主应力轴旋转下K0固结饱和粉质黏土孔压及变形特性试验研究

主应力旋转将加速孔压和塑性应变的累积,影响土体的力学特性。为研究主应力轴循环旋转对 固结饱和粉质黏土孔压和变形的影响,利用GDS-HCA试验系统开展了不同应力路径的 固结饱和粉质黏土不排水循环三轴试验和循环扭剪试验,研究了主应力轴循环旋转对 固结饱和粉质黏土累积塑性应变、孔压等动力特性的影响。结果表明：动剪应力幅值、心形应力路径所包围的面积、循环偏应力幅值等均随循环剪应力比和循环动应力比的增大而增大。试样未发生破坏时, 固结饱和粉质黏土的孔压比随着振动荷载作用次数的增加而增大;当试样发生破坏时,孔隙压力迅速消散,孔压比急剧下降。循环扭剪试验时试件产生的轴向累积塑性应变始终大于循环三轴试验产生的累积塑性应变,说明主应力轴循环旋转会加速试件轴向应变的累积。试件的累积塑性应变随循环剪应力比和循环动应力比的增大而增大。循环动应力比越大时,主应力轴旋转造成的轴向累积塑性应变差异越显著。在Monismith幂次函数模型的基础上,建立了主应力轴循环旋转条件时K0固结饱和粉质黏土累积塑性应变方程,并对模型的可靠性进行了分析和验证。     

预剪应力作用下原状黄土动力特性试验研究

以陕西武功地区原状黄土为对象,在不同含水率与不同初始平均主应力下进行动扭剪三轴试验,研究了预剪应力作用下原状黄土动剪切模量与阻尼比的变化规律。结果表明：原状黄土动剪切模量随动剪应变变化的整体趋势并未因存在预剪应力作用而发生改变;存在预剪应力作用时,含水率与初始平均主应力对原状黄土动剪切模量的影响程度降低;含水率与初始平均主应力对预剪应力作用下原状黄土的初始动剪切模量具有显著的影响;存在预剪应力作用时原状黄土的阻尼比随动剪应变的增大先减小而后缓慢增大,其值总体上在0.20～0.35之间;现有的半对数坐标进行直线方程拟合的方法已不再适用于存在预剪应力作用时原状黄土阻尼比的计算;含水率对原状黄土阻尼比随动剪应变变化规律的影响呈现出含水率越大、阻尼比越大的趋势;初始平均主应力对原状黄土阻尼比随动剪应变变化的影响规律不明显。     

主应力轴循环旋转下高密实粉土稳定性影响研究

为研究主应力轴循环旋转对粉土性状影响,对长江入海口高密实饱和粉土进行了主应力轴180°转幅的循环旋转试验。试验发现,等向固结的高密实粉土在恒定动剪应力比的主应力轴循环旋转下能发生孔压达到初始围压水平的液化破坏,但液化前孔压开展会因动应力水平的不同而呈现以渐变相态点和激变相态点区分的3阶段变化形式,或仅以激变相态点区分的两阶段变化形式。试样应变开展则始终呈现由崩塌点区分的两阶段变化形式,且孔压激变相态点与应变崩塌点同步反映了土体结构崩塌状态,崩塌状态时主应变差双向幅值限制在0.2%～0.4%这一较小范围内。试样进行主应力轴旋转达到崩塌时的应力状态与频率无显著关系,可由 - 空间中一条准不稳定状态线归一化。而以崩塌状态为终点进行归一化的主应力轴循环旋转下孔压振次曲线,可用修正的Seed公式进行较好拟合     

主应力方向变化路径下等压固结粉土强度特性差异和能量评价方法研究

主应力轴方向旋转变化是地基在波浪、车辆等荷载作用下经受的一种复杂而典型动力路径特征,为研究粉土在不同主应力轴方向变换条件下的强度特性差异,以初始密实度为70％的长江入海口饱和粉土空心试样为对象开展主应力轴旋转、拉压交变动三轴和双幅扭剪三轴试验。试验发现,等压固结条件下3种路径均使试样出现小应变崩塌液化破坏,且崩塌应力状态,可在p’-q空间中用近似平行的一组准不稳定相态线归一。而在液化和崩塌振次上,以同剪应力峰值的动扭剪下最高,动三轴次之,主应力轴旋转最低。在此基础上,提出采用崩塌损耗能对不同路径下土体动强度进行评价,结果表明,崩塌损耗能与剪应力幅值无显著关系,而在上述3种动力路径中,试样崩塌损耗能依次降低,这与3种路径下得到崩塌时刻递增的有效围压特征相匹配。崩塌能强度标准的采用,克服了复杂动力路径下由于剪应力恒定或循环变化造成应力水平无法统一而干扰强度评价的不足     

