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。     

复杂应力条件下长江口原状饱和软黏土门槛循环应力比试验研究

针对取自于长江口的海洋原状饱和软黏土,利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,在控制不同初始固结参数的三向非均等固结状态和不排水条件下,分别进行了轴向和扭转双向耦合循环剪切以及循环扭剪等多种复杂循环剪切试验。分别研究了初始大主应力方向角、初始偏应力比、初始中主应力系数以及循环剪切应力模式等因素对门槛循环应力比的影响。试验结果表明,在三向非均等固结条件下,初始大主应力方向角、初始偏应力比对门槛循环应力比影响显著,门槛循环应力比随着初始大主应力方向角与初始偏应力比的增大而明显减小;而初始中主应力系数对门槛循环应力比基本没有影响。循环剪切应力模式对门槛循环应力比具有显著影响,在相同的初始固结应力条件下,循环耦合剪切试验确定的门槛循环应力比明显小于循环扭剪试验所确定的门槛循环应力比。     

循环荷载下考虑主应力旋转的软土力学响应研究

目前用于轨道路堤分析计算的参数多是通过三轴试验获得,而列车荷载经过时土单元应力路径与循环三轴试验加载路径的显著差异可能导致预测失真而引发工程问题。针对某城市轨道进行了三维计算,并分析了移动列车荷载下土单元应力幅值、循环周数、主应力轴旋转的分布规律。在该基础上,采用空心圆柱循环扭剪试验对该复杂应力路径进行了模拟,研究了饱和软黏土的孔压及变形累积特性。结果表明,列车荷载经过时地基土单元大主应力将在(－90°, 90°)内发生旋转;该主应力轴旋转将显著促进软黏土孔压和应变的累积,竖向应力幅值为15 kPa时,循环扭剪试验产生的孔压值比循环三轴试验高77%,累积应变增大了近50%;随着循环应力水平提高,二者累积孔压及累积应变的差值还会进一步增大,甚至出现循环三轴下仅产生较小应变而循环扭剪下已破坏的本质性差异。     

恒定主应力轴偏转循环荷载下饱和软黏土累积孔压特性分析

现有的饱和软黏土循环荷载累积孔压显式模型未能反映路基土体单元在土体自重作用下主应力轴的偏转现象。在确定饱和软黏土固结时间的基础上,在固结压力分别为100、150、200 kPa下,对软黏土进行主应力轴偏转角为15°、30°、45°的不排水循环加载试验,得到了固结围压、主应力轴旋转角及动应力比对循环累积孔压影响的规律。基于第一次循环加载累积孔压变化规律和修正动偏应力水平,建立了能考虑恒定主应力轴偏转角循环加载下累积孔压显式模型,并利用恒定主应力轴偏转角循环加载试验结果验证了模型的合理性。建立的循环荷载下饱和软黏土累积孔压显式模型参数易于确定,参数具有明确的物理意义且能考虑主应力轴的恒定偏转现象。     

循环荷载下饱和软黏土的累积塑性应变试验研究

通过以交通荷载为背景的饱和重塑软黏土室内不排水动三轴试验,研究了循环荷载作用下饱和重塑软黏土的累积塑性应变发展形态,可分为3种类型：稳定型、破坏型和临界型。根据稳定型累积塑性应变发展曲线特点,提出了饱和软黏土的稳定累积塑性应变方程,并通过试验结果分析了该方程中各拟合参数与动应力幅值、固结围压和静偏应力的变化规律,同时提出了求解无静偏应力条件下软黏土临界动应力的解析方法。通过动三轴试验结果,提出了含动应力幅值、固结围压、静偏应力和循环周次等影响因素的累积塑性应变拟合模型。     

不同应力路径下饱和黏土耦合循环剪切特性

地基土单元体在波浪荷载的作用下将发生主应力轴连续旋转,这对土的强度和变形特性会产生显著的影响。针对饱和黏土,利用土工静力－动力液压三轴－扭转多功能扭剪仪进行了均等固结下的耦合循环剪切试验,着重研究了不同循环应力路径对应力-应变关系和强度特性的影响。试验结果表明,耦合循环荷载下黏土扭转剪切分量和正向偏差分量的应力-应变关系曲线与应力路径有关,且随着振动次数的增加逐渐疏松,割线模量 和 不断衰减,这与不固结不排水条件下的应力-应变关系曲线的变化规律明显不同;扭转剪切分量大的椭圆应力路径的动强度略小于正向偏差分量大的动强度。饱和黏土在不同应力路径下的力学特性的试验研究可以为建立复杂应力路径下的本构模型提供试验依据。     

