考虑主应力方向变化的原状软黏土应力应变性状试验研究

为反映真实工程条件下主应力轴旋转应力路径引起土体性状的变化,对杭州地区正常固结原状软黏土在固结不排水的主应力轴定向剪切和主应力轴单调旋转条件下的应力-应变关系进行试验研究。研究发现,不同主应力方向的定向剪切路径下,随主应力方向变化,试样中各应变发挥程度显著不同,但破坏时的临界八面体应变变化较为稳定,且当八面体应变达到5%时,强度发挥程度已接近甚至超过90%。若剪切过程中增加了主应力幅值不变的不排水主应力轴单调旋转应力路径,只要破坏时主应力方向一致,经历与未经历主应力轴旋转试样的临界应变分量接近,但主应力轴旋转会影响加载阶段试样主应力、主应变增量方向所表现出的不共轴性,并且此影响随旋转时剪应力水平的提高而趋于显著,即使在临界破坏状态下依然明显。试验结果表明,由于土体原生各向异性、黏塑性等性质的存在,并不适宜用相关联流动法则来分析主应力轴旋转条件下土体的应力-应变关系特征。     

主应力方向和偏应力比对TJ-1模拟月壤各向异性的影响

采用空心圆柱扭剪仪对干燥TJ-1模拟月壤试样进行了应力主轴固定的定向剪切试验及不同偏应力比时主应力方向的纯旋转试验。从应力-应变关系角度出发,研究主应力方向、偏应力比对其各向异性的影响,并探讨了上述因素对TJ-1模拟月壤非共轴性的影响。试验结果表明：主应力方向和偏应力比对TJ-1模拟月壤的各向异性均有显著影响;应力主轴旋转引起的非共轴现象比定向剪切时明显,且偏应力比较小时非共轴角随应力主轴旋转呈先减小后增加的趋势,偏应力比较大时非共轴角一直减小直至试样破坏时非共轴现象消失。上述成果可弥补干砂试样非共轴领域的研究空白,并可望为将来月球上基础设施的修建提供技术支持。     

应力历史对饱和砂土力学性状影响的试验研究

三向应力历史条件的影响是准确预测地基变形的重要参考因素之一。针对相对密度为30 %的福建标准砂,利用土工静力-动力液压-三轴扭转多功能剪切仪,进行了复杂条件下应力路径变化的应力控制式单调排水剪切试验。通过控制试验过程的平均主应力保持不变,改变应力历史条件,着重探讨应力历史对饱和砂土剪切强度和应力-应变关系的影响。试验结果表明：当平均主应力一定时,在排水条件下应力历史的改变,对砂土的剪切强度几乎没有影响,但会影响应力-应变特性。弹性轨迹随着中主应力系数和主应力方向角历史的不同而发生变化。引入考虑应力历史同剪切过程之间条件变化的参数,结合试验数据,给出了三维空间中砂土受到应力历史作用后形成的弹性边界的关系表达式。     

复杂应力条件下饱和砂土单调剪切特性的试验研究

利用土工静力-动力液压-三轴扭转多功能剪切仪,针对相对密度为30 %的福建标准砂,进行了复杂初始固结条件下应力路径变化的应力控制式单调排水与不排水剪切试验。控制试验过程的平均主应力保持不变,变化中主应力系数和主应力方向,分别探讨在不同排水条件下中主应力系数和主应力方向对饱和砂土剪切特性的影响。通过对比表明：与排水条件无关,中主应力系数对归一化的应力-应变关系具有影响,但对体变或孔压的影响并不明显。初始条件相同,偏应力比随中主应力系数的增大而降低。主应力方向的影响同样显著,排水试验的主应力方向角不同时应力-应变关系所表现出的变化规律取决于水平面与竖直面上受到的剪应力作用。不排水试验的峰值有效偏应力比随着主应力方向角的增大而减小。     

主应力轴变化下非共轴对砂土剪胀特性影响

传统塑性剪胀模型在描述应力比和塑性应变增量关系时都是基于共轴塑性流动法则,从而认为土体的剪胀性仅与应力比有关。大量试验结果表明,在涉及主应力轴变化的复杂应力条件下塑性流动过程中应力-应变是非共轴的,因而在分析砂土剪胀特性时非共轴是不可忽视的因素。为了研究主应力轴变化的复杂应力条件下非共轴对砂土剪胀特性的影响,利用空心圆柱仪对饱和砂土进行了一系列定轴剪切试验、纯主应力轴旋转试验以及组合加载试验。试验结果表明,不同应力路径下应力-应变非共轴都会引起剪胀曲线偏离Rowe直线,通过Gutiereez提出的考虑非共轴因子的修正剪胀方程可以修正非共轴引起的偏差,从而使得Rowe剪胀方程适用于涉及主应力轴旋转等更加复杂的加载条件。     

