主应力方向对饱和松砂不排水单调剪切特性影响的试验研究

利用大连理工大学新开发的“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试验过程中主应力方向、中主应力系数、平均主应力保持不变,进行了单调剪切试验。以此着重探讨了主应力方向对有效内摩擦角、有效应力路径及应力-应变关系的影响。研究表明,主应力方向对在不排水条件下饱和松砂的单调剪切特性具有显著影响。

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。

主应力方向循环变化对饱和松砂不排水动力特性的影响

利用新研制的土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪进行了主应力轴循环变化的多种模式竖向和扭转双向耦合循环剪切及普通循环扭剪试验。针对福建标准砂, 在均等固结条件下着重研究了振动过程中主应力方向的不同变化模式对饱和松砂不排水循环特性的影响。试验研究结果表明: 振动过程中主应力方向的变化方式对饱和砂土不排水动强度具有显著的影响, 在所采用的五种类型循环剪切应力路径中, 主应力方向连续旋转条件下的动强度最低。进一步的研究发现: 对于初始均等固结条件,分别采用初始平均有效固结压力和循环破坏次数归一化的循环孔隙水压力比与循环次数比之间的关系与振动过程中主应力方向变化方式无关, 这种归一化循环孔隙水压力比随广义剪应变的变化规律及累积广义剪应变与循环次数比之间关系均与振动过程中主应力方向变化方式无关。

复杂应力条件下饱和松砂孔隙水压力增长特性的试验研究

针对福建标准砂Dr=30%,在三向非均等固结条件下,利用新研制的土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪针对多种不同初始主应力变化方式进行了循环扭剪试验,讨论了初始主应力方向变化等初始固结条件对饱和松砂不排水条件下孔隙水压力变化规律的影响,对循环扭剪过程中主应力方向与中主应力系数的变化进行了分析,给出了孔隙水压力随循环次数的变化规律。结果表明:分别以最大孔隙水压力和液化破坏时循环次数归一化后的孔隙水压力比和循环次数比之间的关系依赖于循环剪应力幅值和初始主应力方向。而归一化后的孔隙水压力比与广义剪应变之间的关系和循环剪应力幅值、初始主应力方向无关,可以统一地采用双曲线模式表达,其中的两个待定参数依赖于初始主应力方向。

静力与动力组合应力条件下饱和松砂变形特性的试验研究

利用大连理工大学新引进与研制开发的土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,针对福建标准砂,在相对密度为Dr=3 0 %的松散状态下,在不同的三向非均等固结应力状态下进行了应力控制式循环扭剪试验和竖向-扭转耦合剪切试验,通过对比试验结果着重探讨了初始固结主应力方向与循环应力变化模式对饱和松砂动应力-应变关系特性的影响,并采用相对有效应力比峰值与广义剪应变作为参变量对应力-应变模式进行了探讨。试验结果表明,相对有效应力比峰值与广义剪应变之间符合良好的双曲线关系,初始固结主应力方向对砂土的应力-应变关系特性具有不容忽视的影响。

循环荷载下铁精矿动力特性试验研究

利用空心圆柱扭剪仪(HCA)施加竖向—环向耦合循环荷载模拟波浪荷载的作用,对船载散装铁精矿进行了动力特性试验。通过对动应变、动强度和孔隙水压力变化曲线进行分析,探讨了含水率、动应力和振动周数等因素对铁精矿动力特性的影响。试验表明:含水率是影响铁精矿动力特性的关键因素。铁精矿存在临界含水率,如果超过这一临界含水率,铁精矿即使在较小的动应力、足够长的振动周数下,也会缓慢发展达到破坏状态。而高含水率的铁精矿试样即使在较小的动应力作用下也会迅速发生破坏。对比常规动三轴试验,可以发现竖向–扭向循环耦合剪切试验得出的铁精矿动强度随含水率的增加而迅速降低。研究可为实际船载铁精矿提供安全的含水率范围。

