各向异性砂土渐近状态试验研究

砂土的渐近力学行为是土的本构关系的重要研究内容之一。通过系列三轴排水剪切试验、三轴等向压缩试验和等应变增量比试验研究了砂土的各向异性及其对于渐近状态的影响。研究结果表明:在剪切变形较小时,砂土主要表现出压缩变形的各向异性,在剪切变形较大的条件下则表现为强度的各向异性;当沿着等应变增量比路径加载时,应力比最终趋于一个常数,即渐近状态的应力比;相对于沉积面水平的试样而言,沉积面铅直的渐近状态应力比稍大;在剪切变形较小时,各向异性砂土的渐近状态应力比与各向同性准则预测结果相差较大,当剪切变形较大时二者较接近。通过比较不同各向异性材料的等应变增量比试验结果研究了各向异性的程度对于渐近状态应力比的影响。在揭示各向异性砂土渐近状态的物理机制的基础上给出了定量描述渐近状态应力比随应变增量比变化的数学表达式。     

砂土的压剪效应与渐近状态准则

以往的研究结果表明:砂土在沿着等应变增量比路径加载时存在一个稳定的应力状态,即渐近状态;渐近状态随应变增量比的变化而变化;渐近状态是比临界状态更为广泛的一个概念,临界状态是渐近状态在体应变增量为零时的特殊情况。在一系列应变路径试验的基础上揭示了渐近状态随应变增量比的变化而变化的物理机制是加载过程中的压缩变形与剪切变形的所占比例不断调整的结果,将压缩变形与剪切变形耦合变化的力学行为及其对土的应力应变响应的影响定义为压剪耦合效应(简称压剪效应),在此基础上,提出定量描述渐近状态应力比随应变增量比变化的二维和三维渐近状态准则,并且通过试验结果验证了准则的有效性。     

平面应变加–卸载试验中砂土的黏性特征及本构模型化

 通过丰浦砂的平面应变循环加载试验,分析砂土在加–卸载条件下相应的黏性特征。试验比较不同加载应变速率下2组砂土的应力–应变响应,进行蠕变加载,着重研究卸载过程中砂土的黏性特征。试验表明砂土的黏性特征与加载速率以及应力水平密切相关,且加载速率变化所引起的砂土黏性会随着加载的继续和应变的增大而逐渐衰减。卸载开始后,砂土垂直应变并未立即降低,而在一段时间范围内仍旧保持增大趋势。卸载过程中的蠕变试验还表明砂土具有“蠕变恢复”的特性。针对砂土的以上黏性特征,基于三要素模型的基本框架,提出瞬时黏性效应(TESRA)模型用以模拟加载和卸载阶段砂土黏性特征。根据试验所得到的砂土应力–应变关系,对第一次加载循环(初始加载–卸载)的砂土应力–应变响应和时程响应进行模拟,并证明瞬时黏性效应(TESRA)模型能够比较精确地模拟砂土在加–卸载循环中的黏性特征。     

密度对砂土应力应变强度特性影响试验研究

针对某级配砂土,对不同密度试样进行常规三轴固结排水剪切试验,探讨了密度对砂土应力应变特性、强度特性的影响。试验结果表明:密度对砂土应力应变的形态影响不大,对试样破坏时的轴向应变有显著影响;砂土试样发生相变时的体积应变受密度影响显著。通过研究密度和围压对变形的影响,定量分析了相变体积应变随相对密实度和围压的变化关系,同时,发现砂土密度对其变形模量影响较大;密度对试样破坏偏应力比影响较大。试样砂土的强度指标总体上随相对密实度增大而增大,但在试验范围内影响有限。对非线性指标φ_0,Δφ,随试样相对密实度变化均可近似用直线表示;D_r每增大0.1,内摩擦角φ增大0.66°。     