交通荷载引起的主应力轴旋转室内试验模拟探讨

为了通过室内试验研究交通荷载引起的主应力轴旋转对土体循环特性的影响,以单个移动荷载和列车荷载为例,分析了主应力轴旋转特点。以此为基础,结合空心圆柱仪的加载特点,给出了室内模拟主应力轴旋转的加载方法。竖向动应力可以用具有静偏应力的正弦荷载模拟,动剪应力可以用正弦荷载模拟,两者的相位差为 。为了模拟交通荷载引起的主应力差变化的特点,两种动应力的幅值应该是不同的。当试验中施加无应力反向的竖向动应力时,大主应力夹角在 ～ 和 ～ 之间变化。     

双向动荷载下黄土的动剪切模量特性研究

利用SDT-20型动三轴仪探究了黄土在双向动荷载下的动剪切模量特性。试验结果表明:初始循环偏应力和径向动荷载幅值对黄土的动剪切模量-动剪应变曲线没有明显影响,其对黄土的动剪切模量-循环次数曲线却有明显影响,初始循环偏应力和径向动荷载幅值越大,相同循环次数下黄土的动剪切模量越小。动剪切应变相等时,黄土的动剪切模量随固结比的增大而增大。双向动荷载作用下黄土存在临界循环偏应力,其值为0 k Pa。当循环偏应力小于临界值时,动剪切模量随动剪应变的增大而增大;当循环偏应力大于临界值时,动剪切模量随动剪应变的增大而减小。利用拐点动剪切模量折减的方式,并同时结合修正Hardin-Drnevich模型,实现了对黄土在双向动荷载下动剪切模量-动剪应变关系的描述。经验证,模型的适用性较好。     

排水条件下卸荷土体变形特性的真三轴试验研究

在真三轴仪上模拟基坑开挖周边土体的应力路径,进行了排水与不排水两种卸荷试验,通过对试验结果的对比分析可知,土体在不同排水条件下应力-应变关系有着显著的差异,说明排水条件对土体的变形性状有一定的影响。进一步研究了排水条件下卸荷土体广义剪应力与广义剪应变的关系,证明土体广义剪应力与广义剪应变关系曲线呈明显的非线性,并根据土体实际应力路径定义了中主应力系数,推导出了土体卸荷剪切模量计算公式。     

主应力轴循环旋转下各向异性钙质砂的动力响应

为研究各向异性钙质砂在主应力轴循环旋转荷载下的动力剪切特性,利用GDS空心圆柱扭剪仪对中密钙质砂进行了各向异性固结方式下的纯主应力轴循环旋转的不排水试验,探究了中密钙质砂在动力荷载下各应变分量的发展规律和刚度变化情况。发现各向异性固结方式加剧了钙质砂试样微观结构上的各向异性,使其在主应力轴循环旋转条件下广义剪应变由"稳定型"向"破坏型"发展。对于"稳定型"试验,各应变分量基本上都随振次的对数值呈线性关系,由此得到了"稳定型"钙质砂轴向应变εz与振次N的经验公式。随着振次增加,"破坏型"钙质砂发生软化,且在10个振次以后,动剪切模量迅速单调降低,引入软化指数RN来反映动剪切模量的软化程度,得到了软化指数RN与振次N的计算经验公式。     

初始中主应力系数对中密粉煤灰动模量阻尼比影响的试验研究

利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,开展了在三向非均等固结状态下的饱和中密粉煤灰循环扭剪试验。着重探讨了初始中主应力系数对饱和中密粉煤灰的动模量和阻尼比特性的影响。试验结果表明：初始中主应力系数对粉煤灰动剪切模量有一定的影响,对阻尼比没有影响。根据仪器量测系统的特点,采用了大小位移计联合测量角位移的方法,不仅能够提高测试精度,而且能够获得完整的动模量和阻尼比随动剪应变幅值的变化过程。     

