章 和第三章分别介绍了应力路径变化对土的抗剪强度指标c ，q 值的影响和应力路径 变化对土的应力应变关系及变形特性的影响。为后面第四章和第五章打下了坚实 第一章绪论7 的理论基础： 2 、全面系统地总结了应力路径原理在分析地基的稳定性和沉降计算中的应用 的各种理论； 3 、进一步探讨了有关应力路径分析方法在路堤填筑和路堑边坡工程中的应用 理论： 4 、对包括地基沉降、路基填筑、压实以及边坡开挖等实例等典型工程实例进 行了计算分析，初步论证本文中阐述的应力路径原理在路基工程中应用的理论的 正确性； 5 、根据前面的理论推导和工程实例分析得出一些结论，并展望今后有关这一 原理应用的发展方向。 第二章应力路径对土的抗剪强度的影响 第二章应力路径对土的抗剪强度的影响 影响土体的抗剪强度的因素有很多。总的来分有内部因素和外部因素，内部 因素即是土本身的因素，它包括：土的组成、土的状态、土的结构等因素；外部 因素除了时间、温度之外，主要是应力应变因素，它包括应力状态、主应力方向、 加载速率及排水条件等。不同的应力应变因素对应着不同的应力路径，本章列举 了影响土的抗剪强度的各种因素，其中着重介绍了应力路径的影响。 2 1 应力路径的基本概述及其应用意义 2 1 1 应力路径的基本概念 为了分析应力变化过程对土的抗剪强度的影响，在应力空问中用应力点的移 动轨迹来描述土体在加荷过程中的应力变化，这种应力点的轨迹就称为应力路径。 应力路径就是土体中受力状态的发生、发展的变化过程，也就是土中应力变化的 轨迹线。应力路径的确切含义是：当荷载发生变化时，土中某一点处在某一方向 的微面上，应力值在应力坐标系中的变化轨迹线。 这里需要说明一下几剧1 4 】： 应力路径一般说来是反映土中某一点的某一微面上的应力变化的。既然这 样，对于同一应力变化过程而言，可以画出无数条应力路径线。通常采用与最大 应力面夹角4 5 。面上的应力( 即应力圆顶点) 或4 5 。+ 妒2 面的应力的变化轨迹线作 为应力路径线，如图2 1 所示。有时，也可采用其它方向的面上的应力变化轨迹线。 图2 1 常用应力轨迹线 f i g 2 1t r o c h o i da b o u tg e n e m ls 仃e s s a b 应力圆极点轨迹线 a 嘴在破裂面( 与大主应力面成4 5 。+ 竺2 上的应力轨迹线) 。 相同的起始和最终应力状态，可以具有不同的应力路径 一礼刮i 6 ) 1 第二章应力路径对士的抗剪强度的影响 9 图2 2 不同受力过程的应力路径 f i g 2 2s t r e s sp a t hw i md i f f e r e n tl o a dp r o c e s s 图2 2 表示不同受力过程的应力路径情况。图2 2 ( a ) 表示土体单元受力的最 后状态，大主应力为q ，小主应力为以。达到这一应力状态可以有很多的路径。 例如图2 2 ( b ) 的a b 路径，它表示开始的应力状态为q = ，然后保持吒不变， 逐渐增加仉而达到最后状态。图2 2 ( c ) 表示另一条路径达到最后状态。应力变 化分三段：a b 段表示保持初始玛不变增加q 达到b 点，这一阶段最后应力圆为l 圆；然后增加q 同时也增加吒达到c 点，这一阶段的最后状态的应力圆为2 圆； 第三阶段是保持q 不变，减少而达到单元体的最后应力状态为3 圆。很显然， 虽然最终状态相同，但走a b 路径与a - b c d 路径，单元体的应力一应变关系和强度 都会有很大的不同。 如在荷载作用下，土中产生孔隙压力u ，则土随某一点某微面上的法向应力 就有总应力仃与有效应力盯= 盯一u 之分，而剪应力没有区别，因而应力路径可分 为总应力路径( t s p , t o t a ls t r e s sp a t h ) 和有效应力路径( e s p , e f f e c t i v es t r e s sp a t h ) 。 