平面应变试验与三轴压缩试验的对比分析结果

很多学者对第二主应力（中主应力）对抗剪强度的影响进行了研究。在分析第二主应力对抗剪强度的影响时，有的学者采用了棱柱形试样来控制三向主应力，也有学者采用空心圆柱试样来控制第二主应力的大小，但是比较普遍的研究方法是对传统三轴压缩试验的结果与平面应变试验的结果进行比较。

Bishop（1966）和Cornforth（1964）对不同密度的砂土在相同的围压下进行了一系列的排水固结试验。发现在试样比较密实的情况下，平面应变试验试样的内摩擦角比进行三轴压缩试验的试样大4°左右。但是，在试样比较松散的情况下，两种试验的结果非常接近。三轴压缩试验中，试样破坏时的应变是平面应变试验试样破坏时应变的两倍以上，且破坏时三轴压缩试样的体积膨胀远大于平面应变试样。

Bishop和Wood（1958）发明了一套平面应变试验仪器，Henkel和Wade（1966）使用该仪器对饱和重塑黏土进行了一系列的试验。试验结果表明，在围压较小的情况下，平面应变条件下试样的不排水抗剪强度比三轴压缩条件下试样大8%。平面应变条件下试样大约在轴应变为2%达到峰值强度，而三轴压缩条件下这一数值为6%。试验结果表明，试样的抗剪切角在平面应变条件下比三轴压缩条件下要大。根据研究结果发现，相较于八面体应力破坏标准，试样的破坏状态与摩尔库仑破坏标准比较接近。

Finn等（1967）对由球形颗粒组成的六面体模型试样进行了一系列的三轴压缩试验和平面应变的试验。他们认为，基于一定假设条件，理论上平面应变条件下试样应变应该小于三轴压缩条件，这一推论得到了室内试验的证实。他们提出，由于平面应变条件下试样体积的膨胀趋势小于三轴压缩条件，所以平面应变条件下试样的临界围压要比三轴压缩条件下的试样小。

Lee（1970）对砂土的三轴压缩试验和平面应变试验进行比较。结果发现，平面应变试验试样具有明显的剪切破坏面。在三轴压缩试验中，当试样较密且围压较小时，试样将会沿着剪切面破坏；当试样比较松散或围压较大时，试样发生扩散膨胀破坏。Lee还发现，平面应变条件下试样的泊松比一般大于三轴压缩条件。无论是在平面应变还是三轴压缩条件下，试样的弹性模量都会随着围压的增加而呈指数型增加，且峰值强度也与围压有关。当围压较小时，平面应变条件下试样的峰值强度比较小，但是在围压较高的时候，平面应变条件下试样的峰值强度远大于轴对称三轴试验。当围压中等时，两种荷载条件下试样的峰值强度相差不大。在排水条件下，三轴压缩试样的膨胀率大于平面应变条件下试样的膨胀率；在不排水条件下，平面应变试样的孔隙水压力比三轴压缩试验大，而临界围压比三轴压缩试验小，这一结论与Finn等（1967）的研究结果相一致。(www.xing528.com)

大多数学者在研究时使用的试样都是重塑土，而Vaid和Campanella（1974）对敏感度较高的饱和海相原状黏土进行了一系列的试验。在不排水试验中，平面应变和三轴压缩条件下试样峰值偏应力对应的应变基本相等，这一结论与Henkel（1966）的研究结果相悖。Henkel（1966）认为三轴压缩条件下的峰值偏应力对应的应变大于平面应变条件。Vaid和Campanella（1974）的研究发现平面应变条件下不排水强度与竖向固结应力的比值要大于三轴压缩试验，也就是说，用三轴压缩试验的结果来推测平面应变条件下土体短时间内的稳定性会偏于保守。并且，无论是在压缩还是拉伸条件下，平面应变条件下试样的内摩擦角会比三轴压缩条件下内摩擦角大0.5°～2°。试验结果还发现，平面应变条件下试样孔隙水压力的变化比相应三轴压缩条件下的试样要大。在排水试验中，当应变相同时，平面应变条件下有效应力比（即抗剪强度）比三轴压缩条件下要大，而且平面应变试验中试样的内摩擦角比相应的三轴压缩试验大。

局部应变（特别是剪切带）对颗粒土有重要影响，甚至决定了试样的力学行为特性。一些学者利用分叉（Bifurcation）理论解释局部应变现象，他们认为塑性区局部化是由于土体分叉不连续造成的。Peric等（1992）比较了平面应变条件和三轴压缩条件下的塑性分叉，结果表明，由于三轴压缩条件下的硬化阶段对塑性分叉具有抑制作用，所以平面应变条件比三轴压缩条件更容易发生塑性分叉。他们认为，无论平面应变还是三轴压缩条件下，中主应力分量在三维解中都是平面外主应力分量。中主应力的不断变化会提高分叉发生的可能性，而三轴压缩条件对中主应力的抑制阻碍了分叉的形成。

Finno等（1996）对松散饱和细砂进行了一系列完全不排水试验。对三轴压缩和平面应变条件下试样稳态线进行了比较。结果表明，三轴压缩试验试样的稳态线一般位于平面应变试验试样稳态线的下方，说明三轴压缩试验和平面应变试验不仅具有不同的峰值强度，而且稳态强度也不同。这表明，当孔隙比相同时，三轴压缩试验的平均有效应力比平面应变试验低，相应三轴压缩试验的最小剪应力会比平面应变试验低，说明三轴试验结果所得强度参数更偏于保守。