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。     

圆形应力路径下软黏土的动力特性试验研究

实际交通荷载作用下,路基土单元内的竖向应力和水平应力大小不断发生变化,剪应力幅值和方向也不断变化,从而导致土体中的应力路径呈现出主应力轴连续旋转的现象。本文通过GDS空心圆柱扭剪仪模拟类似交通荷载作用下的应力路径,开展不同围压和不同循环应力比下的主应力轴连续旋转试验,旨在研究在交通荷载类轴向纯压缩条件下主应力轴方向连续旋转时循环应力比与围压对原状软黏土的强度、累积应变、回弹应变、软化等因素的影响。试验结果表明：随着孔压的不断累积,原状饱和软黏土试样逐渐软化,轴向模量和剪切模量均随着循环应力比和围压的增加逐渐降低,并在主应力轴旋转一定的圈数后达到稳定。当循环应力比较小时,轴向和剪切应力应变滞回曲线均呈线性,不同主应力轴旋转圈数下的轴向和剪切应力应变滞回曲线近乎重合。随着主应力轴旋转圈数的增加,轴向和剪切应力应变滞回曲线越来越表现出明显的非线性,不同旋转圈数下试样的轴向和剪切应力应变滞回圈不再重合且滞回圈逐渐向x轴倾斜。随着循环应力比的增加,在主应力轴连续旋转初期,轴向模量和剪切模量迅速衰减,且随着加载圈数的增加达到稳定,并且试样的轴向模量和剪切模量达到稳定时的主应力轴连续旋转的圈数随循环应力比和围压的增大而不断增大。     

圆形应力路径下软黏土的动力特性试验研究

实际交通荷载作用下,路基土单元内的竖向应力和水平应力大小不断发生变化,剪应力幅值和方向也不断变化,从而导致土体中的应力路径呈现出主应力轴连续旋转的现象。通过GDS空心圆柱扭剪仪模拟类似交通荷载作用下的应力路径,开展不同围压和不同循环应力比下的主应力轴连续旋转试验,旨在研究在交通荷载类轴向纯压缩条件下主应力轴方向连续旋转时循环应力比与围压对原状软黏土的强度、累积应变、回弹应变、软化等因素的影响。试验结果表明：随着孔压的不断累积,原状饱和软黏土试样逐渐软化,轴向模量和剪切模量均随着循环应力比和围压的增加而逐渐降低,并在主应力轴旋转一定的循环次数后达到稳定。当循环应力比较小时,轴向和剪切应力-应变滞回曲线均呈线性,不同主应力轴循环旋转次数下的轴向和剪切应力-应变滞回曲线近乎重合。随着主应力轴循环旋转次数的增加,轴向和剪切应力-应变滞回曲线越来越表现出明显的非线性,不同循环次数下试样的轴向和剪切应力-应变滞回圈不再重合且滞回圈逐渐向x轴倾斜。随着循环应力比的增加,在主应力轴连续旋转初期,轴向模量和剪切模量迅速衰减,且随着循环次数的增加而达到稳定,并且试样的轴向模量和剪切模量达到稳定时的主应力轴连续旋转的循环次数随循环应力比和围压的增大而不断增大。     

原状海洋土动泊松比的试验研究

利用空心圆柱扭剪（HCA）仪,针对原状海洋粉质黏土,通过循环三轴及循环扭剪试验,得出相应的杨氏模量、剪切模量和动泊松比,探讨了有效固结围压、固结应力比对动泊松比的影响。试验结果表明：土体的动泊松比随着广义剪应变的增大而增大;有效固结围压、固结应力比均对动泊松比有显著的影响,动泊松比随着有效固结围压、固结应力的增大而逐渐减少;且随着广义剪应变的增大,两者对动泊松比的影响减小,当广义剪应变增大到1.8×10-2左右,试验终止,此时土体动泊松比约为0.48。试验中未出现动泊松比大于0.5的现象,说明土体未出现剪胀现象,试验所采用的粉质黏土在循环荷载作用下具有较好的稳定性     

主应力轴旋转下小偏压固结密实粉土崩塌特性及孔压模型研究

为研究主应力轴旋转复杂动应力对偏压固结粉土的性状演变影响,以空心圆柱试样为对象,开展具有不同初始固结比的密实粉土（Dr＝70%）在不排水主应力轴循环旋转下的系列试验。结果表明：①初始固结比不大于1.5时,主应力轴旋转导致试样发生中低应变崩塌,进而液化的脆性破坏模式;而固结比大于1.5时,试样变为应变持续稳定开展至高应变,孔压最终进入动态平衡的延性破坏模式,且不同固结比下试样发生崩塌液化和稳态延性破坏的孔压峰值间不存在交叉。②小偏压固结试样的液化峰值孔压和崩塌孔压均随固结比增加而有规律地下降,但受动剪应力水平影响很小,这与等压固结试样的崩塌孔压值受控于剪应力水平有很大差异。③相同初始球应力水平下,崩塌振次反映的小偏压固结试样强度高于等压固结试样,但在偏压条件下强度与固结比不存在单调变化关系,表明小偏压固结试样崩塌除受制初始围压水平外,很大程度上还取决于偏压程度。④基于上述试验结果,提出了主应力轴循环旋转下小偏压固结粉土的孔压预测模型,该模型不仅突显了崩塌状态对相变及液化破坏的重要预测作用,还反映了固结比和动剪应力对孔压开展的综合影响。     

