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。     

应力方向效应对软黏土变形和孔压特性影响的试验研究

利用空心圆柱扭剪仪对原状软黏土开展了系列含主应力方向旋转条件下的试验研究:包括单纯旋转主应力方向、单纯往复旋转主应力方向以及主应力方向旋转的同时增加剪应力等典型应力路径。主要研究应力方向效应对软黏土变形及孔压特性的影响。通过参数对比研究,分析了中主应力系数b、剪应力水平、应力旋转方向及与剪应力耦合作用的影响等。试验结果表明:在主应力大小保持不变的条件下,主应力方向的旋转也会引起软黏土显著的应变和孔压或体应变的累积,中主应力系数对应变和孔压的变化规律均有一定的影响,b=0.5时,试样接近平面应变;b=0.75时,孔压随应力旋转累积最显著。剪应力越大,主应力方向旋转引起的应变和孔压也越显著。应力方向效应和剪切对土体具有叠加耦合作用。     

复杂应力路径下影响粘土孔压开展的因素研究

采用空心圆柱扭剪仪,针对杭州原状软黏土,设计轴对称和三维应力状态下的复杂应力路径,进行固结不排水条件下的主应力轴旋转试验,以此从试验上验证主应力轴转幅、中主应力系数、初始剪应力对剪切过程中孔压开展特征影响的理论分析结论。理论分析和试验结果均表明：在主应力轴旋转过程中,主应力轴转幅分别为0°～45°和45°～90°间的值时,试样的变形不同,产生的孔压增量不同,以主应力轴转幅等于45°为界;当中主应力系数在0～1间变化时,随着中主应力系数的增大,产生的孔压增量先减小后增大,以中主应力系数等于0.5为界,并且,中主应力系数对剪切过程中孔压开展的影响受剪应力水平的控制;初始剪应力水平越高,上升初始剪应力阶段产生的孔压增量越大,剪切过程中总的孔压水平越高。在包含主应力轴旋转和剪应力增大的剪切应力路径初始阶段,以大主应力方向角作为控制条件比以初始剪应力作为控制条件产生的孔压增量大,对剪切过程中孔压的开展影响更大。     

复杂应力路径下影响黏土孔压开展的因素研究

采用空心圆柱扭剪仪,针对杭州原状软黏土,设计轴对称和三维应力状态下的复杂应力路径,进行固结不排水条件下的主应力轴旋转试验,以此从试验上验证主应力轴转幅、中主应力系数、初始剪应力对剪切过程中孔压开展特征影响的理论分析结论。理论分析和试验结果均表明:在主应力轴旋转过程中,主应力轴转幅分别为0°～45°和45°～90°间的值时,试样的变形不同,产生的孔压增量不同,以主应力轴转幅等于45°为界;当中主应力系数在0～1间变化时,随着中主应力系数的增大,产生的孔压增量先减小后增大,以中主应力系数等于0.5为界,并且,中主应力系数对剪切过程中孔压开展的影响受剪应力水平的控制;初始剪应力水平越高,上升初始剪应力阶段产生的孔压增量越大,剪切过程中总的孔压水平越高。在包含主应力轴旋转和剪应力增大的剪切应力路径初始阶段,以大主应力方向角作为控制条件比以初始剪应力作为控制条件产生的孔压增量大,对剪切过程中孔压的开展影响更大。     

主应力轴旋转对土体性状影响的试验进展研究

对目前国内外主应力轴旋转条件（包括单向旋转和循环旋转）下土体性状研究的室内试验进行系统的分析与总结，得到以下结论：土体在不排水主应力轴旋转条件下产生孔压积累，这在主应力轴循环旋转中特别显著，且通常大于等剪应力幅度的动三轴或扭剪试验产生的孔压，并可建立与某种应变增量的函数关系，此外孔压开展的速率与程度受到土体原生各向异性的影响，但当试样所受剪应力水平较低时，上述影响的程度减弱。而在主应力轴循环旋转过程中，孔压还与主应力轴的转幅或循环次数等因素有关；主应力轴循环旋转并没有导致有效内摩擦角的显著变化。相当一部分试验结果表明，不论主应力轴旋转时的排水条件如何，只要采用归一化的强度标准，土体后续的抗剪强度并不受主应力轴旋转的影响，但也有一些试验表明，排水条件下主应力轴旋转引起原生各向异性轴的同步旋转，导致同一方向旋转前后的定向抗剪强度不尽相同；土体在主应力轴旋转条件下的主应变增量方向往往介于主应力增量和主应力方向之间，而旋转过程对土体后续加载路径中的应力一应变关系是否产生影响主要依赖于主应力轴旋转过程中产生的应变积累水平。此外，还建议可从孔压、强度、应力-应变关系3个角度出发，进行高剪应力水平、高频率主应力轴旋转试验，并深入研究各个应力因素对主应力轴旋转下土性的影响。     

