杭州原状软黏土非共轴特性与其影响因素试验研究

很多情况下圣维南假设（主应变增量方向和主应力方向相同）对土体材料并不成立,即土体材料的主应变增量方向和当前主应力方向存在非共轴特性,土体这一特性已经被很多试验所证实。利用浙江大学5 Hz空心圆柱扭剪仪对杭州原状软黏土进行了主应力轴连续旋转、往复循环旋转以及主应力方向角和剪应力同时增大等3种应力路径下的试验,对原状软黏土的非共轴性及其影响因素进行研究。不同主应力轴旋转条件下原状黏土的主应变增量方向和主应力方向之间都存在明显的非共轴现象,与砂土类似但表现形式并不完全相同。初始剪应力较大或主应力轴旋转的同时增加剪应力非共轴性都会减弱;主应力轴往复旋转时,中主应力系数b≠0会使非共轴性更为复杂;经历主应力轴逆向旋转之后非共轴角会增大。此外,试验结果还表明随着扭剪应变的显著增大,非共轴角会减小,甚至出现负值。     

纯主应力轴旋转下饱和软黏土的循环弱化及非共轴性

采用空心圆柱扭剪仪对原状饱和软黏土进行了纯主应力轴旋转应力路径的循环不排水试验,加载过程中维持平均应力、广义剪应力和中主应力系数不变。观测了孔隙水压和各应变分量在循环加载过程中的变化特性,着重探讨了中主应力系数及广义剪应力对变形刚度以及非共轴特性的影响规律。主应力偏转的循环剪切路径下,存在扭转剪切和轴向剪切两种不同的循环应力应变响应。试验结果表明:循环加载路径下饱和软黏土的孔压及应变产生累积效应,应力应变刚度呈现各向异性弱(强)化效应,而应变增量呈现显著的非共轴性;中主应力系数b影响特性表现为,b值越大则刚度弱化越显著。试验观察还发现,剪应力水平较低时循环变形刚度表现为强化,非共轴角趋于增大;反之,剪应力水平较高时,伴随着循环弱化,非共轴角趋于减小。     

主应力轴旋转条件下软黏土的非共轴研究

 采用空心圆柱扭剪仪对杭州软黏土进行了一系列不排水试验,首先求得软黏土的弹性参数,在此基础上研究了主应力轴旋转条件下土体的非共轴特性,并探讨了中主应力系数、弹性应变、偏应力水平和次生各向异性对非共轴特性的影响。试验结果表明软黏土的非共轴特性虽与砂土存在相似之处却又不尽相同。主应力轴旋转条件下,无论原状黏土还是重塑黏土,其非共轴角均随主应力方向角增加而循环波动变化,且周期约为90°;非共轴角基本随中主应力系数的增加而减小;弹性应变对加载起始时刻的非共轴角影响较大,如果忽略弹性应变的影响,将高估土体的非共轴特性;偏应力水平对非共轴角的大小和发展趋势均存在一定的影响,且偏应力水平越大,非共轴角越小。对于重塑土的试验表明软黏土的非共轴特性并不完全由土体的初始各向异性所决定,次生各向异性的影响也很大。     

考虑主应力轴旋转效应的交通荷载下饱和软黏土变形特性试验研究

 采用空心圆柱扭剪仪对原状饱和软黏土开展交通荷载诱发主应力幅值与主应力轴旋转耦合加载路径下的不排水试验研究。通过与循环三轴压缩试验对比,探讨主应力轴旋转对孔压、变形和应力–应变的影响。分析广义剪应力对循环刚度和非共轴性的影响。试验结果表明,相比较循环三轴试验,交通荷载应力路径下所诱发的主应力轴旋转使孔压和应变显著变大,应力–应变滞回圈刚度显著弱化。循环耦合加载路径下,存在剪切应力–应变和正偏应力–应变2种响应,应力–应变刚度呈现各向异性弱(强)化,应变增量矢量有显著的非共轴性,非共轴性有显著分段特征。较低剪应力水平下,应变路径轨迹趋于稳定,循环刚度表现为强化,非共轴性趋于增大;而较高剪应力水平下,应变路径轨迹趋于破坏,随循环弱化,非共轴性减小。     