堆石料加载与流变过程中塑性应变方向研究

确定塑性应变增量方向是建立土体弹塑性本构模型的核心之一,弹塑性理论中通常假定塑性应变增量方向仅与应力状态有关,与应力增量无关。流变试验是一种应力状态恒定的特殊试验,应力增量为零,所有应变均为塑性变形。研究流变过程中塑性应变方向与应力状态的关系及其与加载过程中塑性应变方向的差异,对于建立土体弹塑性本构模型具有重要价值。通过对某抽水蓄能电站筑坝堆石料的大型三轴压缩试验和三轴流变试验,分别研究了加载和流变过程中剪胀比与应力比之间的关系。结果表明,三轴压缩和三轴流变过程中,堆石料的剪胀比均随着应力比的增加而减小,且相同三轴压缩应力状态下,堆石料的流变剪胀比明显大于加载剪胀比,即流变过程中堆石料剪缩性比三轴压缩过程中的剪缩性更为强烈。因此,采用相同的塑性势函数同时确定加载塑性应变方向和流变黏塑性应变方向是不恰当的,建立考虑堆石料流变的弹塑性模型时应该选用不同的应力剪胀方程或塑性势函数。     

全伺服式中等应变率三轴试验系统的研制及应用

开展中等应变率试验将有利于理解全应变率空间材料力学特性的率效应特征.为弥补国内外中等应变率试验设备的不足,自主研制RMT401全数字伺服式中等应变率三轴试验系统,主要由3个子系统组成:高频轴向加载系统、全数字围压伺服控制系统与数据采集系统.该系统具备轴向加载和围压的伺服控制功能,实现了动态试验中轴向应变率的稳定加载与围...     

循环-间歇加载下粉土永久变形特性试验

真实地揭示路基填料在交通荷载作用下的永久变形特性可为路基设计和评估提供依据。利用动三轴仪,对粉土开展了连续循环加载和间歇加载(连续加载阶段与间歇阶段交替循环)动三轴试验。分析了间歇阶段对粉土的轴向应变和累积塑性应变等发展规律的影响,并重点研究了间歇加载方式下粉土的累积塑性应变行为特征。试验结果表明,间歇阶段的存在对提高试样抵抗永久变形的能力有积极作用,动三轴试验中应考虑荷载间歇阶段的影响。依据安定理论,间歇加载方式下,粉土的动力行为可划分为三类:塑性安定、塑性蠕变和增量破坏,并提出了间歇加载方式下粉土试样临界应力的表达式和累积塑性应变预测模型。研究结果对深刻认识路基的永久变形特性具有参考价值。     

堆石在平面应变条件下的强度和应力-应变关系

应用大型平面应变仪,进行了灰岩及细砂岩两种堆石的风干料及饱和固结排水平面应变试验。试验结果表明:1.堆石在平面应变条件下的强度比三轴试验强度高;2.饱和试样强度低于风干料试样强度;3.平面应变条件下的应力-应变关系与三轴试验结果相比较,差别较大,前者呈明显的应变软化特性;4.平面应变条件下堆石泊松比基本上是一常数,而且小主应力σ₃对它影响较小。     

加载速率变化条件下砂土的黏塑特性及本构模型

 分析并研究饱和的、风干的砂土在平面应变压缩试验条件下的弹黏塑性特征,尤其是黏性特性。加载速率效应、蠕变以及应力松弛都是砂土材料本身黏性的反映,而与超孔隙水压力的消散无关。试验不仅实现了应变率逐步变化加载过程,同时也实现了蠕变加载和应力松弛过程。试验结果表明,在加载应变率发生突变时,对砂土应力–应变关系有明显的影响,呈现出刚性很高、近似于弹性的特性,而后随着应变的进一步增加,在明显屈服之后黏性应力逐渐衰减至基本惟一的应力–应变曲线。类似现象同样也发生在蠕变加载或应力松弛后以一恒定应变率突然重新加载的情况。基于非线性三要素模型框架,针对所观察到的砂土黏性特性,提出一种弹黏塑性本构模型。该模型可以描述砂土在任意加载历史下的黏性效应,包括加载应变率发生任意变化时的应力–应变响应、蠕变以及应力松弛。最后,利用该模型对上述砂土平面应变压缩试验结果进行模拟,所提案的三要素弹黏塑性本构模型能够很好地模拟砂土的黏性特性。     

