主应力轴往返循环幅值对重塑黄土变形特性的影响

为了研究主应力轴往返循环旋转对青海省重塑黄土变形特性的影响,对重塑黄土进行了一系列有限主应力方向角往返循环旋转的应力路径试验,重点分析了重塑黄土在主应力轴往返循环旋转路径下的基本变形规律。试验结果表明:主应力轴往返循环的幅值对重塑黄土基本变形有着显著的影响;试样主应力轴循环幅值不超过45°时轴向应变一直向正向增长,然而主应力轴循环幅值超过45°时轴向应变先向负向增加,循环完成后试样最终产生正的轴向应变,且试样累积的塑性变形随循环次数的增加而增加;不同循环角度下试样径向应变均向负方向累积发展,主应力轴循环幅值为90°时径向变形最大;试样切向应变相对于其他应变累积较少;试样八面体剪应变的变化区间随着循环角度幅值增加而不断增大。

空心圆柱仪(HCA)模拟恒定围压下主应力轴循环旋转应力路径能力分析

针对国际上大多数HCA仪在主应力轴循环旋转试验中只能提供轴力和扭矩两个加载变量的现状,指出了这种变载方式在模拟主应力轴循环旋转应力路径方面存在的局限性。通过详细的数学推导提出了三种切实可行,且能模拟实际工程中土体经历主应力轴循环旋转的应力加载方式:①在满足轴力W等于3πrori(pi-po)的前提下,仅变化扭矩MT可实现围压p不变,中主应力参数b恒定(0.5),而剪应力q随大主应力轴转角α有规律循环变化的应力路径;②在保持b不变的前提下(此时b可以设定为不等于0.5的任意合理值),只要W和MT能满足一定的三角函数关系式,同时以p—q形式的临界状态线为准绳,通过控制轴力的加载范围限制试验中允许出现的q的峰值,就可以实现p、q之间保持恒定线性关系而α有规律循环变化的应力路径;③若不考虑中主应力对于土体性状影响,则可通过对W和MT采用较为简单的三角函数关系来实现保持q不变,而(σ1+σ3)/2随α单调递减的应力变化方式。研究成果不仅给后继的试验方案提供了理论基础,也为HCA仪器功能的完善提供了很好的依据。

主应力轴循环旋转下原状软黏土临界性状研究

针对在交通、波浪等动荷载下土体所受应力状态具有主应力轴循环旋转的特征,对杭州地区典型原状软黏土开展不排水模拟试验.主应力轴双幅循环旋转的试验结果表明,试样扭剪、轴向应变发展受主应力轴旋转角度的影响,当转角大于一定值时,破坏应变以扭剪应变占主导,反之则要考虑扭剪和轴向等应变的共同影响.在同一旋转频率下,随着剪应力提高,试样破坏应变同步提高,且与破坏振次对数值成线性关系;若剪应力幅值不变,随旋转频率提高,临界破坏应变同步减少,破坏振次大幅提升,两者在对数曲线上亦可用线性关系表示.与等剪应力幅值的主应力轴双幅循环旋转试验结果相比,当单幅循环旋转破坏时扭剪应变很大,且受频率或剪应力幅值影响小,同时最小破坏剪应力也有显著提高.

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p′-q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。

主应力轴循环旋转对超固结黏土性状影响试验研究

对不同超固结比以及超固结形成条件下原状软黏土在主应力轴循环旋转条件下的孔压、应力应变关系等性状进行试验研究。研究结果表明,随着超固结比的提高,试样在主应力轴循环旋转过程中的动强度及等效瞬时刚度均有显著提高,而其孔压开展特征则受前期超固结形成过程中反压控制条件影响:若超固结卸载时不提供反压恒定控制条件,试样在后续主应力轴循环旋转过程中的孔压迅速呈现负压的变化趋势,负孔压的持续开展程度随超固结比的增大而提高;而当超固结卸载时恒定控制反压,土体在后续的主应力轴旋转过程中,仅在强超固结比条件下孔压才会产生负向开展特征。但不同的反压控制条件未对土体在主应力轴循环旋转中的振次–应变关系以及动强度等特性产生显著影响。

