加载速率对密砂应力-应变特性影响的试验研究

【目的】砂是一种常见的建筑材料,在水利水电工程、交通、海洋和其他土木工程中应用广泛。在不同的工程应用中,砂土经受不同的加载过程和加载速率。因为加载速率效应,砂在相同幅值荷载作用下产生的变形有一定差异。这项研究旨在深入了解不同应变速率三轴剪切条件下砂的应力应变特性。【方法】采用相对密度为0.9的密砂,开展了一系列三轴固结排水剪切试验,在两种不同围压(750 kPa和2000 kPa)下对试样进行固结后,分别采用三种不同的常应变速率(0.00625%/min,0.0625%/min和0.625%/min)进行应变控制排水剪切。根据试验数据,绘制了应力-应变关系发展曲线,分析了应变速率对砂土偏应力和体积应变演化的影响。【结果】结果表明,在本试验采用的恒定应变速率和围压条件下,密砂在轴向应变约为2%时将发生屈服。屈服前,相同轴应变增量对应的土样偏应力增量和体积应变增量对剪切速率比较敏感,特别是体积应变,即加载应变速率较小时获得的土样剪应力较低,但体积应变(收缩)发展量较大。【结论】在屈服前,砂土的模量随着加载速率的增加而增大;但是屈服后,当加载达到大应变(ε1=15%)条件时,应变率对砂土应力变形的影响不明显。另外,在相同围压下,以不同应变率加载的砂样在加载过程中的应力比(q/p)-偏应变关系呈现出一致性。该研究可以提高对砂土力学特性的认识,并为砂土地基上的结构设计和安全评价提供参考。

交通荷载引起的静偏应力对饱和软黏土不排水循环性状影响的试验研究

为研究交通荷载引起的静偏应力对饱和软黏土的不排水循环性状的影响,设计了室内不排水动三轴试验,将动应力简化为静偏应力与正弦荷载的叠加,研究了静偏应力对饱和软黏土变形、孔压发展规律以及动强度的影响。研究表明,静偏应力对土体动力特性影响很大,加快了塑性变形、残余孔压发展,降低了动强度曲线,减小了最小极限循环强度。且静偏应力的影响随着静偏应力的增大而显著。研究结果说明,交通荷载引起的动应力作用下,饱和软黏土更容易破坏。

三轴固结排水试验中偏应力计算取值的探讨

在三轴固结排水试验中,偏应力大小的求解过程是基于试样始终是等体积圆柱体的假定来进行推导的,该假定认为在整个试验过程中,试样任意横截面的面积相等。但是在试验过程中,由于端部效应的存在,使得试样在轴向加载的过程中逐渐变成了鼓形,这与偏应力的计算假定不符。为了计算三轴试验中鼓形试样受偏应力的大小,进行了一系列固结排水三轴试验,并根据试样的实际变形情况对试样所受的偏应力进行了重新推导。结果表明:按照实际变形情况推导出的偏应力计算公式与规范采用公式不同,根据推导公式计算的偏应力值在一个范围内变化,其最小值较规范值小,最大值较规范值大;通过计算坝体沉降量从坝体安全的角度给出了粗粒土三轴固结排水试验强度计算时偏应力的推荐值。

常偏应力剪切条件下砂土失稳模式的离散元模拟

松砂在不排水条件下会发生分散性的液化失稳,失稳点在破坏线内。近年来的研究表明,砂土在完全排水条件下也会发生分散性失稳,可用常偏应力剪切(CSD)试验来研究。在CSD试验中,控制偏应力的误差是得出正确结果的关键。采用离散元数值方法模拟了砂土试样在不同剪应力水平下的CSD试验,实现了偏应力的较精准控制。根据模拟结果,采用Hill的二阶功准则,结合失稳时的应力与变形特征,详细分析了CSD试验中发生的Ⅰ型和Ⅱ型两种失稳模式,讨论了在CSD加载路径下初始孔隙比和剪应力水平对砂土失稳的影响。模拟结果表明,松散试样发生了Ⅰ型失稳,而密实试样发生了Ⅱ型失稳,且初始孔隙比越大越易失稳;剪应力水平越高,失稳发生的越快。结合三轴不排水和排水剪切模拟结果,讨论了失稳线(IL)斜率与初始孔隙比之间的关系,并将模拟结果与室内多种砂的试验结果进行了比较分析,进一步提出了砂土失稳的排水与不排水统一分析方法。

