固有和诱发各向异性对击实粘性土强度和变形特性的影响

应用内外室压力不等的空心园柱扭剪仪，对击实粘性土进行了固有和诱发各向异性的试验研究。结果表明，击实粘性土具有明显的固有各向异性，它对土的应力应变关系、强度和变形特性都有不可忽视的影响；不同主应力方向的破坏强度最大差别可达３０％。试样的初始含水量和应力水平会影响固有各向异性程度。诱发各向异性可由卸载和主应力方向旋转产生，它对排水剪强度影响不大，但对应力应变关系和变形特性有较大影响。     

定向剪切应力路径下击实黄土各向异性试验研究

为了研究在定向剪切应力路径下击实黄土的各向异性对其强度和变形特性的影响,利用空心圆柱扭剪仪对击实黄土进行了沿不同主应力轴方向的定向剪切试验,重点探讨中主应力系数b、主应力方向角?对剪切过程中击实黄土强度和变形的影响。试验结果表明,随着主应力方向角的增加,强度呈现出先减小后增大的变化规律,说明击实黄土存在显著的各向异性。在不同b值条件下,广义剪应力–应变曲线的割线模量在0°~30°随着?角增加而降低,在60°以后逐渐增大。通过分析广义剪应力–剪应变曲线变化规律和已有的研究成果,建议采用峰值广义剪应力作为定向剪切下击实黄土的破坏标准;当广义剪应变达到15%仍未出现广义剪应力峰值时,取15%广义剪应变对应的广义剪应力作为击实黄土的破坏标准。击实黄土各向异性特性还表现在b=0.5时各主应力方向上的强度较b=0.0时的强度低。     

粗粒土应力诱发各向异性真三轴试验颗粒流模拟研究

基于颗粒流基本理论和物理试验结果,通过改进PFC3D程序中的内置代码,生成包含clump颗粒的混合试样以克服纯球体颗粒模拟粗粒土抗剪强度不足的缺陷,模拟粗粒土在真三轴状态下各主应力方向上的单向加荷试验,并从宏观和细观角度分析了复杂应力状态下粗粒土的应力诱发各向异性特征。试验结果显示:复杂应力状态对各向异性的诱发作用显著,各向宏、细观参数及应力–应变曲线显示出了显著的各向异性;单向加荷试验中加荷向始终为压缩变形,侧向变形复杂,且受初始中主应力系数B影响显著,且B值对非加载向泊松比的各向异性及加载向应力–应变曲线的影响亦较明显;模拟试验中配位数、孔隙率等细观参数的变化趋势能够反映试样体积变形的类型,两个细观参数的取值大小影响抗剪强度的强弱,并且各主应力方向单向加荷时,对应相同的应力增量配位数、孔隙率等细观参数表现出显著的各向异性;从细观角度看,应力诱发各向异性产生的原因归结于侧向围压差异所引起的细观结构变化。     

初始主应力方向对饱和粉土不排水剪切特性的影响

利用“土工静力–动力液压–三轴扭转多功能剪切仪”,针对山东东营原状饱和粉土和采用 3 种初始成样含水率夯击法制备的重塑饱和粉土,在初始平均主应力为 100 kPa ,初始中主应力系数为 0.5 ,初始偏应力比为 0.433 ,初始主应力方向角分别为 0 °, 30 °, 45 °, 60 °, 90 °的非均等固结条件下,保持平均主应力和中主应力系数恒定进行了应力控制式不排水静力扭剪实验。着重探讨了初始主应力方向和初始成样含水率对粉土应力–应变关系、孔隙水压力变化与有效应力路径等的影响。实验结果表明：初始主应力方向对原状粉土和重塑粉土的变形与强度特性的影响程度有所不同;初始成样含水率对饱和重塑粉土的变形及强度特性具有显著影响。     