如图2 3 所示。 图2 3 总应力路径与有效应力路径 f i g 2 3t s pa n de f f i e c t i v es t r e s sp a t h 常用的应力坐标系： f 盯坐标系一可反映各种情况下的应力路径。 t 坐标系一可反映常规三轴试验中的应力路径，这是卟0 2 、吒三维坐 标系中的一个0 2 = 乃平面。 第二章应力路径对土的抗剪强度的影响 l o 三( 吼一) 圭( 盯。+ 巳) 一反映应力圆顶点变化轨迹，目 jq - p 应力平面。其中最 后一种坐标系应用最常见。 2 1 2 k o 、后，和f 线的基本概念 线 在侧限条件下，土的单向固结试验，每加一级荷载，当变形稳定后都可以相 应画出一个应力圆，这些应力圆都是在特定条件下的应力圆，即无侧向变形，所 以，它们的大主应力和小主应力之比都等于，这些圆称为圆，把如圆的顶点 连起来，这条应力路径线就称为线。如图2 4 所示。 f 0 r 而。吖， 图2 4 固结试验与线 f i g 2 4 c o n s o l i d a t i o nt e s ta n d k o l i n e 线就代表土层的天然应力状态，线上的任一点的纵坐标g ，：l - _ k 0 仃。；横 坐标p , _ l + z k o ，q ；坡度留= 石i - i k o j | ，线、f 线 取一组土样做三轴实验，当土样剪切破坏时，用一组极限应力圆来表示他们 剪破时的应力状态，这些圆的公切线就是我们通常所说的强度包线，即f 线。这 些圆的顶点连线称为七，线。如图2 5 所示。 譬 图2 5 三轴极限状态及其应力路径线 f i g 2 5 t r i a x i a ll i m i ts t a t ea n di t ss t r e s sp a t h 第二章应力路径对_ 十的抗剪强度的影响 这两条线具有相同的含义，都表示破坏条件，但在应力路径分析中都采用0 线 而不用了厂线a o 线上的任一点的纵坐标q = 旦亏垒；横坐标p = 旦专垒；坡角 为口 线和厂线之间的关系 图2 6 0 线与厂线之间的关系 f i g 2 6t h er e l a t i o nb e t w e e nkfa n df l i n e 0 线与线之间的关系，可从图2 6 中得到，厂线的坡角为缈，截距为c ，0 线的坡角为口，截距为a ，三角形o a b 和o a f ) 的相互关系得： s i n 呼o = t g a ( 2 1 ) 伊= s i n 一( t g a ) ( 2 2 ) c c t g o = a c t g o t ( 2 3 ) c ：a c t g c t ：三 ( 2 4 ) o 一一 、二- r ， c t g q ,c o s q ， 根据上述关系就可以利用应力路径的方法求得土的抗剪强度参数c 和缈。 2 1 3 研究应力路径的意义及应用 采用常规试验取得的各种力学指标，很容易给人一种误解。其一，实际工程 中土体的受力状态与室内试验所规定的条件相差甚远；其二，土的性质非常复杂， 它的特性不仅与受力的大小有关，而且更重要的是与力的施加方式和方法、先后 次序以及一系列变化过程有关。所以，土的特性绝非常规试验能够反映的。为了 使得研究的问题尽量符合实际情况，无论室内或现场试验都应该尽量模拟土体实 际受力过程。研究并掌握应力路径的分析方法，将有助于根据实际情况进行试验 第二章应力路径对土的抗剪强度的影响 1 2 设计，取得相应的指标用于理论分析，具有一定的理论意义和应用价值。