中主应力系数对应力主轴循环旋转条件下砂土变形特性的影响

采用香港科技大学的空心圆柱扭剪仪对日本标准丰浦砂进行了四个系列、每个系列包含中主应力系数b=0.1,0.5和1.0三种不同情况的纯应力主轴循环旋转排水试验,即试验过程中控制作用在砂样上的有效主应力的幅值不变,仅应力主轴在0°～180°循环旋转。试验发现中主应力系数b对应力主轴循环旋转条件下砂土的变形特性有显著影响,着重分析了这一参数对纯应力主轴循环旋转条件下砂土的应变分量和体应变的发展、剪应力剪应变关系曲线及流动规律等变形特性的影响。     

交通荷载引起主应力轴旋转下软黏土特性试验

为探讨交通荷载引起的主应力轴旋转(即剪应力反转现象)对软黏土动力特性的影响,通过空心圆柱仪(HCA)试验系统,模拟交通荷载作用下土单元的真实应力路径,并对不同轴向偏应力、扭剪应力组合下,软黏土的累积孔隙水压力和累积应变特性进行了试验研究,分析了应力组合模式和幅值对软黏土动力学行为的影响规律。研究表明:施加扭剪应力(模拟主应力轴旋转)会增大软黏土的累积应变和累积孔压,且对孔压的增大影响比对应变更加显著;扭剪应力越大,这种增大效应显著加快,此时在研究交通荷载下软黏土长期变形时,需进行考虑主应力轴旋转的动力试验。     

《岩土力学》11/2018 不同加载方向条件下堆石料剪胀特性试验研究

正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3s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σ_3、等轴向力σ_1、等平均主应力p、等主应力比K_c共4种应力路径下的堆石料大型三轴试     

主应力轴纯旋转条件下原状黏土变形特性研究

采用空心圆柱扭剪仪对原状软黏土进行了不排水条件下的主应力轴纯旋转试验,即主应力轴旋转过程中平均主应力、剪应力和中主应力系数都保持不变。重点研究了中主应力系数对原状软黏土在主应力轴纯旋转条件下的孔压和变形特性的影响,基于试验结果对主应力轴纯旋转的影响机理进行了分析。试验结果表明：即使3个主应力的值都保持不变,原状黏土的孔压和应变也会随着主应力方向的旋转而累积,经历主应力轴的旋转后土体刚度减小;主应力轴连续旋转时主应变增量方向与主应力方向存在显著的非共轴现象;中主应力系数对主应力轴旋转条件下孔压和应变的开展以及刚度衰减有显著的影响,而对非共轴特性的影响较小。电镜扫描结果表明经历主应力轴旋转后黏土颗粒破碎聚集成较大的团粒,大孔隙显著减少,颗粒和孔隙分布趋于均匀,主应力轴旋转的影响机理可以归结为主应力轴旋转对土体微观结构的扰动和破坏。     

交通荷载应力路径下K_0固结软黏土变形特性试验研究

交通荷载作用下,软黏土路基土单元体上所受主应力的大小和方向是同时变化的,即在剪应力幅值改变的同时主应力轴连续旋转。针对该问题,利用GDS空心圆柱系统对K_0固结天然温州软黏土进行不排水大数目(10000次)循环扭剪试验,分析了K_0固结软黏土在考虑主应力轴旋转时不同动应力水平下的应变特性。试验结果表明:主应力轴旋转的存在将使土体内产生更高的孔压,并在轴向上产生额外变形,且随着扭剪应力的等幅增加,竖向应变和孔压的增加量将越来越大。考虑主应力轴旋转时不同动应力水平下K_0固结软黏土的变形发展模式有所不同,可由安定理论进行解释。确定了考虑主应力轴旋转下K_0固结温州软黏土的临界动应力水平——即门槛循环应力比、容许循环应力比和临界循环应力比的范围。提出可将容许循环应力比作为道路工程沉降控制的准则。与三轴试验结果相比,考虑主应力轴旋转时,道路设计中对动应力的控制应更为严格。     