交通荷载引发主应力轴旋转下软黏土变形与强度特性试验研究

交通、波浪、地震等循环荷载引发不同主应力方向变化模式,对软土地基长期沉降与稳定产生显著影响。为研究饱和软黏土在交通荷载下的长期动力特性,借助空心圆柱扭剪仪开展偏应力空间中主应力轴心形线旋转、圆形旋转与定向剪切等3类主应力方向变化路径的室内模拟,对比研究了不同试验条件下试样不排水塑性累积变形、孔压、临界动应力比与动强度特性的发展规律,研究表明：（1）不同主应力轴旋转路径下土体临界应力比由低到高依次为主应力轴圆形旋转、主应力轴心形旋转、拉压非等幅三轴路径。与前面临界应力比分布相对应,在轴向累积应变稳定型中,产生的塑性累积变形与极限孔压依次减小;（2）振次大于一定数值时,不同主应力方向变化路径下稳定型试样的轴向累积应变与时间的对数具有良好的线性关系,并依此建立了轴向塑性累积变形方程;（3）与轴向塑性累积变形相对应,动力荷载下土体孔压增长也存在3种发展规律,主应力轴连续旋转路径下临界型破坏的土体孔压-应变时程曲线呈三阶段两相态点模式;（4）在其他条件均相同时,土体在主应力轴圆形旋转路径下强度最小,在主应力轴心形旋转路径下的次之,在拉压非等幅动三轴路径下最高。     

中主应力与大主应力方向角对软黏土排水变形特性影响

为研究中主应力系数和大主应力方向角对各向异性软黏土变形特性的影响,利用GDS空心圆柱扭剪仪对温州原状软黏土进行了一系列不同中主应力系数和大主应力方向角的排水定向剪切试验。试验过程中在大主应力方向角和中主应力系数不变的条件下,逐渐增加剪应力直至试样破坏。分析了中主应力系数和大主应力方向角对温州原状土偏应力与大主应变关系、体应变、中主应变和小主应变与大主应变关系的影响。试验结果表明：试样的应力-应变关系在中主应力系数和大主应力方向角不同时表现出明显的各向异性。当中主应力系数为0.00和1.00时,大主应力方向角对应力-应变关系的影响较小;而当中主应力系数为0.50时,应力-应变关系中的割线剪切模量随大主应力方向角变化明显。当大主应力方向角为30°时,随着中主应力系数从0.00增加到0.50,中主应变由压缩状态变为拉伸状态;当大主应力方向角为45°时,随着中主应力系数从0.00增加到1.00,中主应变由压缩状态变为拉伸状态。     

砂土的物态本构模型

基于砂土的压缩回胀性、剪切非线性及剪缩剪胀性的系统分析和包括循环荷载、主应力轴旋转及应力路径偏转等复杂应力条件下的复杂变形反应,得到了三类应力-应变基本关系。在剪缩剪胀应力-应变关系中,引入了由偏应变分量确定的应变路径长度变量,揭示了应力主轴旋转、应力路径偏转引起的剪缩剪胀性。将这些基本关系与循环荷载下砂土的物态变化相联系,建立了砂土的物态动本构关系。     

列车荷载引起心形应力路径下软土非共轴应变特征研究

采用空心圆柱仪对重塑空心软黏土试样开展了一系列非破坏试验,研究了列车循环动荷载作用下的性状。试验中主要选取心形应力路径,以圆形应力路径为辅助,对比分析了两种应力路径下软土的非共轴应变特征,探究循环振次对非共轴特性的影响、荷载频率的大小对非共轴角与大主应力方向角关系曲线形态变化的影响,同时进行了机制分析,并与另一动应力水平下试验结果进行了对比论证。此外,在不考虑频率影响下建立了简化的非共轴角与大主应力方向角之间的关系模型。研究发现,在大主应力方向角旋转的任意周期内,心形与圆形两种应力路径下非共轴角随大主应力方向角变化趋势各自有明显特点,相同动应力水平下两种应力路径产生的偏应力增量引起的单位偏应变增量大小也有所区别,但在大主应力方向角旋转的局部角度内,两种应力路径下的偏应变增量相近;心形应力路径下的非共轴角以及偏应力增量引发的单位偏应变增量大小受循环振次的影响不明显,任意振次中大主应力方向角在[-30°,40°]弧度区间内对应的偏应变增量远大于该区间之外的偏应变增量;随着频率增大,非共轴角随大主应力方向角的变化呈现越来越明显的波动。     