岩土塑性理论中功表达的近似性

对广义剪应力、广义剪应变的表达式作了说明,在给出其增量表达的同时,指出了在计算二者增量时可能产生的误解。在此基础上,分析比较由平均主应力、体积应变增量、广义剪应力、广义剪应变增量表述的功的增量以及由三向主应力与三向主应变增量表述的功的增量得出：两种表述在一般情况下并不一致。但在某些特殊情况下,例如等应力Lode角加载并满足应力全量Lode角与应变增量Lode角相等时,二者的表述一致。岩土塑性理论中塑性功增量存在与功的增量相同的问题,然而对于实际岩土材料,应力全量与塑性应变增量等Lode角的假定在一般情况下是不能满足的。因此在岩土塑性理论中,对于一般情况下的等应力Lode加载情况,用平均主应力、塑性体积应变增量、广义剪应力、塑性广义剪应变增量表述的塑性功增量也只是一种近似。     

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。     

不同中主应力下压实黄土变形特性的真三轴试验研究

通过压实黄土在不同中主应力系数和不同σ3时的真三轴试验,研究了中主应力对压实黄土变形特性的影响。研究表明:随着中主应力系数的增大,达到同一主应变的主应力差σ_1~σ_3越大,且曲线从一开始就呈硬化型,证明中主应力对压实黄土的强度有一定的加固作用。不同的中主应力系数下,ε_1~ε_v关系曲线除b=1之外均出现"峰值",且大约在主应变发展至4%~6%左右出现了交叉,交叉后曲线变化有明显的区间效应。随着中主应力系数b的增加,达到相同广义剪应变对应的广义剪应力q也越大。对广义剪应力与平均主应力比(q/p)与主应变(ε_1)归一化,随着b值的增加,曲线依次降低。在b=0~0.5之间,曲线之间的区分度较好,曲线降低幅度较大。b=0.5~1之间曲线之间的区分度较差,曲线几乎重合。     

一种新型动单剪仪的研发与试验验证

与动三轴仪和动扭剪仪相比较,动单剪仪具有加载条件更接近实际地震作用,且剪应力可以直接施加及剪应变可以直接量测等多方面的优点。然而,现有的动单剪仪仍存在剪应力-应变不均匀、边界条件不稳定、潜在剪切面和试样尺寸效应等技术问题。在比较分析现有动单剪仪加载机构和应力-应变条件的基础上,提出了一种新型立方体铰接机构动单剪仪的研制思路和加载原理。介绍了该仪器的压力室结构、加荷系统、量测系统和自动控制系统。利用有限差分程序模拟了3种不同单剪加载机构对土样剪应变分布的影响,验证了新型单剪仪设计使土样中剪应变分布更加均匀。针对2种原状黄土开展了一系列不同试验条件下的循环单剪试验。测试结果表明,该仪器的加载控制精准且量测信号可以较为真实有效地再现动荷载输入,且竖向应变、剪应变、剪应力和循环周次之间的关系曲线很好地揭示了原状黄土的震陷特性及其变化规律。     

主应力轴旋转对压实黄土动变形特性的影响

实际工程中的地基或路基的土体往往处于复杂初始应力状态,在地震或其他动荷载的作用下会出现变形和沉降,而常规的室内土工试验无法真实再现这种固结应力条件下土的动力特性。通过对原有的DTC-199型周期扭转荷载三轴仪进行简单的改造后可进行土体在主应力轴发生旋转时的压实黄土动变形的试验研究。结果表明,在其他固结条件不变的情况下,初始主应力方向角α对压实黄土的动剪切模量有一定的影响,随着α的增加,动剪切模量有减小的趋势,最大动剪应力也逐渐减小,但是α对最大动剪切模量的影响不太显著。初始主应力方向角α对压实黄土的阻尼比基本没有影响,在λ-lgγd的半对数坐标图中,阻尼比随动剪应变的增加有逐渐增大的趋势,并且表现出较好的相关性。     

循环荷载下黏土应变积累积强化模型研究

循环加载历史是影响土的动力特性的一个重要因素。通过对一种原状粉质黏土进行高循环次数单剪试验,研究了黏土体应变随剪应变幅值及循环次数的变化规律,以及由于体应变的累积对黏土动力特性产生的影响。试验结果表明,黏土的体应变随着循环次数的增多和循环剪应变幅值的增大而增大,而土的动力特性则随着体应变的不断累积而出现强化现象,表现为动剪模量增加,阻尼比减小。对累积体应变与动剪模量、阻尼比之间的关系进行了研究,提出了相应的强化关系式。在常用的非线性模型基础上,通过引入动剪模量的强化系数和阻尼比的衰减系数,建立了一种能考虑循环应变历史影响的土动力模型。