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。     

考虑主应力方向变化的原状黏土强度及超静孔压特性研究

针对许多实际岩土工程问题中,土体所受应力路径主应力方向会旋转变化的特点,采用空心圆柱仪(HCA)对主应力轴方向突变和连续旋转条件下杭州典型原状黏土的强度和孔压特征进行研究。试验表明:土体强度主要受原生各向异性影响,试样在破坏时的主应力作用方向以及中主应力参数是影响土体强度的主要因素,而主应力轴旋转对于强度则无显著影响;试样无论是否经历主应力轴旋转,在破坏时都会有显著的剪切带产生,同时剪切带平面与大主应力作用方向的夹角基本保持一个常数;主应力轴旋转会引起土中孔压积累,积累程度受主应力轴转幅及旋转时剪应力幅值、剪应力水平支配。这部分孔压增量较之主应力方向固定不变剪切产生的极限孔压而言不能忽略。     

主应力轴旋转下(b=0.5)原状软黏土孔压特性

采用浙江大学空心圆柱扭剪仪(ZJU-HCA),对杭州原状软黏土进行固结不排水主应力轴旋转试验,探讨剪应力变化、初始剪应力水平高低及主应力轴正向和逆向旋转对黏土孔隙水压力(简称孔压)发展的影响。试验中保持平均主应力不变,中主应力系数b=0.5。试验结果表明:定向剪切产生的孔压主要受剪应力控制;用双重屈服面理论得到孔压系数,结合孔压线性拟合结果发现,若初始剪应力低于峰值剪应力,体积屈服面函数不受主应力轴旋转影响;若初始剪应力接近峰值剪应力,主应力轴开始旋转时的孔压上升速率相对较高,但后期孔压反而会下降;纯主应力轴旋转过程中的孔压上升速率主要受初始剪应力大小控制。主应力轴正向旋转较逆向旋转产生的孔压小;主应力轴逆向旋转相对正向旋转对整个剪切过程的孔压发展有较大影响。     

主应力轴循环旋转对超固结黏土性状影响试验研究

对不同超固结比以及超固结形成条件下原状软黏土在主应力轴循环旋转条件下的孔压、应力应变关系等性状进行试验研究。研究结果表明,随着超固结比的提高,试样在主应力轴循环旋转过程中的动强度及等效瞬时刚度均有显著提高,而其孔压开展特征则受前期超固结形成过程中反压控制条件影响:若超固结卸载时不提供反压恒定控制条件,试样在后续主应力轴循环旋转过程中的孔压迅速呈现负压的变化趋势,负孔压的持续开展程度随超固结比的增大而提高;而当超固结卸载时恒定控制反压,土体在后续的主应力轴旋转过程中,仅在强超固结比条件下孔压才会产生负向开展特征。但不同的反压控制条件未对土体在主应力轴循环旋转中的振次–应变关系以及动强度等特性产生显著影响。     

主应力轴循环旋转条件下重塑黏土变形特性试验研究

通过一组重塑黏土的循环扭剪试验对主应力轴单纯循环旋转条件下重塑黏土的不排水变形特性进行研究,试验中考虑中主应力系数、剪应力水平以及固结方式等的影响。试验结果表明即使在剪应力水平很低(q/p=0.033)的条件下,主应力轴单纯旋转也会引起重塑黏土显著的孔压累积。随着循环次数的增加不排水条件下重塑黏土会因为变形的迅速发展而破坏。中主应力系数对变形发展规律有较大影响,对孔压累积的影响相对不显著,相同剪应力水平下b=1时重塑黏土破坏时所需的循环次数最少,但孔压累计最慢。通过试验结果的分析认为旋转剪应力会对土体微观结构产生扰动而使土体颗粒重新排列,主应力轴旋转引起的变形特性主要还是归因于土体的塑性各向异性特性。     

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。     

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。     

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。     

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。     

含应力旋转路径对软黏土小应变刚度影响试验研究

利用配备高精度局部位移传感器的空心圆柱扭剪仪对杭州软黏土开展了系列应力旋转路径条件下的试验研究,包括:大主应力沿不同角度的定向剪切,不同剪应力水平下大主应力单纯连续旋转后定向剪切以及大主应力往复循环旋转后定向剪切3类典型应力路径,并考虑了中主应力系数及剪应力水平的影响。重点分析应力旋转路径对软黏土小应变刚度特性的影响。主要结论有:在不同的复杂应力条件下软黏土的刚度均受应变大小的影响,应变小于0.01%时软黏土的刚度很大,在0.01%~0.1%范围内刚度迅速衰减;在定向剪切条件下剪切方向对软黏土小应变剪切刚度的影响并不明显,而中主应力系数的影响比较显著;在主应力单纯旋转阶段软黏土会因不同的剪应力幅值产生不同程度的应变累积,继而对土体的小应变刚度的影响程度也不同;主应力往复循环旋转虽然也会产生前期累积应变,但土体在后期定向剪切阶段的初始刚度并未显著衰减,说明应力旋转模式对小应变刚度也有很大影响。     

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。