应力状态对粗粒料力学特性影响的大型真三轴试验

土石坝所处的应力状态较接近平面应变应力状态或三维应力状态,而常规三轴试验低估了粗粒料的力学性能。应用大型真三轴仪对常规三轴应力状态、平面应变应力状态和真三轴应力状态（ 0.25, 为中主应力系数, 、 、 分别为大、中、小主应力）下粗粒料的力学特性进行了压缩试验研究。试验结果表明：相同小主应力下,常规三轴试验、平面应变试验、真三轴试验的大、小主应力之差与大主应力方向应变的关系曲线依次变高变陡。某一试验加载条件下,体应变随球应力的增大而增大,初始剪切阶段增加较慢,随后呈线性增大,不同小主应力的体应变曲线较为接近。平面应变试验强度和真三轴试验强度比常规三轴试验强度有较大增长,真三轴试验强度增加百分比大于平面应变试验强度增加百分比。初始弹性模量随小主应力的增大呈线性增大。平面应变状态下中主应力系数随大主应力方向应变的增大而增大,初始剪切阶段增长较缓,之后近似呈线性增大。相同小主应力下,从常规三轴应力状态至平面应变应力状态再到真三轴应力状态,小主应力方向应变均为膨胀变形,且膨胀变形依次增大。同一试验加载条件下,小主应力较小时,应力比（偏应力与球应力之比）与偏应变的关系曲线位于上方。     

四向振动空心圆柱扭剪仪模拟主应力轴旋转应力路径能力分析

主应力轴旋转对土体的动力特性有着显著影响。利用GDS动态空心圆柱扭剪仪（HCA）能够实现内围压、外围压、轴力和扭矩四向动态加载的功能,提出了3种主应力方向变化的应力路径加载方式,分析了3种应力路径在实际工程中的应用,并进行了试验验证。当四向动载根据推导的波形函数加载时,可以实现：① 平均主应力p、中主应力系数b和偏应力q保持恒定,主应力轴循环旋转的应力路径;② 平均应力p和中主应力系数b保持不变,偏应力q循环变化,而主应力方向角? = 90°突变的应力路径;③ 平均主应力p、中主应力系数b保持不变,偏应力q、主应力方向角α连续变化的应力路径。应力路径①为模拟海洋波浪荷载作用下的应力路径试验提供了理论依据,应力路径②可用于模拟不同方向地震荷载的作用,应力路径③可以模拟波浪荷载作用下桩周土体的应力路径以及交通荷载作用下的应力路径。     

Experimental investigation on the deformation characteristics of granular materials under drained rotational shear

Rotational shear is the type of loading path where samples are subjected to cyclic rotation of principal stress directions while the magnitudes of principal stresses are maintained constant. This paper presents results from an experimental investigation on the drained deformation behaviour of saturated sand in rotational shear conducted in a hollow cylinder apparatus. Two types of granular materials, Leighton Buzzard sand and glass beads are tested. A range of influential factors are investigated including the material density, the deviatoric stress level, and the intermediate principal stress. It is observed that the volumetric strain during rotational shear is mainly contractive and most of strains are generated during the first 20 cycles. The mechanical behaviour of sand under rotational shear is generally non-coaxial, i.e., there is no coincidence between the principal axes of stress and incremental strain, and the variation of the non-coaxiality shows a periodic trend during the tests. The stress ratio has a significant effect on soil response in rotational shear. The larger the stress ratio, the more contractive behaviour and the lower degree of non-coaxiality are induced. The test also demonstrates that the effect of the intermediate principal stress, material density and particle shape on the results is pronounced.     

Cyclic degradation and non-coaxiality of soft clay subjected to pure rotation of principal stress directions

Foundation soils are often under non-proportional cyclic loadings. The deformation behaviour and the mechanism of non-coaxiality under continuous pure principal stress rotation for clays are not clearly investigated up to now. In order to study the effect of pure principal stress rotation, a series of cyclic undrained tests on Shanghai soft clay subjected to cyclic rotation of principal stress directions keeping the deviatoric stress constant under the pure rotation condition were conducted using hollow cylinder apparatus. Based on this, the evolutions of excess pore pressure and strains during cyclic loading were investigated, together with the effects of the intermediate principal stress parameter and the deviatoric stress level on stress–strain stiffness and non-coaxiality. The result can provide an experimental basis for constitutive modelling of clays describing the behaviour under non-proportional loadings.     

杭州软黏土非共轴特性的试验研究

利用空心圆柱扭剪仪对杭州软黏土进行了一系列不排水试验,包括对原状软黏土在不同主应力方向上的定向剪切试验和主应力轴旋转试验以及对重塑软黏土的主应力轴旋转试验,主要研究不同应力路径下软黏土非共轴角的发展特性以及中主应力系数b、初始剪应力水平和次生各向异性对其非共轴特性的影响。试验结果表明,软黏土的非共轴特性虽与砂土存在相似之处,但又不尽相同。原状软黏土在定向剪切条件下的非共轴角均较小,并且与加载方向有关,然而受剪应变发展的影响,试样接近破坏时的非共轴角并不为0°;主应力轴旋转条件下,无论原状还是重塑黏土其非共轴角均随主应力方向角? 增加而循环波动变化,且周期约为90°;非共轴角基本随中主应力系数b的增加而减小,但这种影响并不十分显著;剪应力水平对非共轴角的大小和发展趋势均存在一定的影响。对于重塑土的试验表明,软黏土的非共轴特性并不完全由土体的初始各向异性所决定,次生各向异性的影响也很大。