主应力轴循环旋转下饱和软黏土的累积变形

交通荷载下地基中土单元的主应力大小和方向将同时发生变化,现有的计算交通荷载引起的路基长期沉降实用模型未能反映交通荷载引起的土体单元主应力轴循环旋转现象。在推导常广义剪应力主应力轴循环旋转方程及验证空心圆柱剪切仪动力加载能力基础上,对上海第④层饱和软黏土进行一系列常广义剪应力主应力轴循环旋转加载试验及非等向固结下循环扭剪试验,分析了主应力轴旋转角、围压及静偏应力对循环塑性累积广义剪应变的影响。将常广义剪应力主应力轴循环旋转加载试验等效成不同不排水静偏应力和动应力循环旋转加载试验,从而进一步验证了文献[12]所提出的显式模型在模拟主应力循环旋转效应方面的可靠性。

纯主应力轴旋转下饱和软黏土的循环弱化及非共轴性

采用空心圆柱扭剪仪对原状饱和软黏土进行了纯主应力轴旋转应力路径的循环不排水试验,加载过程中维持平均应力、广义剪应力和中主应力系数不变。观测了孔隙水压和各应变分量在循环加载过程中的变化特性,着重探讨了中主应力系数及广义剪应力对变形刚度以及非共轴特性的影响规律。主应力偏转的循环剪切路径下,存在扭转剪切和轴向剪切两种不同的循环应力应变响应。试验结果表明:循环加载路径下饱和软黏土的孔压及应变产生累积效应,应力应变刚度呈现各向异性弱(强)化效应,而应变增量呈现显著的非共轴性;中主应力系数b影响特性表现为,b值越大则刚度弱化越显著。试验观察还发现,剪应力水平较低时循环变形刚度表现为强化,非共轴角趋于增大;反之,剪应力水平较高时,伴随着循环弱化,非共轴角趋于减小。

主应力轴往复循环旋转下砂土的变形特性研究

针对波浪、交通等动荷载下土体所受应力状态往往具有主应力轴循环旋转这一特性,本文对粉细砂进行了一系列主应力轴往复循环旋转应力路径下的空心圆柱扭剪试验,分析了粉细砂在主应力轴往复循环旋转条件下的基本变形规律,并重点研究了粉细砂的非共轴变形特性。通过试验发现,在主应力轴往复循环旋转的应力路径下,粉细砂会产生明显且随旋转次数增加逐渐累积的塑性变形;中主应力系数和循环起始角度对粉细砂轴向应变、剪切应变及体应变等的变化有着明显影响;主应力轴往复循环旋转过程中砂土的非共轴角不可忽略,其变化规律受循环起始角度的影响;主应力轴旋转方向相反时,对应于同一主应力方向角非共轴角会相差90°左右。

低剪应力水平主应力轴循环旋转对原状黏土性状影响研究

为研究低剪应力水平主应力轴循环路径可能对黏土性状产生的影响,以杭州地区典型原状软黏土为对象开展试验研究。结果表明,试样在安全极限剪应力水平下进行剪应力恒定的多振次主应力轴循环旋转后(含单幅和双幅旋转),应变及孔隙水压力发展进入动态平衡,瞬时等效刚度和孔隙水压力值主要取决于剪应力中的扭剪应力分量,而轴向应力分量对两值亦有促进作用。进入主应力轴循环旋转动态平衡的试样在卸载后进行后续静态剪切时,应力–应变关系将表现出明显的刚度硬化特征,其中尤以三轴压缩过程中强度发挥程度提前的现象最为显著。同时,由于主应力轴循环旋转导致试样残余应变的积累及结构上的变化,使得试样在后续三轴压缩试验初期产生的主应变增量与主应力增量方向不共轴特性较为明显。但低于安全极限剪应力水平的主应力轴循环旋转未对试样的静态抗剪强度以及临界孔隙水压力产生显著影响。