具体从 以下几个方面进行阐述【1 4 】： 了解不同的应力路径对土的织c 值的影响 实际地基中可能出现各种应力路径。对于不同的应力路径的加荷情况能否采 用相同的缈，c 值呢? 这是在工程设计中必须首先解决的一个问题。 在这方面，室内试验对比得出了如下一些规律： 1 ) 排水与不排水剪切的应力试验路径对抗剪强度( 缈，c ) 有明显影响，有效的 缈，c 值基本上没有影响，试验结果落在一条直线上。 2 ) 对于均质的各向同性的正常固结的粘土和均质砂土而言，压缩试验和挤长试 验得到的够，c 值基本相同。 3 ) 对于各向异性的土，不同应力路径的试验，得到的抗剪强度值可能有很大的 差别。 了解不同的应力路径对土的应力应变关系的影响 土不同于其它材料， 它的应力应变关系( 即本构关系) 是比较复杂的。不同类 型或不同地区的土的应力应变关系会有差别，按不同应力路径加荷对土的应力应 变关系也有影响，即相同的应力不一定对应有相同的应变。 试验证明，不同的应力路径对土的应力应变关系有较大的影响。但对这一 问题尚须通过进一步的试验研究来探讨其规律。有关这一方面的内容将在第三章 详细阐述。 用应力路径试验测定变形参数 应力路径不同，土的应力一应变关系也不同。故模拟现场实际应力路径测定 土的变形参数，要比常规三轴试验更为合理。 用实际应力路径测定土的变形参数的试验，一般可按下列步骤进行： 1 ) 取有代表性的土样，在原初始应力下进行氏固结，使试样尽量恢复到原位应 力状态。 2 ) 在不排水条件下，对试样施加有代表性的实际应力增量仉和a c t 3 ，量测轴 向应变占。，并计算不排水条件下的变形模量色。由广义虎克定律知： s l 。= ( q 一2 a a c r 3 ) ( 2 5 ) 对饱和土而言，在不排水条件下= 0 5 ，故得 e ：垒! ! 二垒! ! ( 2 6 ) 。 q 。 3 ) 在a c t 。和a c t 3 作用下排水固结，测得固结后的轴向应变s 。和体积应变s ， 第二章应力路径对士的抗剪强度的影响 1 3 从而可的总轴向应变毛和总侧向应变乞，那么在排水条件下的e 和可用线弹性 理论求解： 岛= ( q 一2 p a o - 3 ) 岛2 壶【c r 3 一u ( h o - 3 + q ) 】 联立求解，可得： 口：一鱼垒当二垒垒当 。 q ( q + a o - 3 ) 一2 岛吒 ( 2 7 ) 【2 8 ) ( 2 9 ) e ：a c t i - 2 z c r 3( 2 1 0 ) q 这样测定的色和e 、可用于计算地基不排水沉降和排水沉降，也可用于有 限元法计算土体变形。 用于工程实践 例如在软土地基加固中，可用分级加载，放慢施工进度的方法提高地基土的 强度，通过计算，使其应力路径始终位于抗剪强度线之下。 如天然固结应力如图2 7 中l 点所示，采用分级加载，逐级固结的方法，有效 应力路径为右图中之l m l n l m 2 n 2 m 3 n 3 m 4 。这样使地基土的强度得到明显提高， 其提高值为： a v = 一l ( 2 1 1 ) 图2 7 应力路径与抗剪强度 f i g 2 7 s t r e s sp a t ha n ds h e a rr e s i s t a n c e 2 2 影响土的抗剪强度的因素概述 2 2 1 内在因素1 5 】 第二章应力路径对十的抗剪强度的影响 1 4 影响土的抗剪强度的内在因素又分为土的组成、状态和结构。其中土的组成 是影响土强度的最基本因素，它又包括土颗粒的矿物成分、颗粒大小与级配、颗 粒形状、含水量( 饱和度) 、粘性土的离子和胶结物种类等因素。