复杂应力条件下松砂振动孔隙水压力与体变特性的试验研究

利用新研制的土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,在5种初始主应力方向角与5种中主应力系数相组合的初始固结条件下,对饱和松砂进行了不排水循环扭剪试验。讨论了初始固结条件对不排水条件下饱和松砂孔隙水压力变化规律及对剪胀、剪缩、卸荷体缩等体积变化过程的影响。试验研究表明:(1)分别以稳定残余孔隙水压力和破坏时循环次数归一化后的残余孔隙水压力比和循环次数比之间的关系可以用双曲线模式表达。其参数主要依赖于初始主应力方向,中主应力系数对参数的影响并不显著。归一化后的孔隙水压力比与广义剪应变之间的关系也可以用双曲线模式表达,其中的2个待定参数依赖于初始主应力方向,与中主应力系数无关;(2)在三向非均等固结条件下的不排水循环扭剪试验中,饱和松砂表现出卸荷体缩特性,不同初始主应力方向时,饱和松砂剪缩、剪胀、卸荷体缩呈现出不同的交替变化模式。

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。

南票矿区松散层土体结构性参数试验研究

为了研究采空区影响下地表建(构)筑物的变形与破坏,必须首先全面认识建(构)筑物地基土的结构力学特性。基于综合结构势理论,利用TSW-40型土壤真三轴仪,以南票矿区松散层土体为研究对象,开展一系列不同围压、含水率和中主应力比条件下的真三轴试验,揭示了真三维应力状态下松散层土体应力比结构性参数的变化规律,建立了结构性参数数学模型。研究结果表明:原状土的q-ε_s曲线呈现出应变软化型、理想弹塑性型和应变硬化型3种典型的状态。重塑土和饱和土q-ε_s曲线一般均表现为应变硬化型。应力比结构性参数m_η随剪应变、含水率、固结围压和中主应力比的增加而降低;剪切作用初始阶段,m_η下降较快,当ε_s达到5%左右后,m_η逐渐趋于平稳,至ε_s=15%时,m_η趋近于1;结构性参数数学模型结果表明,固结围压对m_η影响最大,含水率次之,中主应力比对m_η影响最小。利用所建立的数学模型预测不同试验条件下松散层土体结构性参数变化规律,模型验证结果与试验结果吻合,证明了模型的有效性,可以作为进一步研究的理论基础。

岩土塑性理论中功表达的近似性

对广义剪应力、广义剪应变的表达式作了说明,在给出其增量表达的同时,指出了在计算二者增量时可能产生的误解。在此基础上,分析比较由平均主应力、体积应变增量、广义剪应力、广义剪应变增量表述的功的增量以及由三向主应力与三向主应变增量表述的功的增量得出:两种表述在一般情况下并不一致。但在某些特殊情况下,例如等应力Lode角加载并满足应力全量Lode角与应变增量Lode角相等时,二者的表述一致。岩土塑性理论中塑性功增量存在与功的增量相同的问题,然而对于实际岩土材料,应力全量与塑性应变增量等Lode角的假定在一般情况下是不能满足的。因此在岩土塑性理论中,对于一般情况下的等应力Lode加载情况,用平均主应力、塑性体积应变增量、广义剪应力、塑性广义剪应变增量表述的塑性功增量也只是一种近似。

复杂应力路径下饱和粉土孔压与变形试验研究

为了研究均等固结条件下复杂应力路径(循环应力比CSR和循环加载幅值比δ)对饱和粉土孔压和变形的影响,利用GDS空心圆柱扭剪仪,开展了轴向-扭转耦合循环加载的重塑饱和粉土不排水试验。采用累积广义剪应变γg来描述粉土在复杂应力路径下的变形,并以γg=5%为液化破坏标准。研究表明:(1)未液化粉土γg的发展趋势可以通过修正Monismith模型较好地表示,模型得到的预测值与测量值的误差大致在10%以内。(2)当CSR≤0. 05时,CSR和δ对于粉土γg随孔压比ru增大而增大的影响不明显,此时粉土γg几乎不发展且ru远小于1. 0。(3)粉土在不同应力路径下的临界循环应力比CSRth有所不同,当δ=1时,0. 05 <CSRth≤0. 065;δ=2时,0. 065 <CSRth≤0. 08;δ=4时,试验粉土均不会液化。