循环作用下粘土应变软化研究

循环荷载作用下,饱和软粘土将发生应变软化现象。通过对杭州饱和软黏土进行应力控制的循环三轴试验,研究循环次数、循环应力比、固结比、频率、超固结比对土体应变软化的影响。试验结果表明,循环次数的增加,循环应力比的提高,都将加快土体软化;循环荷载作用下,软黏土存在临界循环应力比,当循环应力比较小或较大时,软化指数与lgN近似为线性关系,而当循环应力比在临界循环应力比左右时,两者表现为明显的曲线关系。     

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。     

饱和软黏土动力学特性循环扭剪试验研究

以饱和软黏土的循环扭剪试验研究为基础,阐明不固结不排水条件下饱和软黏土的动力学特性。在循环扭剪和循环三轴两种不同试验应力状态下,通过研究不同围压和不同静、动应力组合下饱和软黏土的应力等效破坏关系和应变等效破坏关系,提出在循环荷载作用下饱和软黏土的循环破坏同样遵循Mises屈服准则,且在Mises屈服准则下,饱和软黏土的循环强度趋于不变量。循环破坏的过程可以等效为一种拟静力弹塑性循环蠕变,建立了饱和软黏土循环累积变形随静荷载、循环荷载以及循环破坏振次之间的关系式。上述结论分别从应力和变形两个方面阐述饱和软黏土的动力学特性,与试验应力状态和围压无关,可以推广到一般应力状态下。     

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。     

Monotonic and cyclic characteristics of K0-Consolidated saturated soft clay under a stress path involving a variable confining pressure

In certain field conditions such as offshore projects under wave loads or embankments under traffic loads, both the vertical and horizontal stresses are variable. However, previous investigations rarely considered the variation in horizontal stress. To better understand the characteristics of natural saturated soft clay, a series of monotonic and cyclic triaxial tests with a K₀-consolidation state were carried out under a variable confining pressure (VCP) stress path. The development of axial strain, pore water pressure and effective stress path is analysed. The results show that with the increase in η (the ratio of the variation in the mean effective principal stress to that of the deviatoric stress), the undrained shear strength (q_f) decreases continuously. The pore water pressure generation is slightly improved under a stress path with increasing confining pressure. Based on the test results, a unified formula was established to predict the pore water pressure under VCP stress paths. The unique p–q–e relationship of normally consolidated clay in monotonic VCP triaxial tests was also demonstrated. Under VCP stress paths, the amplitude of the pore pressure increases, and the effective stress path tilts more sharply to the right. Moreover, a unified formula was established that can provide a good reference for predicting effective stress paths under cyclic VCP triaxial tests.

     

Influence of initial state and intermediate principal stress on undrained behavior of soft clay during pure principal stress rotation

It is important to be fully aware of the dynamic characteristics of saturated soft clays under complex loading conditions in practice. In this paper, a series of undrained tests for soft clay consolidated with different initial major principal stress direction ξ were conducted by a hollow cylinder apparatus (HCA). The clay samples were subjected to pure principal stress rotation as the magnitudes of the mean total stress p, intermediate principal stress coefficient b, and deviator stress q were all maintained constant. The influences of intermediate principal stress coefficient and initial major principal stress direction on the variation of strain components, generation of pore water pressure, cyclic degradation and non-coaxiality were investigated. The experimental observations indicated that the strain components of specimen were affected by both intermediate principal stress coefficient and initial major principal stress direction. The generation of the pore water pressure was significantly influenced by intermediate principal stress coefficient. However, the generation of pore water pressure was merely influenced by initial major principal stress direction when b?=?0.5. It was also noted that the torsional stress–strain relationships were affected by the number of cycles, and the effect of intermediate principal stress coefficient and initial major principal stress direction on the torsional stress–strain loops were also significant. Stiffness degradation occur under pure principal stress rotation. Anisotropic behavior resulting from the process of inclined consolidation have considerable effects on the strain components and non-coaxial behavior of soft clay.

     

Anisotropic bounding-surface plasticity model for the cyclic shakedown and degradation of saturated clay

The cyclic behaviours of embedded offshore structures under different cyclic loading levels are related to the cyclic shakedown and degradation of the surrounding soils. In the present study, a damage-dependent bounding-surface model based on a newly proposed hardening rule was developed to predict the cyclic shakedown and degradation of saturated clay and the effect of the initial anisotropic stress state. By extending the Masing’s rule to the bounding-surface plasticity theory, the stress reversal point is taken as the generalised homological centre of the bounding surface. With movement of the generalised homological centre, at lower stress amplitudes, the cyclic process ends at a steady state, and cyclic shakedown is reached. At higher stress amplitudes, a damage parameter related to the accumulated deviatoric plastic strain is incorporated into the form of the bounding surface, which is hence able to contract to model degradations in stiffness and strength. To take into account the effects of initial anisotropic conditions on the cyclic behaviour of soils, an initial anisotropic tensor is introduced in the bounding surface. The developed model is validated through undrained isotropic and anisotropic cyclic triaxial tests in normally consolidated and overconsolidated saturated clay under both one-way and two-way loadings. Both cyclic shakedown and degradation are well reproduced by the model, as is the anisotropy effect induced by the initial anisotropic consolidation process.     