饱和黏土不排水抗剪强度各向异性的热力学本构模型研究

基于饱和土体TTM（Tsinghua thermodynamic soil model）热力学本构模型分析研究了饱和黏土的不排水抗剪强度各向异性问题。模型及试验研究表明：非等向或固结历史是引起土体强度各向异性的重要原因,固结应力比越小,不排水强度各向异性越大。不排水加载过程中主应力轴的方向对土体不排水抗剪强度和变形有着重要影响。一般而言,当主应力轴方向从0°旋转到90°时,土体的不排水抗剪强度逐渐下降,峰值应变却逐渐增大。此外,非等向固结会导致土体主应力与主应变的非共轴性。利用TTM理论模型,对Kaolin Clay 和Boston Blue Clay的不同试验结果进行了模拟验证和预测。结果表明,TTM理论模型具有反映和预测应力引起的饱和黏土强度各向异性和应变软化等特性的能力,同时也具备精准描述主应力轴旋转等复杂路径下饱和黏土的强度和变形特征的能力。     

主应力方向和中主应力对重塑黄土变形及强度特性的影响

利用空心圆柱扭剪仪对重塑黄土试样开展一系列复杂应力条件下的试验,对重塑黄土的变形及强度特性进行研究,重点分析剪切过程中剪切方向、中主应力系数等参数的影响。试验结果表明:复杂应力条件下重塑黄土应力-应变曲线基本呈现出加工硬化特性,并可采用双曲线拟合。重塑黄土存在显著的强度各向异性,大主应力方向角为0°时的剪切强度最大,大主应力方向角为45°左右时剪切强度最低。剪切方向和中主应力系数b对重塑黄土强度均有显著的影响:在b=0.25时,试样接近平面应变状态,相应的强度也较高;在b0时,重塑黄土在π平面内的破坏强度要高于摩尔-库仑强度,与邢义川等提出的破坏条件吻合很好。     

土体平面应变条件下的主应力关系

平面应变条件下土体中主应力之间的关系，其实质是特定应变路径条件下土的应力-应变关系，为土的一个重要力学特性。在平面应变条件下将土体的变形和强度特性简化为二维问题处理时，其关键就在于如何简单、合理地确定平面应变方向上的主应力大小。基于弹塑性理论及土的试验规律，在平面应变的简单加载条件下，假定主应力之间的关系为双线性函数，并利用一维固结和破坏时的主应力状态，确定双线性函数的系数，得到平面应变方向上主应力计算公式的一个较合理形式，为应力状态和材料性质的函数。建议的主应力关系体现土体在平面应变条件下的变形机制，在b-R坐标内通过3个关键点：初始点（1，1）、一维固结应力状态点（bc，R）、破坏应力状态点（bps, Rps）。通过与试验数据的比较证明所提双线性主应力函数的合理性，它可合理地描述平面应变方向上主应力的变化趋势，并且形式简单，易于工程应用。     

不同中主应力条件下粗粒土应力变形特性试验研究

采用长江科学院大型真三轴仪,对粗粒土进行了一系列不同中主应力系数条件下的真三轴试验和平面应变试验,研究了中主应力对粗粒土的应力变形的影响规律。试验结果表明,中主应力比b一定时,应力–应变关系曲线的斜率和峰值强度随着固结压力的增大而增加,在低围压条件下,体变关系曲线在加载过程中表现为先剪缩后剪胀的特性,而在高围压下,整个加载过程中表现剪缩的特性;固结压力一定时,随着b值的增大,应力在峰值后的软化现象愈加明显,体变全过程曲线表现出剪胀特征对应的固结压力越来越低,小主应变–大主应变关系曲线的斜率绝对值增大。研究成果可为进一步研究粗粒土的本构模型奠定基础。     