双向激振下饱和软黏土动模量与阻尼变化规律试验研究

 通过GDS双向动三轴系统对双向激振循环荷载作用下饱和软黏土的动模量与阻尼变化规律进行研究。结果表明：随着径向循环应力增加,孔压比增加,双向激振对孔压的影响仅限于对初始孔压的提高,且初始孔压提高的幅度近似与径向循环应力相等;双向激振对门槛循环应力比的影响不明显;径向循环应力对动模量与阻尼的变化规律有显著的影响,在动应变一定的情况下,随着径向循环应力比的增加,动模量降低,阻尼比增加。随着径向循环应力的增加,小应变弹性模量随之减小,且近似与径向循环应力比成线性关系,据此实现了Hardin公式的修正,建立了双向激振下小应变弹性模量经验模型。径向循环应力及围压对 及 关系曲线影响不明显,通过对双曲线型模型修正,建立双向激振下饱和软黏土动模量与阻尼随动应变变化的经验模型。     

循环荷载下饱和砂土固–液相变特征

基于南京饱和细砂动三轴试验发现,循环荷载下饱和砂土应力–应变率曲线形状随孔压累积由“椭圆形”渐变为“哑铃形”。“哑铃形”关系曲线的出现表明饱和砂土具有低抗剪性和流动性。定义了反映循环荷载下饱和砂土流动性的平均流动系数以及反映流动性随振次变化的流动曲线,发现流动曲线具有明显的三阶段特征。给出了相对密度、有效固结压力和循环应力比对流动曲线的影响规律。提出以平均流动系数急速增长初始点作为饱和砂土由固态向液态转变的临界点,据此定义平均流动系数急速增长初始点对应的孔压比为相变孔压比。试验发现,各工况的平均流动系数与孔压比关系曲线基本一致,相对密度、有效固结压力和循环应力比对相变孔压比几乎无影响,各工况相变孔压比均在0.8左右。     

黄土的结构屈服及湿陷变形的分析

黄土是一种典型的结构性土,其湿陷性是浸水后黄土结构破坏的反应。黄土的结构性可用构度指标定量地描述,它既包含了土的物质组成,还包含了不同沉积年代黄土的结构特征。加载和浸水均可引起黄土结构性衰减,加载结构性衰减可由一定含水率黄土的压缩结构屈服应力和压缩变形曲线表征;浸水结构性衰减可由浸水的压缩结构屈服应力减小和压缩变形曲线的变化表征。针对不同场地、不同沉积年代的Q_3黄土和Q_2黄土,依据不同含水率黄土的压缩曲线,分析了不同黄土构度指标与其压缩结构屈服应力之间的关系,以及黄土压缩变形过程中孔隙比和初始孔隙比比值与压缩应力和压缩结构屈服应力比值对数之间的关系。表明不同沉积年代黄土的构度随其反映基本物性的综合物理特征量单调变化,压缩结构屈服应力与构度之间近似呈线性关系,压缩结构屈服前后的孔隙比比值和压缩应力比值对数之间服从近似一致的变化规律。建立了由黄土沉积年代和基本物性指标确定构度,进而确定压缩结构屈服应力;依据孔隙比比值与压缩应力比比值对数的关系,分别描述天然含水率黄土和浸水饱和黄土的压缩曲线;进而,确定饱和自重作用下黄土的自重湿陷系数,计算场地自重湿陷变形的评价方法。该方法应用于西安地区黄土场地自重湿陷评价,得到了与现场浸水试坑试验实测自重湿陷量比较一致的结果,论证了考虑黄土结构性的湿陷性评价方法的合理性和准确性,为建筑黄土地基湿陷变形和大厚度湿陷性黄土地下结构地基湿陷变形评价提供了一种新途径。     

循环孔隙水压力作用下饱和砂土变形的试验研究

波浪荷载的作用会在近海砂体基础中产生循环孔隙水压力,研究循环孔隙水压力作用下砂床土体的力学行为对海岸和近海工程有重要意义。本文选用福建标准砂为研究对象,自动控制水压力发生装置作为动力源,通过固结不排水三轴试验,研究分析了在循环孔隙水压力作用下影响饱和砂土变形性能的试验参数。试验结果表明,当固结应力比、频率较大,而相对密度较小时,试样有较大的变形,更容易发生破坏。最后,绘制了试样轴向应变与动孔隙水压力系数的关系曲线,并分析了曲线的变化规律。     

