Influences of loading direction and intermediate principal stress ratio on the initiation of strain localization in cross-anisotropic sand

Since cross-anisotropic sand behaves differently when the loading direction or the stress state changes, the influences of the loading direction and the intermediate principal stress ratio (b = (σ ₂ ? σ ₃)/(σ ₁ ? σ ₃)) on the initiation of strain localization need study. According to the loading angle (angle between the major principal stress direction and the normal of bedding plane), a 3D non-coaxial non-associated elasto-plasticity hardening model was proposed by modifying Lode angle formulation of the Mohr–Coulomb yield function and the stress–dilatancy function. By using bifurcation analysis, the model was used to predict the initiation of strain localization under plane strain and true triaxial conditions. The predictions of the plane strain tests show that the major principal strain at the bifurcation points increases with the loading angle, while the stress ratio decreases with the loading angle. According to the loading angle and the intermediate principal stress ratio, the true triaxial tests were analyzed in three sectors. The stress–strain behavior and the volumetric strain in each sector can be well captured by the proposed model. Strain localization occurs in most b value conditions in all three sectors except for those which are close to triaxial compression condition (b = 0). The difference between the peak shear strength corresponding to the strain localization and the ultimate shear strength corresponding to plastic limit becomes obvious when the b value is near 0.4. The influence of bifurcation on the shear strength becomes weak when the loading direction changes from perpendicular to the bedding plane to parallel. The bifurcation analysis based on the proposed model gives out major principal strain and peak shear strength at the initiation of strain localization; the given results are consistent with experiments.     

复杂应力条件下饱和砂土排水剪切强度的试验研究

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,在不同初始固结条件下控制试验过程的平均主应力保持不变,改变中主应力系数和主应力方向,进行了应力控制式单调排水剪切试验,着重探讨中主应力系数和主应力方向对砂土剪切强度的耦合影响。试验结果表明：在相同的试验条件下,中主应力系数对饱和标准砂的应力-应变关系具有影响,但对体变特性的影响并不明显。上述现象同初始固结应力比的大小无关。平均主应力一定,广义剪应力随中主应力系数增大而降低的趋势同时依赖于主应力方向的作用。中主应力系数对内摩擦角的放大效应同样受到主应力方向的影响。基于广义双剪应力准则,引入考虑主应力方向影响程度的权重系数,结合试验结果给出了考虑中主应力系数和主应力方向耦合影响的强度指标表达式。     

粉细砂的真三轴试验与强度特性

采用柔性真三轴仪对上海粉细砂进行了一系列不同中主应力系数条件下的真三轴试验,针对中主应力对粉细砂强度特性的影响进行了系统分析。基于真三轴试验结果对Mohr-Coulomb强度准则的形状函数进行了改进,并采用试验结果对强度准则进行验证。结果表明,建立在真三轴试验基础上的强度准则能更准确地反映砂土三维应力状态下的强度特性。     

Effect of Initial Principal Stress Direction on the Dynamic Characteristics of Carbonate Sand

INTRODUCTION Theexploitationofoffshorenaturalresourcesin thetropichaspresentedgeotechnicalengineerswith theproblemofdealingwithinsitucarbonatesedi mentsinharshconditionsforwhichfewengineering dataareavailable.Thecarbonatesedimentsaresub jectedtolargestaticstressesduetotheweightof foundationstructuresaswellascyclicstressesdueto waveaction,andinsomecases,earthquakeloading.Ithasbeenprovedthatthenatureofcyclicstresschangesoccurringintheseabeddepositduetowave loadinginvolvesacontinuousrotationo…     