波浪荷载下饱和粉土不排水动力特性试验研究

确保海床场地的动力稳定性是近海工程安全运行的前提。目前针对复杂应力路径对海域环境饱和粉土动力学行为特性的影响研究尚属少见。利用GDS空心圆柱扭剪仪,开展了轴向-扭转耦合循环加载的重塑饱和粉土不排水试验,模拟波浪的波幅大小和海床深度变化,以广义剪应变γg=5%为液化标准,研究了均等固结条件下循环应力路径(循环应力比CSR和循环加载幅值比δ)对饱和粉土不排水动力特性的影响。结果表明:CSR与δ值的大小对饱和粉土的超静孔压与变形发展特性影响显著,圆形应力路径(δ=1)循环加载时饱和粉土最易液化;当CSR≤0.050时,饱和粉土不会发生液化;当CSR≥0.065且δ=1时,饱和粉土会发生液化;CSR> 0.150时,粉土易发生液化。γg与孔压比ru的相关性受CSR与δ值大小的影响较小,且γg可表示以r_u为变量的正切函数。以等效循环应力比ESR作为表征复杂应力路径下动应力大小的指标,饱和粉土达到γg=5%所需的液化振次NL与施加的ESR值具有事实上的唯一性关系,ESR随NL的增大而减小。

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。

复杂循环荷载作用后长江口原状淤泥质软黏土静强度弱化特性研究

利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,对取自于长江口原状淤泥质软黏土,在不固结不排水条件下,分别进行了动三轴、45°线耦合以及圆耦合等多种复杂循环剪切试验及循环荷载作用后静三轴试验。结果表明,随着循环次数的增加,3种不同模式循环荷载作用产生的应变、孔压增量以及循环荷载作用后土的静强度衰减程度差异均变得越来越明显。对应相同循环剪切次数,双向耦合循环剪切要大于单向循环剪切产生的应变与孔压增量,双向耦合循环剪切后静强度衰减更加明显;而对于双向耦合循环剪切,圆耦合循环剪切大于45°线耦合循环剪切产生的应变与孔压增量,并且圆耦合循环剪切后静强度衰减更加显著。由此表明,主应力轴连续旋转会使土体产生更大的变形与孔压增量,并且使静强度显著降低。分别定义了广义综合剪应变及综合孔压增量比,并建议了循环荷载作用后静强度与广义综合剪应变、综合孔压增量比的关系。

基于突变理论的地下工程洞室围岩失稳判据研究

地下工程围岩体系是高度非线性的复杂大系统,其稳定判据至今没有一个统一的认识。突变理论注重研究系统状态发生突变时外界的控制条件,主要阐述非线性系统如何从连续渐变状态走向系统性质的突变。应用突变理论对围岩体失稳的突变过程进行探索,旨在从理论上弄清其突变条件。能量突变判据和熵突变判据从物理学的观点考虑了围岩系统失稳的可能性,位移模突变判据、洞周屈服区面积突变判据和广义黏塑性剪应变突变判据则主要是根据数值计算中直观判别条件(关键点位移、洞周屈服区面积和广义黏塑性剪应变)考虑围岩失稳的可能性。将以上5种判据应用于某地下洞室断面,对围岩系统的稳定性进行分析,根据系统突变条件从不同的方面判别其发生失稳的可能性,可为工程的设计施工提供一定参考。

超固结膨胀土抗剪强度特性及边坡稳定研究

天然膨胀土经历长期干湿循环,反复胀缩使其具有超固结性。首先制取了超固结比为1.5的重塑膨胀土三轴样,进行了三轴排水剪切试验,获得了土体的峰值抗剪强度和残余抗剪强度;根据广义塑性剪应变的定义,采用硬化软化型函数建立了抗剪强度发挥值与广义塑性剪应变的函数关系,并引入到FLAC3D中的应变硬化/软化本构模型中,结合强度折减法进行了超固结膨胀土边坡的稳定性分析。结果表明:对于正常固结膨胀土,广义塑性剪应变很小,可采用稳定系数来评价边坡的稳定性;对于超固结膨胀土,应采用广义塑性剪应变和稳定系数来综合评价边坡的稳定性。如果广义塑性剪应变很大,即使稳定系数大于1,此时边坡也发生失稳破坏,说明土体的超固结性对膨胀土边坡的强度和变形影响不可忽略。