基于有效应力原理的泡沫改良粗粒土不排水残余剪切强度计算模型

泡沫常用于土压平衡盾构渣土改良,流动性良好的泡沫改良粗粒渣土有利于盾构进排土顺畅和土舱压力传递,进而避免地层过大变形和失稳。从泡沫改良粗粒土不排水压缩和剪切机理出发,推导了不排水条件下带压泡沫改良粗粒土流动大变形后的残余剪切强度统一理论模型。首先基于理想气体定律和土的有效应力-应变双曲线方程求解不排水一维压缩时的有效应力,然后推导不排水剪切引起的超孔隙压力和残余状态下剪切强度与有效应力的关系式,再构建剪切速率相关的残余剪切强度计算模型。采用不排水加压十字板剪切试验验证了计算模型的准确性,试验值与理论值的平均误差约10%,表明该计算模型可用于确定泡沫改良粗粒土连续流动时的残余剪切强度。最后开展了影响因素分析,竖向总应力增大能提高残余剪切强度,而泡沫注入比增加能降低残余剪切强度;残余状态下流动大变形泡沫改良粗粒土的屈服应力和塑性黏度均与竖向总应力呈正相关,而与泡沫注入比呈负相关。

三轴试验中基于外衬塑布裂缝的偏应力计算

在常规三轴固结排水剪（CD）试验中,按照规范整理得到了（σ1~σ3）~εa曲线和εv~εa曲线,但发现由这两条曲线确定的临界状态点不一致,不符合经典临界状态的定义。通过试验过程中试样外衬塑布的裂缝分布情况确定了试样的剪切破坏面,得出试样破坏面与试样中心轴的交点位置随围压的变化规律,对计算截面面积Ab的公式进行了推导,提出了偏应力计算取值的新方法。按照新方法计算了εv~εa和（σ＇1-σ3）~εa曲线,且由该曲线确定的临界状态点趋于一致,符合土体达到临界状态时的宏观力学现象。

重塑土不排水剪切应力-应变关系预测

通过不同含水率下的重塑土三轴固结不排水剪切试验,分别以固结围压和主应力差渐近值作为归一化标准因子,研究应力-应变曲线的归一化特性。在此基础上利用双曲线方程和BP神经网络建立重塑土应力-应变关系的预测模型,并对比两者的预测效果。结果表明:基于BP神经网络建立的预测模型可以考虑初始含水率和固结围压的影响,其拟合和预测精度比基于双曲线方程所建立的预测模型要高。

应力路径下深部人工冻结黏土三轴剪切试验研究

采用先固结、低温下冻结后轴向加载的试验方法,模拟多圈冻结管的冻结井筒开挖时深部冻黏土在径向卸载过程中的力学过程。通过大量的三轴剪切试验,获得了不同冻结温度、固结围压和应力路径下的冻黏土剪切试验结果:偏应力较小时人工冻土的三轴剪切应力—应变曲线呈直线型,可以选用Mohr-Coulomb屈服函数来描述,若偏应力很大时人工冻土的三轴剪切应力—应变曲线为抛物线型分布,可以选用改进的Zienkiewicz-Pande抛物线型屈服准则来表达;随着固结围压的增大和冻结温度的降低冻土剪切强度也成比例增加,约0.2MPa/℃。

营口地区软土固结不排水剪切应力-应变归一化性状研究

通过对营口地区粘土三轴固结不排水剪切试验,得出在不同的固结压力下营口地区软土应力-应变曲线呈现硬化型特性,且土体中存在一种胶结构造直接影响软粘土的强度.同时对比分析了以(σ3)n、主应力差渐进值(σ1-σ3)ult为归一化因子的两种归一化方法的研究,并建立了相应的归一化方程可以对不同围压下的应力-应变曲线做出较好的预测.

饱和砂土排水与不排水剪切特性的比较研究

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,进行了复杂初始固结条件下应力路径变化的应力控制式单调排水与不排水剪切试验。试验过程中,控制平均主应力保持不变,分别探讨在排水与不排水条件下中主应力系数和主应力方向角对饱和砂土剪切特性和强度的影响。通过对比表明:在排水与不排水试验中,与排水条件无关,中主应力系数对归一化的应力—应变关系具有影响,但对体变或孔压的影响并不明显;当其余初始条件相同时,偏应力比随中主应力系数的增大而降低。主应力方向角的影响同样显著,排水试验的主应力方向角不同时,应力—应变关系所表现出的变化规律取决于水平面与竖直面上受到的剪应力作用,相变及峰值偏应力比和内摩擦角与主应力方向角之间存在抛物线型关系。不排水试验的峰值有效偏应力比随着主应力方向角的增大而减小。同时,对于不同的主应力方向,排水条件改变会影响试验得到的抗剪强度指标。