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。     

中主应力系数和主应力方向对原状黏土各向异性的影响研究

针对当前土体各向异性影响因素的研究比较缺乏,且研究对象多为无黏性土的现状,采用空心圆柱扭剪仪对中主应力系数和主应力方向变化情况下的杭州典型原状黏土的各向异性进行研究.试验结果表明:剪切过程中,中主应力系数b的取值对原状黏土的各向异性有显著影响,而主应力作用方向对原状黏土的各向异性无明显影响.b = 0时,原状黏土沿沉积方向呈横观各向同性.b = 0.5时,无论主应力作用方向如何,原状黏土试样的各向异性在应变上表现为轴向应变与切向应变大小相等、方向相反,体积应变始终等于第二主应变;当主应力轴偏转角较小时,试样破坏时表现出明显的剪胀性和应变软化现象,随着主应力轴的偏转角增大,试样在破坏时开始表现出明显的剪缩性,应变软化现象也逐渐消失,而b=0时则没有这样的特点.另外试验结果还表明,原状黏土在沉积方向上的压缩性最低,而与沉积方向成50°方向的压缩性最高.     

土的应力方向依赖性(I):概念与现象

土的应力方向依赖性是指土的力学特性随应力方向改变而改变的性质,包含两层含义:一是材料的方向性,即土的各向异性,是应力方向依赖性产生的内在原因;二是应力的方向性,即通常所说的“应力主轴旋转效应”,是应力方向依赖性的外部客观条件。以材料各向异性主轴和应力主轴的位置关系分类,相关试验研究可划分成“应力不转、试样旋转”和“旋转应力、试样不转”两类。诸多证据表明,材料的方向性与应力的方向性之间存在某种密切的关联。随着各向异性主轴和应力主轴发生相对旋转,试样所表现出的力学性质存在显著的差异。旋转角度相同时的剪切试验研究表明(包括直剪试验、三轴试验、定轴剪切试验等),旋转角度、潜在滑移面位置和试样的强度与变形之间存在某种特定的关系。通过对比梳理两类试验的试验原理与重要结论,明晰了土应力方向依赖性的试验研究框架,为相关研究提供一些新的思路,以期抛砖引玉,引起广大岩土工作者对该问题的思考。     

Effect of principal stress direction during consolidation on the shear strength properties of natural granite residual soil

In numerous real-life civil engineering practices, including multi-stage embankment construction and foundation pit excavation, the direction of the major principal stress σ₁ becomes rotated. In these cases, the granite residual soil may be subjected to inclined consolidation (IC) with σ₁ being inclined, because of the relatively high permeability as a result of the fissures formed during weathering. While the effect of the σ₁ direction during the shear on the strength of granite residual soil (inherent strength anisotropy) has been primarily established, little is known about how the soil strength is affected by the direction of σ₁ during consolidation. This paper presents the effects of IC on the shear strength properties of natural granite residual soil through undrained hollow cylinder torsional shear tests. The effect of the soil structure is also considered by testing remolded soil specimens. The results reveal that while IC changes neither the shape of stress–strain curve nor the specimen features at failure, it leads to an increased ultimate shear strength in terms of both the undrained strength and stress ratio, with the remolded soil being more affected. The presented data provide new insights into the understanding of residual soil strength behaviors.     

考虑端部效应影响的非饱和压实土三轴试验研究

 在非饱和压实土控制吸力条件三轴试验中,应用数字图像测量技术,可研究非饱和压实土试样考虑端部效应影响下的强度与变形特性。通过比较非饱和压实土控制吸力条件三轴试验中试样整体与试样中部1/3区域的试验结果,证明试样中部1/3区域受端部效应的影响较小,其试验结果更能代表非饱和土的实际受力变形特性,可以为研究非饱和土的应力–应变关系提供更为准确的试验数据。应用双应力状态变量方法分析试样的抗剪强度,结果表明,端部效应对抗剪强度方程的参数取值有较大影响。应用非饱和土Alonso弹塑性模型进一步研究端部效应对非饱和土数值计算结果的影响。     

Experimental study on compaction-induced anisotropic mechanical property of rockfill material