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。     

Pre-Failure Instability Behavior of Sand in Strain Path Testing Under Plane-Strain Conditions

Experimental data are presented in this paper to study the instability behavior of sand in strain path testing under plane-strain conditions. K₀ consolidated strain path tests were conducted on Changi sand using a plane-strain apparatus. The test results show that the occurrence of pre-failure instability under plane-strain conditions is affected by the void ratio and the strain increment ratio. This is consistent with previous findings established under axisymmetric conditions. However, instability behavior of medium dense sand in strain path-controlled plane-strain tests can also be affected by shear band formation. In this case, on-failure instability takes place and failure is likely caused by shear band development. This observation is different from that in triaxial strain path-controlled tests where shear bands do not normally occur.     

考虑侧向变形的各向异性砂土土压力试验研究

 基于各向异性砂土在不同常应变增量比条件下的应变路径试验研究土压力系数与侧向应变约束条件之间的密切关系,并且进行各向异性砂土的土压力离心模型试验,验证材料试验的规律,分析比较大主应力与沉积面夹角不同时填土的土压力及位移场随挡墙位移变化规律的异同。研究结果表明,大主应力分别垂直和平行于沉积面的2种情况下,K0状态附近的滑动区域差别较小,土压力大小差别较小。随着挡墙位移的增大,2种情况下填土形成的滑楔体大小和土压力大小的差异明显增大,大主应力垂直于沉积面时填土中形成的滑楔体尺寸较小,土压力也相对较小。试验结果表明,与各向同性的情形相比,各向异性使静止状态的土压力增大,对极限状态影响较小,表明压缩变形各向异性明显比强度各向异性影响要大。     

红砂岩粗粒土剪胀效应大型三轴试验研究

 采用大型三轴试验仪,进行不同应力状态下的红砂岩粗粒土三轴试验,研究粗粒土在不同应力状态下的剪胀性和剪胀趋势影响因素。试验研究表明围压对粗粒土的剪胀性具有明显影响,在不同围压状态下,红砂岩粗粒土整体表现为高压剪缩低压剪胀,并且低围压下表现出先剪胀后剪缩趋势。当围压＜200 kPa时,体积增量比dev/de1为负值,土样表现为剪胀趋势;当围压＞400 kPa时,体积增量比dev/de1在整个剪切过程中为正值,土样表现为剪缩趋势。粗粒土剪胀趋势还随着轴向总应变发展而改变,开始时剪胀明显,随着轴向应变增加剪胀趋势缓减。粗粒土Rowe模型剪胀参数K值离散性较大,充分反映粗粒土剪切过程中粗、细颗粒间变形不协调性,并且随着总应变值e1的增加,K值离散性减小。本试验结果认为红砂岩粗粒土的Rowe剪胀模型参数K = 20～25。     

松散砂土不稳定性试验研究

 对松散丰浦砂进行三轴不排水和常偏应力排水剪切(constant shear drained,简写为CSD)试验。试验采用高精度变围压三轴仪可实现CSD试验全过程偏应力不变,得到比以往研究更为可靠的试验结果。试验发现,在不排水试验中,同一孔隙比的试样在不同围压下具有相同的不稳定线,但同一围压下不稳定线的斜率随孔隙比的增大逐渐减小并趋于稳定。试样在完全排水条件下会发生不稳定,即试样产生明显塑性变形,轴向应变和体积应变迅速增大。以往的研究中CSD应力路径的施加采用轴向力不变,试验过程中偏应力的减小会对不稳定性的判断造成影响,这可能是不同研究者得出不一致结论的重要原因。对松散砂土在不排水和排水条件下不稳定性的区别与联系进行分析,得出如下结论：松散砂土无论在不排水条件下还是在完全排水条件下,相同孔隙比的试样均是在同一应力比下达到不稳定状态。试验结果为排水条件下不稳定性机制研究提供更强有力的试验依据,可用于解释某些边坡的破坏机制。     

