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。     

中砂侧向变形特性的真三轴试验研究

保持小主应力、中主应力不变,在大主应力方向加荷是实际工程中可能存在的一种应力路径,该应力路径分别对粉砂、细砂和中砂进行了几组真三轴试验。针对中砂的真三轴试验结果,对其应力－应变关系及反映侧向变形变化规律的泊松比进行了特定条件下的研究,结果表明,在特定的应务咱径下排水剪切,小主应力方向膨,泊松比可以大于０．５甚至大于１,中主应力方向首先压缩,之后膨胀,泊松比可以小于０,这是现代土力学和有限元分析中不     

围压增大条件下淤泥土弹性模量及侧向变形特性的真三轴试验研究

保持大主应力、中主应力不变,增大小主应力是实际工程中可能存在的一种应力路径,土石坝蓄水和土方回填等就类似这种加荷方式。就该应力路径对宁波淤泥土进行了真三轴试验,针对真三轴试验结果,对本构关系中的弹性模量及反映侧向变形变化规律的泊松比进行了特定条件下的研究。结果表明,在这种应力路径下排水剪切,弹性模量和泊松比随围压的增大都呈不断减小趋势,这是岩土工程中应用广泛的邓肯模型和有限无限元分析中极少考虑的现     

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。     

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。     

冻结砂不同应力路径三轴试验强度和变形分析

为研究冻土在复杂应力路径下的力学特性,利用自主研发的冻土三轴仪,进行了广义三轴压缩应力状态、平面应变应力状态和真三轴应力状态下的压缩试验,分析了冻结砂在不同应力状态下的强度演化规律和变形特性。试验结果表明：当小主应力相同时,冻结砂在广义三轴压缩应力状态、平面应变应力状态和真三轴应力状态下的强度和应力-应变曲线的斜率依次增大,小主应力对冻土的强度起到提高作用;小主应力方向始终产生膨胀变形;体应变随着大主应变的增加呈现先剪缩后剪胀的趋势,且在同一试验类型下,小主应力对体应变影响程度较小;同一试验加载条件下,小主应力越小,偏应力与球应力之比的位置越高;从广义三轴压缩应力状态至平面应变应力状态再到真三轴应力状态,试样的破坏强度依次提升。     

考虑初始应力的坑侧土体真三轴试验研究

针对基坑开挖过程中坑侧土体的应力路径,采用真三轴仪进行考虑初始应力状态下侧向卸荷试验,并与常规三轴试验以及轴向加荷真三轴试验结果进行对比分析,结果表明： 曲线类似于常规三轴剪切试验的 曲线,呈双曲线关系;由于中主应力的影响,土体的初始强度得到提高,真三轴加荷试验初始切线斜率总是大于常规三轴试验的初始斜率;在侧向卸荷的条件下,土体可以在相对小的应变下发生破坏,加荷路径下破坏,土体应力强度要大于卸荷路径。     

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。     

不同加载方向条件下堆石料剪胀特性试验研究

剪胀方程描述的是塑性应变增量比例大小的变化规律,是构建弹塑性模型的重要组成部分。然而目前堆石料的剪胀方程大都是根据等围压 路径得到的,这些剪胀方程是否能反映不同应力路径条件下堆石料的剪胀规律还尚不明了。开展了等围压 、等轴向力 、等平均主应力p、等主应力比 共4种应力路径下的堆石料大型三轴试验,研究了应力路径对堆石料剪胀规律的影响。试验表明：不同路径的剪胀比 和应力比 均呈近似线性关系,但剪胀比与应力比不存在一致的关系,表现出明显的应力路径相关性;在 - 空间中,剪胀线随着应力增量方向的变化会发生平移和转动,其斜率 和截距参数 均随 ( )的增大而增大;目前的剪胀理论不能较好地描述剪胀的应力路径相关性,提出了一个考虑应力增量方向影响的修正剪胀方程并对其进行了试验验证。     