超固结黏土单调和耦合循环的剪切特性研究

针对超固结黏土空心试样,利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,在均等固结条件下进行了单调扭剪和三轴-扭转耦合循环剪切试验。试验结果表明：不同超固结比黏土的单调扭剪强度也可由正常固结黏土的单调扭剪强度得到,得到了不同超固结比下饱和黏土的强度及模量的退化规律;随着超固结比的增大,相同破坏循环次数的动应力比和临界循环应力比均线性增大;超固结比对耦合循环剪切的孔隙水压力的发展模式影响显著。参考Yasuhara的测量方法,采用荷载停止后继续采集孔压的方法可以更好地反映黏土在耦合循环荷载下产生的真实孔压和孔压的增长情况。提出的综合应变式同时考虑了剪切变化和正向偏差变形的共同效应,适合作为主应力连续旋转的耦合循环剪切试验的破坏标准。     

基坑土体侧向卸荷真三轴试验研究

对武汉地区具有代表性的粉质粘土,用基坑开挖过程中坑周土体的应力路径在真三轴上进行模拟试验,得到平面应变条件下固结不排水卸荷试验结果,将其整理成应力-应变关系曲线、孔隙水压力-竖向应变关系曲线、中主应力系数-竖向应变关系曲线和卸荷试验应力路径图。试验结果表明,竖向( )压力不变,侧向( )卸荷时,其应力-应变关系随固结压力的增加,由应变硬化型向应变软化型转化;固结压力较低时,表现为剪胀,固结压力较高时,表现为先剪缩,后剪胀;当中主应力( )始终大于但接近于侧向压力( ),按所定义的中主应力系数bd值较稳定;有效应力路径随固结压力增大产生偏转。这些结论为进一步研究粘性土中主应力的作用奠定了基础。     

复杂应力路径下杭州原状软黏土破坏标准研究

采用空心圆柱扭剪仪对主应力轴方向固定不变定向不排水剪切应力路径下杭州原状软黏土破坏标准进行试验研究,重点探讨了中主应力参数b、大主应力方向角?及孔压积累对剪切过程中黏土抗剪强度的影响,并提出原状软黏土剪切破坏的标准。试验结果表明,中主应力参数的变化没有对应力应变变化模式和试验应力路径产生影响,随着中主应力参数的增大,黏土抗剪强度的变化并没有呈现出一定的规律性;大主应力方向角对原状软黏土强度的影响反映出原生各向异性对黏土抗剪强度的控制作用;黏土样在剪切后期会产生显著的孔压积累,影响了黏土强度的发挥。考虑中主应力参数等影响因素,通过分析广义剪应力-应变曲线的变化情况,取广义剪应力qJ的峰值作为原状软黏土的剪切破坏标准。     

原状和重塑海洋粘土经历动载后的静强度衰减

根据海洋粉质粘土原状和重塑土样的动三轴试验结果, 比较和分析了两种土样应力、应变、孔隙水压力和不排水抗剪强度行为, 得到了土样的静不排水抗剪强度衰减与波浪荷载作用下土样产生的动应变以及平均累积孔压之间的关系。 并将波浪荷载作用使土样内孔压升高, 有效应力降低, 形成拟超固结现象的理论, 应用到土样不排水抗剪强度衰减与平均累积孔压之间关系的分析;同时与重塑土样的超固结静态剪切试验结果进行比较, 得到了土样在波浪荷载作用后的归一化不排水抗剪强度与拟超固结比之间的关系式。 建议以少量原状土样, 配合大量重塑土样的动三轴试验结果, 实现对实际海洋粘土地基在波浪荷载作用后的静不排水抗剪强度衰化规律的评估。     

真三轴应力条件下修正邓肯-张模型的试验研究

邓肯-张非线性模型已经被广泛的应用于工程实践的应力-应变数值分析中。考虑轴对称应力条件下邓肯-张模型应用于复杂应力时存在的不足,依据原状土的真三轴试验数据对邓肯-张模型预测结果与实测结果进行比较,论证了复杂应力条件下邓肯-张模型的适用性。通过考虑真三轴试验应力条件下中主应力对大主应变的影响,邓肯-张E-B模型大主应变叠加中、小主应力差作用产生的变形,提出了不同中主应力比的邓肯-张E-B模型参数确定方法,建立了复杂应力路径条件下修正的邓肯-张E-B模型。经与西安原状土真三轴试验结果进行比较,验证了修正邓肯-张E-B模型的正确性,为邓肯-张模型在复杂应力条件下的应用提供了途径。