砂土在小应变下考虑应力路径影响的本构模型的试验研究

以标准砂为试样,利用GDS数字控制应力路径三轴仪进行了K0初始应力条件下8条特殊应力路径试验。在小应变区域内,通过刻画在应力空间的等应变应力线的变化规律,推导了可以考虑任意应力路径和应力路径方向变化的杨氏模量计算方法,并对泊松比进行了研究,建立了砂土在小应变区域内可以考虑复杂应力条件的本构模型。模型可以反映小应变时砂土的高模量、非线性以及模量急剧变化等主要特征;也可以模拟一般模型所不能考虑的应力路径方向变化引起的模量变化。     

定轴剪切条件下砂土强度与非共轴性试验研究

针对现有定轴剪切试验大多忽略中主应力系数b值变化这一问题,基于不同力系之间的映射关系,严格推导了空心圆柱扭剪仪4个外荷载的加载参数。采用重塑福建标准砂试样,分别在2组围压下开展主应力方向固定的剪切试验,研究主应力方向角α不同时,砂土变形、强度、非共轴性等力学特性的差异。结果表明:砂土的强度、应力-应变关系等力学特性均具有显著的应力方向依赖性;随着应力方向从0°到90°变化,应力路径表现为2个变化阶段,峰值强度先减小后增大,在α为67.5°附近取极小值;对比大主应变增量方向与大主应力方向之间的关系,发现当偏应力比较小时,试样存在明显的非共轴现象,随着偏应力比的增大,应变增量方向逐渐趋近于应力方向。     

双向耦合循环剪切条件下饱和砂土体应变发展规律试验研究

砂土的剪胀与循环应力路径密切相关。针对饱和南京细砂,利用空心圆柱扭剪仪(HCA)进行了一系列均等固结条件下轴向–扭转耦合循环剪切排水试验,研究了复杂应力路径下饱和砂土的剪胀性及其体应变量化方法。研究表明:双向耦合循环剪切条件下饱和砂土的剪胀由一个完全可逆的循环体应变分量和一个不可逆的累积体应变分量构成,循环应力路径对累积体应变发展规律影响显著;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,饱和砂土累积体应变与ESR值具有事实上的唯一性关系,累积体应变随ESR的增加而线性累积;通过引入参数ESR,提出了双向耦合剪切条件下饱和砂土累积体应变规准化方法。验证性试验表明新的体应变增量模型的预测值与试验结果的吻合度较高,而基于循环直剪试验结果建立的Byrne模型对双向耦合剪切条件下饱和南京细砂的体应变预测偏小。     

慢速往复荷载下饱和砂土变形特性试验研究

慢速往复荷载作用下土变形特性的研究不多见 ,但实际工程中土受到慢速往复荷载作用的例子很多。本文在先进的GDS应力路径三轴仪上对饱和砂土进行等围压不同周期的慢速往复荷载排水三轴试验。根据试验结果分析了饱和砂土在慢速往复荷载下的应力应变特性 ,并对饱和砂土的新特性 -卸载体缩特性进行了探讨 ,得到一些有益的结论     

土的三维渐近状态准则

天然地基中土是在某种约束下而受力变形的，试验结果表明，土在等应变增量比的路径约束下，无论应力路径的起点如何最终都会逼近于应力比为一常数的稳定状态，称为渐近状态。简要分析了渐近状态下土的剪胀规律，应变增量比作为反映剪胀性的一个参数，可以用来描述渐近状态应力比，结合广义非线性强度准则，把土渐近状态应力比的计算推广到三维，提出了土的三维渐近状态准则，并详细分析了该准则中各参数对渐近状态应力比的影响程度，最后通过试验验证了准则的有效性。