水泥土各向异性变形特性研究

采用研制的真三轴仪进行水泥土单向加荷试验,研究水泥土的各向异性变化规律,探讨应力对侧向膨胀的影响。结果表明,单向加荷条件下,加荷方向均产生压缩,而侧向膨胀主要与剪应力增量 有关;大主应力 单向加荷, ,中主应力 、小主应力 方向产生侧向膨胀;中主应力单向加荷, 时, 方向产生侧向膨胀, 时,无侧向膨胀;小主应力单向加荷, ,试样不产生侧向膨胀;对于相同应力增量,试样侧向膨胀和压缩应变均随初始固结应力的增大而减小。能量分析表明,试样的侧向膨胀与某一方向的约束程度相关,约束越强,侧向膨胀量越小;约束越弱,侧向膨胀量越大。     

复杂应力路径下堆石料本构关系研究

已有研究表明,土石坝内堆石料在坝体填筑过程的应力路径可近似为等应力比的路径（q/p=常数）,水库蓄水时应力路径将发生转折,呈复杂的应力路径形态（dq/dp=常数）。在大型三轴仪上进行了两种应力路径的排水试验,即等应力比路径下的偏压试验和复杂应力路径下的剪切试验。根据试验结果提出了一个堆石料应力路径增量非线性弹性模型,模型采用三模量形式除可以描述堆石料等应力比路径的应力-应变特征外,通过转折后的路径特征构造合适的柔度矩阵,能够表达转折应力路径下的本构关系。对试验曲线进行拟合表明,应力路径模型能够较好地反映堆石料在复杂应力路径下的应力与变形特性。     

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。     

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。     

空心圆柱仪模拟列车荷载下土中应力路径能力分析

土体作为各向异性散粒体材料,其动力特性依赖于所处的应力路径。列车荷载下地基土在最大剪应力空间呈心形线旋转应力状态,但目前还未见室内试验中模拟心形线应力路径的相关研究。首先提出了土体动力响应解的简化拟合形式,并通过典型列车荷载作用下地基土所受应力特征分析验证了该简化形式的合理性。针对目前国际上已有的3类空心圆柱仪（HCA）,推导出模拟列车荷载下地基土应力特征的加载方式：（1）双向振动HCA可通过确定轴力和扭矩的应力形式来实现心形线应力路径加载,此时球应力p的变化规律与轴力的加载波形一致,中主应力系数b在内、外压相等时呈余弦变化规律;（2）三向振动HCA在模拟列车荷载下的应力特征时,可以保持p不变或b恒为0.5;（3）四向振动HCA能够通过控制轴力、扭矩和内、外压的共同变化来较全面地模拟列车荷载下土单元体的应力特征,并可实现b为任意合理值且保持不变的前提下p、q之间保持恒定线性关系。并推导了3类HCA的加载参数在正应力均以压应力为主及中主应力方向维持在直径方向时的约束条件。     

真空预压土体的变形研究

对真空预压的研究现状进行了总结,分析了该法的加固机理,并指出了在实际使用过程中所遇到的问题。研究表明,真空预压的加卸载实际上是以小主应力方向加卸载为主的过程;在卸去真空的过程中,小主应力方向的卸载会削弱土体的竖向回弹,土体不会出现明显的回弹现象,甚至可能继续沉降;模拟真空预压应力路径的试验需要更加合理的设计。     

考虑松动区内应力分布形式的松动土压力研究

传统土拱效应理论是基于松动区内土体应力均匀分布这一基本假定建立的,然而由于松动区内部主应力轴偏转的影响,实际情况下松动区内部的土体应力分布往往是非均匀的。针对这一情况,在太沙基松动土压力分析模型的基础上,通过假定3种不同形状的大主应力轨迹线,考虑了松动区内应力分布形式对松动土压力的影响,对传统太沙基松动土压力公式进行了修正,并与离散元数值模拟结果进行了对比验证。研究结果表明：当土体达到极限平衡状态时,松动区内部竖向应力与水平向应力分别呈上凹式分布和上凸式分布,松动区中轴线上侧向土压力系数等于被动土压力系数;采用不同形状的大主应力轨迹线进行计算所得应力分布之间的差异在10%以内,且均与离散元数值模拟结果吻合良好,从而验证了修正解的有效性。为计算方便起见,推荐相关工程中采用圆弧形大主应力轨迹线假定进行计算。     

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。     

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。