主应力轴循环旋转条件下重塑黏土变形特性试验研究

通过一组重塑黏土的循环扭剪试验对主应力轴单纯循环旋转条件下重塑黏土的不排水变形特性进行研究,试验中考虑中主应力系数、剪应力水平以及固结方式等的影响。试验结果表明即使在剪应力水平很低(q/p=0.033)的条件下,主应力轴单纯旋转也会引起重塑黏土显著的孔压累积。随着循环次数的增加不排水条件下重塑黏土会因为变形的迅速发展而破坏。中主应力系数对变形发展规律有较大影响,对孔压累积的影响相对不显著,相同剪应力水平下b=1时重塑黏土破坏时所需的循环次数最少,但孔压累计最慢。通过试验结果的分析认为旋转剪应力会对土体微观结构产生扰动而使土体颗粒重新排列,主应力轴旋转引起的变形特性主要还是归因于土体的塑性各向异性特性。

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R N来反映动剪切模量的软化程度,得到了软化指数R N与振次N的计算经验公式。

主应力轴持续旋转条件下饱和松砂的振动孔隙水压力特性

利用新研制的“土工静力-动力液压三轴-扭剪多功能剪切仪”,针对福建标准松砂,在三向非均等固结条件下,进行了能够模拟海洋波浪荷载作用下主应力轴连续旋转的循环耦合剪切试验。通过试验着重探讨了初始主应力方向、振动过程中主应力方向连续变化对不排水条件下砂土的振动孔隙水压力增长特性的影响。实验研究表明:在振动过程中主应力轴连续旋转的条件下,初始主应力方向对砂土的动孔压比与振次比之间关系具有显著的影响,随着初始大主应力与竖向之间夹角的增大,动孔压比的增长速度明显加快,具有较好的规律性;归一化孔压比与广义剪应变之间的关系基本上与初始主应力方向角和振动剪应力幅值无关。

空心圆柱仪模拟波浪荷载下主应力轴旋转应力路径能力探讨

针对波浪荷载作用下土体单元复杂特殊的应力状态可利用空心圆柱仪模拟其主应力轴旋转应力路径。以波浪荷载下土体应力路径形状为出发点，推导出两向～四向空心圆柱仪（HCA仪）动力加载参数波形公式，经过理论分析验证了该表达方式的合理性，即：（1）两向振动HCA模拟只要满足内外围压差的绝对值与动偏应力q的不等式关系就可成功实现圆形应力路径的加载；（2）三向振动HCA可以模拟中主应力系数b或平均主应力p恒定不变的情况，当b值不变时，p值随主应力轴转角单调变化：（3）四向振动HCA能够较真实全面地模拟波浪荷载下土体的应力特征，同时还可实现主应力轴循环旋转过程中b、p、q三值均不变的应力状态。

原状软黏土主应力轴动态旋转试验研究

利用浙江大学5 Hz空心圆柱扭剪仪,通过轴力和扭矩的耦合,模拟波浪荷载下主应力轴动态旋转的应力路径,对杭州原状软黏土的孔压累积、应变发展及模量衰减等动力特性进行研究,研究频率、循环应力比的影响,并与动三轴试验相比较。通过对试验数据的回归分析,给出主应力轴动态旋转下原状软黏土模量衰减的经验公式。结果表明:频率越低或循环应力比越大,孔压累积、应变发展及模量衰减的速率越快,破坏所需要的循环次数越少;虽然各应变分量开展程度不同,但应变曲线均在同一循环次数时出现拐点;循环加载过程中,压缩模量和剪切模量的衰减规律基本相同,但压缩模量衰减速率稍快于剪切模量。与动三轴试验结果相比,主应力轴连续旋转试验中土体模量衰减规律基本不变,但衰减速度更快,试样破坏所需的循环次数明显减少,因此,建议实际工程应用时要考虑主应力轴旋转的影响。

主应力轴旋转下K_0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K_0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K_0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K_0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,K_0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K_0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。

主应力轴旋转下饱和黏土动力特性的试验研究

利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,对使用真空抽吸法制备的黏土试样,进行了耦合循环剪切试验。探讨了主应力轴连续旋转下,空心试样在微幅应变下的动力特性研究。试验结果表明:耦合试验得到的竖向分量动弹性模量和扭向分量动剪切模量的发展趋势与常规动力特性试验的动模量发展趋势基本一致;实测的竖向Emax比由扭向分量换算得到的Emax偏低,实测的扭向Gmax比由竖向分量换算得到的Gmax偏高;竖向和扭转向阻尼比的结果比较接近。