The anisotropy of rockfill materials has a significant influence on the performance of engineering structures. However, relevant research data are very limited, because of the difficulty with preparing specimens with different inclination angles using traditional methods. Furthermore, the anisotropy test of rockfill materials is complex and complicated, especially for triaxial tests, in which the major principal stress plane intersects with the compaction plane at different angles. In this study, the geometric characteristics of a typical particle fraction consisting of a specific rockfill material were statistically investigated, and the distribution characteristics of particle orientation in specimens prepared via different compaction methods were examined. For high-density rockfill materials, a set of specimen preparation devices for inclined compaction planes was developed, and a series of conventional triaxial compression tests with different principal stress direction angles were conducted. The results reveal that the principal stress direction angle has a significant effect on the modulus, shear strength, and dilatancy of the compacted rockfill materials. Analysis of the relationship between the principal stress direction angles, change in the stress state, and change in the corresponding dominant shear plane shows that the angle between the compacted surface and dominant shear plane is closely related to interlocking resistance associated with the particle orientation. In addition, different principal stress direction angles can change the extent of the particle interlocking effect, causing the specimen to exhibit different degrees of anisotropy.     

压实黄土强度及渗透各向异性研究

为揭示各向异性对黄土强度和水分场的影响,通过抗剪强度试验和渗透试验对压实黄土强度和渗透各向异性进行研究。结果表明:压实黄土存在强度各向异性,其垂直方向强度参数大于水平方向;压实黄土粘聚力各向异性随含水率增大而减小,干密度对压实黄土粘聚力各向异性无显著影响;含水率和干密度对压实黄土内摩擦角各向异性均无显著影响;压实黄土存在渗透各向异性,水平方向渗透系数大于垂直方向;压实黄土渗透系数随着干密度、围压的增大而减小,且增大到一定程度后变化趋于平缓;干密度、围压对压实黄土渗透各向异性都有较大影响,随着干密度和围压的增大,压实黄土的渗透各向异性会逐渐削弱。     

Experimental study on sand anisotropy using hollow cylinder apparatus

This study investigated sand anisotropy experimentally using a hollow cylinder apparatus. The effect of the initial anisotropy on the shear behavior of sand was illustrated by conducting experiments on specimens with bedding planes and systematically varying the density, principal stress direction, and intermediate principal stress. The change in induced anisotropy during shearing was experimentally captured by re-shearing the specimens subjected to prior shear history. The experimental results revealed the following: (a) Anisotropy in sand, whether initial anisotropy developing during specimen preparation or induced anisotropy developing due to shear history, causes pseudo-density changes in the mechanical behavior, in which sand of the same density behaves as if it has a different density depending on the direction of shear. (b) The changes in induced anisotropy, due to shearing in the same direction as that of the prior shear, make the soil behave similarly to dense sand, whereas shearing in a direction perpendicular to the prior shear makes the soil behave similarly to loose sand. (c) The larger the prior shear, the more pronounced the pseudo-density changes that appear in the subsequent behavior. Moreover, the significance of induced anisotropy in liquefaction and compaction phenomena was experimentally demonstrated through single and double swing cyclic shear tests. The results obtained from the study will be useful for validating models that incorporate induced anisotropy.     

加筋红砂岩风化土强度和变形特性

红砂岩风化土是湖南公路路堤工程中应用较多的填筑材料,采用直剪试验研究了不同压实度的红砂岩风化土的强度和变形特性,以及加筋对其工程性质的影响。试验表明,随压实度增大,红砂岩风化土的峰值抗剪强度明显提高,但主要由粘聚力的增大引起,随剪切位移增大,粘聚力减小,抗剪强度大幅度降低,其应力–应变曲线呈现随应变软化型。加筋提高了红砂岩风化土的峰值抗剪强度和残余强度,更重要的是明显减小了峰值后强度的降低幅度,且达到峰值抗剪强度的剪切位移增大,峰值区域增宽,土体延性提高,改善了红砂岩风化土的强度和变形特性;对于不同的加筋层数和不同的筋材模量,以及在不同的压实度和试验竖向压力下,加筋对红砂岩风化土的强度和变形特性的改变不同;根据试验结果,还对红砂岩风化土的工程性质以及加筋的抗剪作用机理进行了初步探讨,阐述了加筋材料在土的应力–应变关系中的主要功能和作用。