岩土类材料的变换应力空间及其应用

土、岩石和混凝土的强度受平均应力和应力 Lode 角影响,其破坏面在应力空间为不规则的曲面。基于 Lade 准则和在 p,q 坐标下的幂函数破坏条件推导出了变换应力张量,使用该张量,在不增加任何新的参数条件下就可以使普通应力空间不规则的破坏曲面变换为变换应力空间规则的破坏锥面。在变换应力空间内整理试验结果,可以将其归一化在一个统一的框架内,将普通应力空间中复杂的变形和破坏规律变换为变换应力空间单一的、简单的规律,在新的变换应力空间进行应力应变分析,可使问题得到极大的简化。     

基于能量法的尾矿土动孔压模型研究

通过应力控制式动三轴不排水循环剪切试验,对饱和尾矿土在循环应力比、轴–径向固结应力比等因素下孔隙水压力与累积能量耗散关系进行研究。研究结果表明孔隙水压力增长与塑性应变累积能量耗散和土体黏滞累积能量耗散密切相关。当循环应力比cR介于0.205~0.238、轴–径向固结应力比cK介于1.0~1.3时,孔隙水压力–能量之间存在临界状态。通过非线性回归分析初步建立了循环应力比和轴–径向固结应力比条件下饱和尾矿土的孔隙水压力能量模型,从变化机理上阐述孔隙水压力的变化规律并消除了周次的不确定性对于孔隙水压力模型的影响,对预测循环荷载作用下饱和土的孔隙水压力具有借鉴意义。     

可液化场地地震振动孔隙水压力增长研究的大型振动台试验及其数值模拟

基于数值模拟基本假设,运用有效应力原理以及振动孔隙水压力增长经验模式,采用应力循环孔压增量计算方法,直接针对非自由可液化场地基地震反应的大型振动台试验建立数值计算模型,并据此进行可液化场地基孔压动力增长数值模拟。数值模拟结果表明:分别在0.15g和0.50g El Centro波输入下,孔压在13 s之前无明显变化,至13 s瞬时增长,20 s左右达到最大值,并且自下而上峰期孔压比逐步增大;其中0.5g El Centro波输入下整个土层达到全部液化的孔压比,而0.15g El Centro波输入下仅上部土层具有局部液化的孔压比。同时由数值模拟结果可发现:由于桩-土动力相互作用,致使近桩区孔压较远桩区孔压高且在桩周附近形成一定孔压梯度,但对孔压增长趋势无太大影响;数值模拟获得的地基振动孔隙水压力增长规律与试验记录基本保持一致。总的来讲,这种孔压动力增长的数值模拟方法,在强震输入下基本能够刻画土层中孔压的动力增长过程,而弱震输入下的计算误差较明显。     

初始剪应力对饱和粉土液化特性影响试验研究

为探寻饱和粉土的液化特性,利用GDS空心圆柱仪进行了一系列循环扭剪试验。在初始剪应力τs和循环剪应力τcy共同作用下,试样的最小剪应力τmin=τs-τcy存在3种类型:τmin0,τmin=0和τmin0。试验结果表明:当τmin≤0时,试样的孔压可以达到有效围压,其破坏模式为循环液化;当τmin0时,试样的孔压始终达不到有效围压,其破坏模式为过大的累计应变。饱和粉土的循环强度随着初始剪应力τs与初始有效平均主应力0p′之比值SSR(初始剪应力比)的增加呈现出先减小后增大变化趋势,且SSR=0.1~0.15时的循环强度最低。当SSR≤0.1时,孔压比的发展模式随着循环剪应力比的增加由"快—平稳—急剧"的增长模式向"快—平稳"的增长模式转变;当SSR0.1时,孔压比的发展呈现"快—平稳"的增长模式。     

采用孔隙热弹性模型分析页岩井眼失稳规律

基于多孔介质连续力学,考虑各向异性页岩的热流固耦合作用,建立了各向异性多孔介质孔隙热弹性力学基本方程和页岩地层井眼稳定分析数学模型,采用MATLAB软件编制了数值求解程序,分析了流固耦合、热固耦合、热流固耦合三种不同耦合模式下井周孔隙压力、地层温度、应力分布和井眼稳定性随时间变化的特征。结果表明:数值解与解析解计算结果吻合较好(误差仅0.028%),实例井井眼扩径率计算结果与实际情况基本吻合,验证了本文模型和方法的正确性;温度和孔隙压力的改变对井周应力分布影响较大,地层温度降低、井内压力增加有利于井眼稳定,孔隙压力升高不利于井眼稳定;页岩地层井眼稳定性具有显著的时变效应,随着钻开地层时间的增加,井眼不稳定区域和井眼扩径率逐级变大。孔隙热弹性力学分析方法可用于分析不同时间的井眼失稳规律,可为解决页岩井眼失稳问题提供更加科学的计算手段和方法。