岩石空心圆柱扭剪仪试验能力

针对自行研制的岩石空心圆柱扭剪仪可独立控制4个加载参数（轴力、扭力、内围压和外围压）的功能,通过数学和力学分析,系统地整理出几种易于实现且符合实际工程的应力路径及加载方式：在轴力与内围压满足一定关系的前提下,可以获取岩石的抗拉强度,提供一种新型测量岩石抗拉强度的方法;通过控制内外围压及轴力,可以进行常规三轴试验与真三轴试验,克服了现阶段岩石真三轴试验中试验装置复杂、试样加载面摩擦大的缺点;在轴力与内、外围压分别满足一定关系时,可以分别实现平均应力p不变与中主应力系数b不变的应力路径,用于研究应力主轴旋转对岩石力学性质的影响。上述应力路径的实现对岩石力学性质的研究以及现阶段岩石室内试验的发展具有重要意义。     

Predicting the initiation of static liquefaction of cross‐anisotropic sands under multiaxial stress conditions

Experimental evidence has shown that the liquefaction instability of sands can be affected by its material density, stress state, and inherent anisotropy. In order to predict the initiation of the static liquefaction of inherent cross‐anisotropic sands under multidimensional stress conditions, a rational constitutive model is needed. An elastoplasticity model able to capture the influences of intermediate principal stress ratio (b  = (σ ₂ ? σ ₃)/(σ ₁ ? σ ₃)) and loading direction on stress–strain relationships and volumetric properties was proposed. The yield function was formulated to be controlled by Lode angle, loading direction, and material state; the stress–dilatancy was a material state‐dependent function. After using the existing drained hollow cylinder tests to validate the proposed model, this model was used to simulate the existing undrained hollow cylinder tests. During this simulation, the second‐order work criterion was used to determine the initiation of static liquefaction. The results showed that an increase in both the intermediate principal stress ratio and the loading angle induces a decrease in the second‐order work. Static liquefaction is initiated more easily at a stress state with a large intermediate principal stress ratio and a large loading angle, and the mobilized friction angle at the instability points decreases with the intermediate principal stress ratio and the loading angle. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

Q3砂黄土真三轴强度变形特性研究

为了研究Q3砂黄土强度变形特性,以甘肃永靖黑方台Q3砂黄土为研究对象,利用西安理工大学研制的真三轴仪,进行了3个围压（50、100 kPa 和200 kPa）、3个b值（0、0.25和0.5）和3个含水率（5%、10%和15%）不同工况试样破坏情况的真三轴试验。试验结果发现：（1）真三轴条件下Q3砂黄土剪切破坏方式以侧胀破坏、单缝剪切破坏为主,其次少数土样发生锥形破坏、双缝剪切破坏和T型缝剪切破坏。（2）相同围压和含水率、不同中主应力比（b）的情况下,Q3砂黄土的主应力差随中主应力比增大而增大,应力-应变关系曲线为强硬化型,剪胀现象明显;中主应力比对广义剪应力和广义剪应变之间关系有一定影响,随b值增加,曲线依次增加;随b值的增加,强度降低,广义剪应力与平均球应力比（q/p）与主应变关系曲线逐渐变缓,且曲线依次降低。（3）随含水率增加,Q3砂黄土由固态向半固态转化过程中,不同中主应力比时黏聚力均出现明显降低,但内摩擦角则出现微小增加。     

Effect of inherent anisotropy on the strength of natural granite residual soil under generalized stress paths

It is universally known that residual soils behave very differently from sedimentary soils. While the latter is widely known as cross-anisotropic, little is known regarding the strength anisotropy of residual soils. This study presents how the inherent anisotropy affects the strength of natural granite residual soils under generalized conditions, where intact specimens were carefully prepared and sheared under triaxial compression, extension, simple shear, and hollow cylinder torsional shear tests. The strength of natural residual soil, in terms of ultimate stress ratio M and undrained shear strength S_u, is found to be significantly anisotropic in a different way from normally consolidated clays with the maximum strength obtained under triaxial compression and the minimum under simple shear or at intermediate principal stress direction. As a result, the existing method failed to measure the anisotropy degree of the studied soil. Two parameters were proposed accordingly to quantify the anisotropic strength under general conditions, taking the special strength anisotropy pattern and cohesive-frictional nature of GRS into account. The proposed parameters enable the direct comparison of strength anisotropy among soils. This study serves as a data set to better understand residual soils regarding their anisotropic behaviors under generalized conditions. Although specific to granite residual soils in China, this study is expected to be more widely applicable to other weathered geomaterials.