粉质黏土的真三轴试验及强度特性研究

为研究复杂应力路径下粉质黏土强度特性,利用TSW-40型土壤真三轴仪,开展了不同试验条件下粉质黏土的真三轴试验。研究了真三维应力状态下粉质黏土应力-应变曲线变化规律,探讨了含水率、固结围压和中主应力比等试验条件对粉质黏土强度的影响规律,对比分析了真三维应力状态下π平面上粉质黏土试验值与Mohr-Coulomb(简称M-C)强度准则和双剪强度准则的差异。研究结果表明:真三维应力状态下粉质黏土的广义剪应力-剪应变曲线主要表现为应变硬化型。粉质黏土强度随中主应力比和固结围压的增大而增大,随着含水率的增大而减小。π平面上粉质黏土的强度包络线随静水压力ζ的增大向外逐渐扩展,随含水率w的增大向内逐渐收缩。π平面上M-C强度极限线和双剪强度屈服极限线与试验值对比分析表明,M-C强度准则描述土体强度时结果偏小,采用双剪强度准则时结果偏大。

考虑结构性影响的原状软黏土应力–应变特性真三轴试验研究

通过对营口原状软黏土和饱和重塑软黏土的真三轴试验,研究围压和中主应力系数对软黏土强度的影响。基于综合结构势理论,提出真三维应力条件下软黏土的应力比结构性参数,建立引入结构性参数的原状软黏土偏应力–广义剪应变关系式。研究结果表明:当固结围压<先期固结压力时,原状软黏土偏应力–广义剪应变曲线形态表现为应变软化,体应变表现为剪缩特性;当固结围压>先期固结压力时,其曲线形态表现为应变硬化,体积应变表现为剪胀特性;饱和重塑软黏土的偏应力–应变关系曲线则不受先期固结压力的影响,均表现为应变硬化型。软黏土强度都随着固结围压和中主应力系数的增大而增大。应力比结构性参数m_η随广义剪应变、固结围压和中主应力系数的增大而降低,其与广义剪应变呈显著的对数关系。将拟合得到的应力比结构性参数m_η引入到原状软黏土的q-ε_s曲线中,得到q/m_η-ε_s关系曲线,进而建立引入结构性参数的原状软黏土偏应力–广义剪应变关系式,其与试验结果具有较好的一致性,从而使原状软黏土q-ε_s曲线得到合理描述。

交通荷载作用下软黏土的耗散能开展特征分析

交通、波浪等循环荷载的作用将引起土体主应力轴方向的连续变化,对软土路基的变形与稳定产生显著影响.现实工程中常以临界动应力水平作为路基设计的控制标准.为研究长期交通荷载下饱和软黏土处于临界动应力水平时的动力特性,利用空心圆柱扭剪仪开展一系列心形线应力路径及其他复杂应力路径下的不排水试验.基于耗散能理论,对交通荷载作用下软黏土的变形特征和耗散能的累积规律进行了分析,对比分析了不同应力路径和频率条件下广义剪应变和耗散能的发展规律.试验结果表明,临界动应力比条件下试样均会发生拐点破坏,可称之为临界破坏.在轴向拉压幅值比变化的心形线和圆形的不同应力路径下,土体发生临界破坏,虽然破坏特征差别很大,但累积耗散能的大小均较为接近,在88.007~91.807kJ/m3之间.故可考虑以耗散能作为不同应力路径临界破坏的判别标准.频率会影响土体的结构损伤程度,频率越低,损伤越充分,耗散能前期的累积速率越快.随着频率的增大,土体发生临界破坏时刻的累积耗散能越小,且呈一定的递减规律.建议可以采用累积耗散能作为确定临界应力水平下土体发生临界破坏的重要参考标准.