土的状态是影响 土强度的重要因素，比如砂土的相对密度大小是其咬合及因此产生的剪胀、颗粒 破碎及重排列的主要影响因素；同样粘土的孔隙比和土颗粒的比表面积决定了粘 土颗粒间的距离，这又影响了土中水的形态及颗粒间作用力，从而决定土粘聚力 的大小。土的结构本身也受土的组成影响。原状土的结构性，特别是粘性土的絮 凝结构使原状土强度远大于重塑土的强度。 土的组成包括：颗粒矿物成分的影响；颗粒的几何性质；土的级配。 不同矿物之间的滑动摩擦角是不同的，对于粗粒土、含有中性矿物的土，其滑动 摩擦角明显变小。另外，由软弱矿物颗粒组成的土，在较密实状态及较高围压下， 相互咬合的颗粒易折断和破碎，而不会被拔出和翻转引起剪胀，因而软弱矿物抑 制了土的剪胀，从而降低了土的抗剪强度。当孔隙比相同及级配相似时，颗粒尺 寸的大小对土强度有两个方面的影响：一方面大尺寸颗粒具有较强的咬合能力， 可能增加土的剪胀，从而提高强度；另一方面，在单位体积中大尺寸颗粒间接触 点少，接触点上应力加大，颗粒更容易破碎，从而减少剪胀，降低了土的强度。 粗粒土的级配对于其抗剪强度有较大影响。两种相对密度相同的砂，级配较好的 砂孔隙比e 小，咬合作用也比较强；另一方面对于级配良好的土，单位体积中颗 粒接触点多，接触应力小，颗粒破碎少，剪胀量加大，所以抗剪强度高。 土的状态对土的抗剪强度的影响上主要表现为孔隙比或相对密度的作用。砂 土的孔隙比或相对密度可能是影响其强度的最重要因素。孔隙比小或者相对密度 大的砂土有较高的抗剪强度。对于粘土来说，由于正常固结粘土的强度包线过原 点，所以孔隙比对粘土强度指标的影响通常表现为其应力历史即超固结比的影响。 土的结构对于土的抗剪强度有很大影响，有时对于某些粘性土，如区域性土 或者特殊土，可以说是控制性因素。一般而言，在相同密度下，絮凝结构的粘土 有更高的强度，由于沉积过程中的地质环境，沉积以后的地质活动和应力历史， 天然原状土的粘土矿物形成不同的结构形式。原状土的结构性使其强度高于重塑 土或扰动土。 土的结构性造成强度的明显的各向异性，亦即在不同主应力方向下的抗剪强 度不同。在地球重力场中，天然土的风化、堆积、搬运、沉积和固结过程中不可 避免地受重力影响。即使是主要由石英矿物组成的经过严格筛选的均匀砂土颗粒， 其轴长比大于1 ：4 颗粒含量也超过一半。其他矿物的针片状颗粒的比例更高。这些 颗粒的长轴由于重力而倾斜于平行地面方向沉积和排列。这种排列会引起土的强 度表现出各向异性。即使是完全球状的颗粒在重力场中沉积或制样也可形成各向 第二章应力路径对土的抗剪强度的影响 异性的排列。所以严格来讲，土的强度都是各向异性的。 2 2 2 外在因素【i 纠 影响路基填料强度的外部因素主要有时间、温度、应力应变等，其中应力应变因 素是最基本的，它包括应力状态( 围压、中主应力) 、主应力方向、加载速率及排水 条件等，不同的应力应变因素对应着不同的应力路径。所以归根结底，应力路径是影 响路基填料抗剪强度的最主要的因素之一。 土的抗剪强度与固结时间有一定的关系。正常固结粘土在一定压力作用下固结， 当超静孔隙水压力完全消散时，主固结已经完成。但如果此压力长时问继续施加，由 于土的流变性而发生的次固结会使它继续压缩变密，从而使粘土颗粒间进一步接近， 使粒间力加强，胶接材料凝固。在成千上万年的有效应力作用下，次固结使这种正常 固结的老粘土表现为类似超固结土的特性。由于似超固结土具有超固结土的特性，所 以其抗剪强度也明显高于正常固结土。 温度主要是通过对饱和粘土中的孔隙比的作用而影响土的强度。由于在较高温度 下，水的粘滞性变小，渗透系数增加，从而在高温下固结的饱和粘土的孔隙比减小， 因而固结温度越高，土的密度也越高，从而使其强度提高。