     

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。     

一种适用于各向异性土体的破坏准则

自然界的土体通常具有各向异性的特点,而传统的破坏准则大多只适用于各向同性的土体。结合应力张量和反映材料各向异性状态的组构张量,定义了修正偏应力及其不变量,提出了适用于各向异性土体材料的破坏准则。给出了共轴条件下正交各向异性和横向各向异性材料在一般应力空间的破坏曲线以及不同应力区中主应力系数b与摩擦角的关系曲线,并分析了它们的特性以及与各向同性材料相应曲线的区别。通过与真三轴试验数据的比较,表明该准则能很好地描述各向异性土体材料的强度特点。     

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。     

主应力轴旋转条件下冻结黏土的动强度特性北大核心CSCD

研究冻土动强度对寒区工程和人工冻结工程施工及安全性评价具有重要意义。为了揭示主应力轴旋转对冻结黏土动强度特性的影响,利用空心扭剪仪开展不同围压下冻结黏土动三轴和空心扭剪试验,探讨了主应力轴旋转对冻结黏土动强度、动黏聚力和动内摩擦角变化规律的影响。结果表明:主应力轴旋转导致冻结黏土试样的动强度降低,围压越低主应力轴旋转对动强度影响效果就越明显;随着震动次数的增多,主应力轴旋转条件下冻结黏土动黏聚力衰减速度相对于主应力方向固定时加快;不同于主应力轴方向固定条件下动内摩擦角随震动次数增多而衰减的特点,在主应力轴旋转条件下动内摩擦角随震动次数增多而增大。另外,研究显示主应力轴旋转条件下动强度、动黏聚力和动内摩擦角均与震动次数的对数呈良好的线性关系,用线性方程对其进行了拟合,并给出拟合系数和确定系数。     

宏细观结合考虑主应力轴旋转的砂土破坏特性

采用宏细观结合各向异性破坏准则对主应力轴旋转条件下砂土的破坏特性进行分析。该准则是加载应力、组构各向异性程度和应力与组构几何关系3个因素的函数,可描述细观特性对任意应力旋转角度条件下破坏特性的影响。根据空心圆柱扭剪试验的特点推导一般正交坐标系下主应力轴旋转条件下的破坏关系式,考虑应力与砂土细观组构的几何关系,推导的关系式即可分析该条件下破坏特性。材料为各向异性时,主应力轴旋转造成破坏特性发生变化,细观各向异性程度越小变化越小;材料为各向同性时,则不会造成砂土破坏特性的变化。该式表明主应力轴旋转条件下不同破坏特性存在的根本原因是砂土各向异性的存在。采用空心圆柱试验结果进行验证,结果表明建立的关系式能较好描述不同应力加载角度条件下砂土的破坏特性。初步验证了由于砂土各向异性的存在使得主应力轴旋转造成了不同的破坏规律。     

循环加载方向角对饱和粉土不排水动力特性的影响

利用GDS空心圆柱仪进行了一系列主应力方向角?d变化的轴向、扭转、内压和外压四向耦合不排水循环剪切试验。在均等固结条件下,着重研究了循环加载方向角?d0对饱和粉土动力特性的影响。试验结果表明：饱和粉土的双规准化孔压发展模式与?d0无关,但受循环应力比CSR的影响;广义剪应变的发展模式不受?d0的影响。在循环剪切过程中,循环加载方向的变化对粉土的不排水动强度有显著影响,饱和粉土的动强度CRR随着?d0的增大呈现出先减小后增大的变化趋势,且当?d0=45°时CRR最小。同时,建立了反映?d0与CSR影响的孔压、变形的模型,并给出了相应的动强度表达式。     