交通荷载引起的静偏应力对饱和软粘土变形影响

为了研究交通荷载引起的静偏应力对饱和软粘土变形的影响,设计了室内不排水动三轴试验,将交通荷载简化为静偏应力与正弦荷载的叠加,依据实验数据分析了土体的塑性变形发展规律,给出了不同静偏应力下土体的转折应变-破坏振次的半对数关系曲线,研究了静偏应力对该曲线的影响规律。研究表明,静偏应力越大,土体变形发展越快,相同条件下达到转折应变时所需的破坏振次越小;静偏应力越大,转折应变-破坏振次关系曲线的斜率越小,截距则比较接近。

各向异性固结下饱和珊瑚砂的不排水循环反应特性

珊瑚砂是海洋成因的碳酸盐土,碳酸钙含量大于90%,由于其赋存条件特殊,波浪与地震作用导致珊瑚砂的循环应力状态异常复杂。为探究复杂静、动应力状态下饱和珊瑚砂的不排水循环反应特性,利用GDS空心圆柱扭剪仪对南沙珊瑚砂开展不同固结条件下90°跳转循环应力路径的系列不排水循环剪切试验。试验结果表明:各向异性固结条件下,超静孔压u_(e)和广义剪应变γ_(g)的增长速率随固结方向角α_(c)的增大而显著增加,而随固结比kc的增大而显著降低。在相同固结条件下,u_(e)和γ_(g)的增长速率随循环加载方向角α_(σ)的增大表现出先增后减的趋势。提出循环偏应力比q_(a)/S_(PT)(循环偏应力幅值q_(a)与不排水单调剪切试验得到的相变强度SPT之比)作为循环应力水平指标,不同的固结条件和循环加载路径下,饱和珊瑚砂的抗液化强度曲线有唯一性,且q_(a)/S_(PT)与失效循环次数N_(L)呈负幂函数关系。结合修正的SPT预测公式,以q_(a)/S_(PT)作为表征复杂静、动应力条件下抗液化强度指标更具简单且适用范围宽的优点。

不同循环应力路径下饱和珊瑚砂体应变的发展特征

地震、波浪引起排水或部分排水状态的饱和砂类土体应变的累积,会导致地表、海床和附近结构物的显著破坏,且饱和砂土排水循环加载的体应变增长与不排水循环加载的孔压增长存在定量的对应关系。通过对饱和珊瑚砂开展系列均等固结条件下排水循环剪切试验,探讨了初始相对密度Dr、循环应力路径及应力水平(CSR)对饱和珊瑚砂体应变发展特征的影响。试验结果表明,同一Dr和CSR下,残余体应变εvd,ir随短长轴比和在0°~90°时的椭圆倾角存在单调增长关系。不同Dr、循环应力路径和CSR下饱和珊瑚砂εvd,ir随循环次数N的发展曲线具有统一性,提出了两者的显式关系式。饱和珊瑚砂残余体应变极值(εvd,ir)u与εvd,ir-N关系曲线的收敛速度与Dr、循环应力路径和应力水平密切相关。引入单元体循环应力比USR来表征不同循环应力路径和CSR下饱和珊瑚砂的εvd,ir,发现同一Dr下,(εvd,ir)u与USR存在正相关线性关系,εvd,ir-N曲线的收敛参数CN1与USR存在正相关线性关系,CN2与USR存在负幂函数关系,即USR越大,εvd,ir-N曲线收敛越慢。相同USR下,(εvd,ir)u随Dr的增加而减小,εvd,ir-N曲线收敛速度随Dr的增加而变快。该研究提出的体应变模型为排水循环加载条件下残余体应变的发展机理提供了新的认识。

不同循环应力路径下饱和珊瑚砂超静孔压增长的改进应力模型

为探究复杂循环加载下不同相对密实度D_(r)的珊瑚砂超静孔压u_(e)增长特性,利用GDS空心圆柱扭剪仪对饱和珊瑚砂进行了系列循环应力主轴90°跳转的均等固结不排水循环剪切试验。试验表明,循环应力路径、应力水平和D_(r)显著影响饱和珊瑚砂u_(e)增长模式;建立了适用于不同D_(r)和循环加载模式的超静孔压比r_(u)表达式,引入单元体循环应力比USR作为表征复杂循环应力路径的应力指标,给出了模型参数λ_(1)和θ基于USR和D_(r)的表达式。所建立的r_(u)表达式对复杂循环加载模式下不同D_(r)的饱和珊瑚砂r_(u)增长有较好的预测效果。文献中不同类型砂的试验数据独立验证了所建立的r_(u)表达式的适用性。