但是在不排水情况下剪切 时，较高的剪切温度可能使水的粘滞性下降而产生较高的超静孔隙水压力，减少土的 有效应力，从而使土的抗剪强度下降。所以强度常常随剪切温度升高而下降。 三轴试验表明：对于超固结粘性土和许多颗粒土，破坏时的偏差应力( 匝一以) ，与 围压叽强度包线实际上并不是直线，亦即缈不是常数。这主要是由于颗粒的咬合而发 生的剪胀、颗粒破碎、重排列造成的；在很低的围压下，即使是很松的砂土也会因颗 粒间的咬合而产生剪胀性，所以这时对应的内摩擦角有所提高，从而使得抗剪强度提 高；在高围压下，粘土将发生很大的体积压缩，当其孔隙比或饱和土的含水量减少到 一定程度时，粘土颗粒将相互靠近，颗粒间相互作用力将加大，所以抗剪强度得到提 高。 中主应力增加，平均主应力也随着增加，从而使土被压密，另一方面破坏时仉方 向的应力较大，增加了土颗粒的约束和咬合作用，从而达到增加抗剪强度的目的。 加载速率分为三类：瞬间加载；常规加载速率；很慢的加载速率。在瞬间 加载情况下，土的强度一般有所提高，三轴试验表明，在瞬间荷载下，饱和砂土来不 及排水，相当于不排水情况。对于密砂，由于剪胀趋势而产生负孔压，从而大大提高 了抗剪强度。对于很松的砂，由于产生正孔压力，瞬间荷载下强度可能低于静力试验 强度，甚至会引起液化。粘性土在瞬间荷载作用下的动强度有很大提高。 在极慢的速率下，某些土发生破坏时的应力远低于常规强度试验下的峰值强度， 有的时候甚至只为后者的5 0 ，这种情况称之为蠕变破坏。 综上所述，除了时间、温度等对土的抗剪强度影响之外，不同的围压、中主应力、 第二章应力路径对土的抗剪强度的影响 1 6 主应力方向、加载速率及排水条件，也即对应着不同的应力路径下，土体的抗剪强度 具有显著的差异。所以，研究土的剪切性质，不仅需要知道土的初始和最终应力状态， 而且还需要考虑它的应力的变化过程，即应力路径。 2 3 应力路径在不同的固结和排水条件下对土的抗剪强度的影响 一般的常规三轴试验是在各向等压固结后进行剪切的，而路基的天然土层的 初始应力一般处于各向不等的应力状态。初始应力的各向异性，导致破坏时所需 的剪应力增量也不同，因此为了正确测定土的天然强度指标，试验应采用符合天 然土层的初始应力条件。 工程实践中存在着各种应力路径，而固结不排水剪切试验中的总应力强度指 标c 珊，纯。均与应力路径有关，工程中应当考虑受荷后附加应力变化的特点，合理 选取应力路径进行试验，以获取强度参数。 实际工程中所用的抗剪强度指标c 、矽一般都是根据三轴试验来确定的，三轴 试验根据固结程度和排水条件的不同，可分为不固结不排水剪、固结不排水剪和 固结排水剪三种方法。这三种试验方法分别采用不同的加载方式，也即不同的应 力路径，最后得到的抗剪强度指标也不同。 2 3 1 应力路径对砂土抗剪强度的影响 砂土内部由于没有粘聚力，所以只有内摩擦角矽一个抗剪强度指标。影响砂土 的抗剪强度的主要因素是初始孔隙比。应力路径也是一个不容忽视的因素。不同 的三轴试验过程中砂土的应力路径各不一样，所对应的抗剪强度也不相同。下面 以紧砂的固结不排水和固结排水试验为例论证应力路径对砂土抗剪强度的影响。 如果饱和紧砂在低围压下受剪时，如果不允许它的体积发生变化，即进行固结不 排水剪试验，则紧砂为了抵抗受剪时的剪胀趋势，将通过土样内部的应力调整， 即产生负孔隙水应力，使有效应力增加，且大于总应力，以保持试样在受剪阶段 体积不变。而在固结排水试验条件下，紧砂内产生正的孔隙水压力。 图2 8 紧砂受剪的虑力路径图 f i 9 2 8s t r e s sp a t ho ft h i c ks a n du n d e rs h e a r 第二章应力路径对十的抗剪强度的影响 如图2 8 所示，在相同的总应力路径下，固结不排水时的紧砂由于产