考虑不同波形影响的主应力轴连续旋转下吹填土动力特性研究

通过GCTS空心圆柱扭剪仪,分别采用正弦波和三角波两种不同波形模拟海洋波浪的加载形式,对天津滨海吹填土进行一系列三向等压固结条件下的主应力轴循环旋转试验,探讨了动主应力方向连续旋转下循环剪应力幅值及振动波形对吹填土广义剪应变、动强度和孔压特性的影响。试验结果表明,循环剪应力幅值小于临界循环剪应力时,土体广义剪应变变化很小且增长缓慢,加荷波形对土体变形影响较小;循环剪应力幅值超过临界循环剪应力时,土体在较少的振动次数下便产生较大的变形,正弦波作用下广义剪应变的发展速率大于三角波,相同振次下正弦波对应的广义剪应变始终大于三角波。同一波形下破坏标准取值越大,动强度值越大。不同破坏标准下的动强度均随破坏振次增加呈减小趋势,并最终趋于同一数值,同条件时正弦波在主应力轴循环旋转效应下与三角波相比更容易导致土体破坏;对试验数据进行分析,构建了两种波形作用下考虑不同破坏标准时动强度与破坏振次间关系式。同等条件下,正弦波作用下土体孔压增长速率大于三角波,且循环剪应力幅值越大,孔压增长速率越快,但由于黏性土孔压的滞后效应,达到破坏应变时其值相对较小。

主应力轴旋转下黏土累积变形的分数阶元件模型

在长期交通载荷作用下土体塑性累积变形本构模型对路基沉降计算至为关键.元件组合模型可以计算岩土体循环累积应变,但现有的各类元件模型未能反映饱和软黏土的主应力轴循环旋转现象.在对饱和软黏土进行等向固结条件下的主应力轴循环旋转加载试验及非等向固结下的循环扭剪试验基础上,将Abel黏壶代替Burgers模型中的Newton黏壶,得到分数阶Burgers模型;利用遗传算法优化循环塑性累积应变的Burgers模型和分数阶Burgers模型的参数,通过对比两组模型的计算值与试验值,发现分数阶模型更适合模拟计算循环载荷下饱和软黏土的累积变形.

主应力轴循环旋转下饱和黏土累积孔压显式模型

交通荷载下饱和黏土累积孔压消散是导致交通荷载下路基沉降的重要因素。在详细介绍黏土空心圆柱试样制作过程的基础上,在各向等压条件下,分别对黏土试件在100,150,200 kPa压力下固结,而后进行主应力轴旋转角连续变化范围分别为[-15°,15°]、[-30°,30°]、[-45°,45°]和[-60°,60°]的不排水循环加载试验,循环次数为10 000次。得到了循环累积孔压的变化受静偏应力、初始固结压力及空心圆柱试样主应力轴连续旋转角影响的规律。运用修正动偏应力水平来考虑初始静偏应力和动偏应力对不排水累积孔压的影响,建立了常剪应力循环主应力轴偏转角循环加载下累积孔压模型。通过非各向等压固结循环扭剪试验累积孔压值对所建立的累积孔压模型的正确性进行验证。

列车荷载作用下压实花岗岩残积土累积变形特性试验研究

为研究列车荷载作用下应力及湿化条件对压实花岗岩残积土累积变形特性的影响,以围压、动应力幅值、含水率为变量,对压实花岗岩残积土进行循环空心扭剪和循环定向加载试验。结果表明:循环扭剪应力路径下主应力轴旋转效应增加了试样的累积变形量,甚至改变了累积变形的发展模式,该影响程度随试样含水率的增大而增大;试样的累积应变发展速率在加载初期(N<100)时完成大幅度衰减,围压增大可加快累积应变发展速率的衰减,动应力幅值的增加会延长累积应变发展速率的衰减时间,循环扭剪加载时试样的累积应变发展速率衰减程度小于循环定向加载试验,含水率越高该效应越显著。通过预测模型能够对两种动力加载应力路径下的稳定型和发展型累积应变发展曲线能够进行拟合,对压实花岗岩残积土的累积变形作出较好预测。