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。     

动态围压下空心圆柱扭剪仪模拟主应力轴旋转应力路径能力分析

针对英国GDS公司动态空心圆柱扭剪仪（HCA）在主应力轴旋转试验中能够实现三向动态加载（轴力、扭矩、内围压或外围压）的功能,通过严格的数学推导,提出了3种易于实现又与实际工程背景相符合的应力路径加载方式。当三向动载满足相应的条件时,可以实现（1）平均主应力p和剪应力幅值q保持恒定的应力路径（应力路径1）;（2）中主应力参数b = 0.5、剪应力幅值q为常数的应力路径（应力路径2）;（3）平均应力p保持不变、主应力旋转角90º突变的应力路径（应力路径3）,其中应力路径1、2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3可用于模拟地震荷载作用下的土体动力特性。以上3种应力路径均不能在两向动态HCA仪中实现     

主应力轴旋转对地铁荷载作用下 软黏土累积变形的影响

为了定量评价主应力轴旋转对地铁荷载作用下隧道下卧软黏土累积变形的影响,通过有限元方法并结合实测数据的验证对地铁荷载下地基土的应力路径进行分析;在此基础上,借助空心圆柱仪对这一复杂应力路径进行室内模拟和对比试验研究。结果表明：主应力轴旋转增大了软黏土的累积变形,且最大有效主应力比（有效最大主应力与有效最小主应力之比）越大、或加载频率越高增大更明显。在实际地铁荷载和通常隧道埋深条件下,考虑主应力轴旋转使软黏土的累积变形增加9%～23%（加载频率越高,增加越大）。可用常规循环三轴的累积变形试验结果乘以土体分别在有、无主应力轴旋转下变形的比值,来预估实际地铁荷载下软黏土的累积变形,初步研究得到该比值与土体的最大有效主应力比之间存在幂函数关系。     

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。     

小主应力方向加载条件下的掺砾黏土真三轴试验

对土石坝心墙掺砾黏土开展模拟心墙单元小主应力方向加载的真三轴试验,首先对试样进行不同围压条件下等向固结,然后保持小主应力恒定,通过调整大主应力和中主应力,以模拟土石坝竣工后的初始三向应力状态。试验过程中保持大主应力和中主应力恒定,从小主应力方向单向加载,以模拟土石坝蓄水过程中心墙单元所经历的应力路径。试验结果与常规三轴试验以及复杂应力条件下大主应力方向真三轴加载试验结果都有显著不同。不同初始应力条件下,不同主应力方向的初始切线模量和初始切线泊松比的变化规律非常复杂,应力–应变显现出明显的各向异性。在心墙堆石坝施工过程及蓄水过程中,心墙单元所经历的应力路径明显不同,合理的土体本构模型应该对这种由于加荷路径不同所引起的不同方向模量和泊松比进行合理描述。     

岩石空心圆柱扭剪试验系统研制

针对深部工程岩体开挖时围岩内部应力状态复杂变化的特点,研制了可实现主应力量值变化和应力主轴旋转等复杂应力路径的岩石空心圆柱扭剪试验系统,可用于开展复杂应力作用下岩石的强度、变形和破坏形态的室内试验研究。介绍了该试验系统的基本结构、工作原理及技术参数。该试验系统具有如下特点：（1）通过利用空心圆柱试样与上、下压头的特点,克服了岩石试样扭矩施加的技术困难,将施加轴向力和扭矩的两个加载轴合二为一,彻底解决了轴向力加载与扭矩施加机构之间相互影响的技术难题。（2）通过采用新型自平衡加载三轴室,实现了轴向力、扭矩、内围压和外围压4种荷载的独立施加和控制。（3）采用应力与流量的加载控制方式,并通过软件集成,实现了主应力量值改变和应力主轴旋转耦合应力路径的准确模拟以及加载过程的稳定控制。（4）该试验系统结构简单,功能多样,操作方便。采用该试验系统进行了初步试验,验证了试验系统的可行性与实用性,表明该试验系统具有实现应力主轴旋转及主应力量值改变的复杂应力路径的功能。     

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。     

低围压循环荷载作用下饱和粗粒土的动力特性与骨干曲线模型研究

基床层是铁路路基的核心组成部分,一般为粗颗粒土,厚约2.5～3.0 m,长期直接承受行车荷载的反复作用,其在动载反复作用下的变形特性是评价路基工作性能的关键要素之一。为研究粗粒土在列车循环荷载作用下的应力-应变特性,开展了一系列应力控制的单向循环加载大型动三轴试验,模拟列车动载和路基粗粒料填筑实际情况,包括不同动应力幅值（模拟不同列车轴重）、不同围压（模拟不同埋深）的动三轴持续振动试验。结果表明,在循环荷载作用下,土体刚度变化与振动次数、围压关系密切。根据动应力幅值大小的不同,循环荷载作用下饱和粗粒土的动应变随振次的发展形态可分为3种类型：稳定型、破坏型和临界型。根据试验所得出的动应力-应变关系曲线特点,建立了含围压和循环振次的骨干曲线模型。与传统的骨干曲线模型相比,该模型能反映土体刚度随循环振次的变化,更能反映列车往复作用的实际情况;同时该模型能用于估算路基土体动强度,对铁路路基核心层的动力变形稳定性评价和基于动力变形控制的路基设计具有参考价值。     

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。     

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。     

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。     

Non-coaxiality of soft clay generated by principal stress rotation under high-speed train loading

Plenty of geomechanics tests and theories have confirmed the existence of non-coaxiality while soil is subjected to principal stress rotation. This paper investigated the influence of one particular principal stress path, which is a ‘heart-shape’ stress path that is normally induced by high-speed train loading, on the non-coaxiality of reconstituted soft clay. Hollow cylinder apparatus was employed to carry out series of undrained dynamic tests. The goals of this study were to (1) reveal the essential factors of complex cyclic loading paths that influence non-coaxiality in clayey soil and (2) quantify the influence of the factors on variation in non-coaxiality under the high-speed training loading. To analyze the non-coaxiality under high-speed train loading, (a) the pure rotation stress path was utilized as comparison for underling the different influence that ‘heart-shape’ stress path has from other conventional cyclic stress paths. (b) Two variables, dynamic stress ratio and tension–compression amplitude ratio, were introduced in analyzing the evolution of the non-coaxial angle. (c) Based on the test results, equations for describing the revolution of non-coaxiality were proposed which can help to describe the variation in non-coaxial angle under complex loadings quantitatively and understand the influence of the major factors of the stress path intensively.

     

粉土循环累积应变和残余动模量的试验研究

粉土地基上建造的铁路或公路在交通荷载作用下易产生各种病害,导致基础设施不能正常工作。为研究交通循环荷载作用下粉土的累积变形和动力性能,针对钱塘江粉土开展一系列的循环三轴试验,探讨土体物理条件（相对压实度、含水率）和应力特征（频率、围压、动应力比）等对粉土累积轴向应变、动模量和阻尼比等的影响。试验结果表明,钱塘江粉土的临界动应力比约为0.11,当轴向动应力小于临界动应力时,粉土的动模量变化很小,相应的累积轴向应变也很小;当动应力超过临界动应力后,土样的动模量快速下降,残余动模量约为初始弹性模量的20%,同时,动模量和阻尼比随着累积轴向应变（或名义振次）的发展变化显著。粉土的动模量和阻尼比在归一化后可得到统一规律：在轴向应变（或名义振次）小于一定值时,动模量几乎不变,而后呈指数形式衰减,最终趋于稳定值;粉土阻尼比随着轴向应变（或名义振次）的发展呈指数关系增长。