正常压密粘性土的原位不排水强度的计算和测定

魏汝龙(南京水利科学研究院)终结讨论:沈珠江同志在讨论中提出的(一)、(二)两点是对原文的补充说明,笔者不拟再作进一步阐述。下面主要针对其(三)、(四)中的意见进行讨论。 (一)笔者认为,Skempton-Bishop孔隙压力公式实质上是一种修正弹性理论(A= 1/3的经验公式,其中孔隙压力系数A,是根据实涓的孔隙压力Aμ,而确定的,表示实测孔隙压力随偏应力增量而变化的变率。但是,即使对于同一种土,在不同的应力变化条件下,其数值也可能不同。例如。

海相沉积软土的自钻式旁压试验及原位力学特性

海相沉积软土广泛分布于我国沿海地区,是典型的结构性土,具有灵敏度高、承载能力低等特点。通过自钻式旁压试验调查软土场地的原位力学特性,获得了29.0 m深度范围软土层的原位水平应力、临塑压力、不排水抗剪强度、剪切模量等力学指标。结果表明,软土的旁压试验曲线可分为应力平衡阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段4个阶段;破坏阶段之前软土的卸载会造成有效应力的显著降低,在工程实践中对软土卸载过程的稳定性应予以关注;软土的剪切模量具有明显的非线性特征,采用非线性分析法得到的剪切模量较为合理。通过对试验结果的拟合,建立了原位水平应力和临塑压力随深度变化的经验公式,可为工程中该两类参数的确定提供参考依据。

土的直剪试验缺陷探讨

由于直剪试验经济、简便,有关国家标准及行业规范、规程都将其作为测定土体抗剪强度指标的主要技术手段之一,但传统的试验方法及直剪仪本身存在诸多缺陷。分析了直剪仪的现存缺陷及产生的原因,以便今后进一步改进该仪器,并从理论上完善该试验方法,对提高由该试验方法所得试验数据的可靠性及其在实际工程应用中更加广泛的推广都具有重要意义。

常/变法向应力下松砂-混凝土接触面剪切力学性状试验研究

利用Shear Trac-Ⅲ大型直剪仪对松砂-混凝土接触面进行了常/变法向应力作用下的剪切试验,分析了剪切过程中剪应力和剪切面体应变的变化特征,建立了能够反映松砂-混凝土接触面剪切力学性状的数学模型,并给出了模型参数的确定方法。试验结果表明:在常法向应力作用下的剪切试验中,松砂-混凝土接触面的剪应力及体应变与法向应力密切相关;在变法向应力作用下的剪切试验中,松砂-混凝土接触面的抗剪强度与相应的常法向应力的抗剪强度相同,但其体应变小于相应的常法向应力作用下的体应变;在常法向应力作用下,松砂-混凝土接触面的剪应力-剪切位移关系可以用双曲线模型表示;在变法向应力作用下,松砂-混凝土接触面的剪应力-剪切位移关系可以用分段双曲线模型表示。

软粘土在三轴实验中的应力路径与应力应变分析

土是工程建设的基石,在广西地区的大量的工程建设项目(房屋建设、铁路、公路、土坝等)实践中,许多工程地质问题都是由粘性土的力学性质比较复杂造成的。软粘土的承载力和强度较低、空隙比较大、可塑性较强、含水量较多、开挖之后容易产生变形。文章以广西地区内软粘土作为研究对象,通过三轴实验,分析其应力路径及应力应变特征。

聚酯纤维机织物-聚氯乙烯-聚偏氟乙烯膜材双轴剪切力学性能试验

为研究聚酯纤维机织物-聚氯乙烯-聚偏氟乙烯（P-PVC-PVDF）膜材的双轴剪切力学性能,提出了工程剪应变计算方法、改进的剪应力计算方法和应力加载方法.基于自主研制的双轴拉伸试验机,对P-PVC-PVDF膜材进行了双轴剪切力学性能试验,得到了膜材剪应力-剪应变曲线、剪切模量和滞回环面积.分析结果表明,剪应力由正变为负后,各力学参数有所差异,但均在加载一次后趋于稳定.当剪应力的上下限设定为±2 kN/m时,稳定后的剪切模量范围为11～13 kN/m.通过对比证明,主轴与加载方向的夹角变化对计算结果影响不大.研究成果对膜结构设计与分析具有参考价值.