真三轴条件下原状黄土的非线性本构模型

为了研究复杂应力条件下非饱和原状黄土的非线性本构模型,通过考虑真三轴条件下中主应力和吸力对大主应变的影响,提出了一个考虑中主应力影响的非饱和原状黄土的非线性本构模型。该模型包含12个参数,均可由常含水率非饱和土真三轴试验确定。研究了中主应力对土体变形和强度的影响,探讨了模型参数的变化规律。初始吸力一定时,土体的黏聚力随着中主应力的增大而增大,而内摩擦角随着中主应力的增大呈线性减小趋势。当吸力小于162 kPa时,吸力摩擦角等于21.8°;当吸力大于162 kPa时,吸力摩擦角等于5.5°。初始吸力相同时,不同中主应力条件下土体的体积模量可取为常数。利用该模型预估了常含水率真三轴等向固结试验的吸力变化规律,理论结果与试验结果比较接近。但是对于真三轴剪切试验吸力的预估还需要进行深入探讨。     

真三轴试验中的端部摩擦效应分析

端部摩擦效应是三轴试验的常见问题之一。相对于常规三轴试验,由于在茂木式真三轴试验中方形试样4个端部需设置两对端部垫块,从而导致端部摩擦问题更加突出。运用FLAC3D,针对Mohr-Coulomb材料,即无中间主应力影响材料,模拟真三轴加载过程中端部摩擦对试样强度和变形行为的影响。计算结果表明,端部摩擦也可以产生虚假中间主应力效应,即使对于无中间主应力效应材料,中间主应力也会导致最大破坏主应力的增加,且摩擦系数越大,这种趋势则越明显。分析了端部摩擦产生这种趋势的原因,指出了真三轴试验中减小端部摩擦的重要性。     

真三轴状态下砂土的强度参数

基于SMP强度准则和三剪切角理论,推导了一般应力状态和轴对称状态下砂土峰值内摩擦角间的转换公式,并研究了中主应力比的影响。考虑到轴对称压缩状态和轴对称拉伸状态所得峰值内摩擦角间的差异,对所得公式进行修正。将修正前后公式的预测结果与真三轴试验结果对比表明,若要合理描述砂土在一般应力状态下的强度特性,应当考虑三轴拉伸和三轴压缩状态下强度参数间差异的影响。     

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。     

中主应力对饱和松砂不排水单调剪切特性的影响

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,在不排水条件下控制主应力方向、中主应力系数、平均主应力保持不变,进行了单调剪切试验。以此着重探讨了中主应力系数对相变有效内摩擦角、峰值有效内摩擦角及有效应力路径的影响。研究表明,中主应力系数对在不排水单调剪切条件下饱和松砂的强度参数具有显著的影响,而对有效应力路径及应力-应变关系发展模式影响较小。基于广义双剪强度准则,从理论上探讨了土的强度参数对于中主应力的依赖性,并与试验结果进行了对比。     

不同密度粗粒料强度特性的大型真三轴试验

干密度对粗粒料的强度特性有重要影响,特别是三维应力状态下影响更为显著。通过不同密度粗粒料大型真三轴等小主应力等中主应力系数（b=0.25）加载试验和大三轴试验研究了干密度对粗粒料强度特性的影响。结果表明,大型真三轴试验的应力曲线基本呈爬升型,高于和陡于大三轴应力曲线,表现出较强的硬化性;粗粒料强度基本随初始干密度的增大或小主应力的增大呈线性增大;大型真三轴试验强度比大三轴试验强度增大20%～97%,且小主应力越小,强度增大幅度越大;令粗粒料黏聚力为0,则内摩擦角随初始干密度的增大基本呈线性增大,随小主应力的增大而减小;破坏应力比随初始干密度的增大呈线性增大,随小主应力的增大而呈线性减小,大型真三轴试验的破坏应力比小于大三轴试验的破坏应力比。