土应力方向依赖性的数力机理与等效应力法研究

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,包含材料的方向性(即土的各向异性)和应力的方向性(即应力主轴偏转)两层含义。然而,目前对上述两方面及其协同作用的机制尚不明确,致使已有模型大都采用假设各向异性参数、修正已有模型、拟合确定参数的建模思路,所建模型形式复杂、理论不严谨且适用性较差。虽然采用变换应力建模已付诸实践,但对变换应力的刻画及组构的取值缺乏严格的理论基础,致使其数学拟合成分多于力学模型成分。本文在前人的研究成果的基础上,通过试验研究、机理分析、方法提出和实践验证4个方面,对岩土材料应力方向依赖性进行了较为深入而系统的研究,取得了以下主要研究成果:(1)完善了空心圆柱扭剪试验方法,开展了土的应力方向依赖性的宏观试验。应力不仅包含大小而且存在方向,推导了四种广义应力力系之间的两两映射关系,完善了空心圆柱扭剪仪外荷载控制方式。针对目前制备饱和重塑黏土空心圆柱试样比较困难的问题,研制了相应的压样装置和饱和装置。考虑压样过程中上覆土对下层土的二次压实作用,提出了质量控制的分层欠压法,提高了制样的均匀性和可重复性。最后,采用重塑砂土与重塑黏土开展了定轴剪切试验和纯主应力轴旋转试验,结果表明试样的强度、变形、应力路径(孔压)、破坏形态等宏观力学特性均具有显著的应力方向依赖性。在大主应力方向角为45°～75°时,试验所积累的孔压最大、峰值偏应力比最小、应变积累最快,试样所表现出的密实程度最低。试样的宏观力学特性由材料的各向异性与应力的加载方向共同决定。(2)深入探讨了应力方向依赖性的数力机理。(1)材料的方向性是土体应力方向依赖性的内在原因。应力的大小与方向决定了潜在滑动面的位置,激发了沿滑动面土的固有强度,不同位置土的固有强度可以通过组构–应力联合不变量进行刻画,进而建立了考虑应力方向依赖性的强度准则,较为精确地预测了强度的极小值点和滑动面位置随应力方向的变化规律。(2)应力的方向性是土应力方向依赖性的外在原因,切应力–正应力的比值和主应力方向角均可以刻画应力的方向性。根据切正应力比–切应变之间的双曲线关系,从增量的角度得到了一个非线性模型,较好地反映了复杂应力路径下黏土与砂土的剪切变形规律。(3)各向异性与压硬性均会改变柔度张量各分量的比例关系,进而改变了由主应力张量计算得到主应变增量张量的三次坐标变换关系,最终导致岩土材料具有非共轴现象。(3)建立了土体细观结构与宏观力学特性的定量关联,提出了等效应力张量。有效应力原理描述了饱和土总应力的分配法则。为了刻画细观结构差异所导致的不均匀内应力,在细观力学和连续介质力学框架内,分别推导了宏观应力同细观接触应力以及骨架应力之间的关系。以各组分有效承载面积为权重,完善了各向异性多相混合物的应力分配法则。在此基础上,以组构张量反映材料的方向性、以应力张量反映应力的方向性并特别考虑了组构–应力的方向关系,确立了等效应力张量的具体表达。(4)提出了"方向化"改造的一般性方法——等效应力法。有效应力原理表明土的变形与强度都只取决于有效应力的变化。以等效应力刻画骨架的真实应力,以现有本构模型刻画骨架的力学特性,提出了对现有土的各向同性破坏准则与本构模型进行"方向化"改造的一般性方法——等效应力法。采用等效应力法相继建立了等效非线性模型、等效Lade准则以及等效UH模型,同试验结果对比表明,采用等效应力法对已有各向同性本构模型进行"各向异性化"改造的方法可行、结果可靠,所建模型有较强的预测能力和适应能力。     

考虑岩土材料各向异性与应力方向性的等效非线性模型

为了刻画岩土材料的各向异性与应力方向性力学行为,从颗粒材料的内应力出发,定义一个新的应力张量——等效应力张量,使之可以综合描述应力的大小、组构的大小以及应力–组构的方向关系。以各向同性本构模型来刻画颗粒接触面的力学性质,以等效应力来描述颗粒间接触应力,提出已有各向同性本构模型进行"各向异性化"改造的"等效应力法",进而建立可以考虑岩土材料各向异性与应力方向性的等效非线性模型,模型仅包含3个参数,且均可以通过严格的理论计算和简单的室内试验加以确定。与砂土定向剪切试验对比表明,等效非线性模型很好地预测了试样的剪切变形与峰值强度的各向异性和应力方向性,为研究岩土材料各向异性和应力方向性提供了新的思路。     

应力主轴循环旋转对砂土变形特性的影响(英文)

采用香港科技大学的空心圆柱扭剪仪进行了应力主轴固定单调剪切和应力主轴循环旋转两种不同路径的排水试验。通过应力主轴固定单调剪切试验分析了所制作砂样的初始各向异性特性。在应力主轴循环旋转试验中,控制施加在试样上的3个有效主应力的大小不变,仅应力主轴在0°～180°循环旋转。着重分析了4个应变分量及体应变随应力主轴循环旋转周数的变化关系、剪应力剪应变关系以及所施加的剪应力水平和有效球应力在应力主轴循环旋转过程中对砂土变形特性的影响。     

考虑应力方向依赖性的砂土等效统一硬化模型研究EI北大核心CSCD

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,其内在原因是颗粒堆积形成的土体在微观尺度上具有各向异性。为了定量描述各向异性颗粒材料沿不同方向孔隙特征的差异,提出孔隙面积比的概念,即颗粒材料某一截面上孔隙面积与颗粒面积之比,并建立孔隙面积比与组构张量之间的定量关联。在此基础上,将各向异性状态参数定义为当前方向的孔隙面积比与孔隙面积比的平均值(或孔隙比)的差值,以定量描述材料不同方向的状态与平均状态之间的关系。进而采用等效应力法对砂土UH模型进行“改造”,建立砂土的EUH模型。EUH模型仅增加了2个试验参数,便可以很好地反映应力路径、孔压、应力-应变关系的应力方向依赖性,实现了对主空间和物理空间中各应变分量应力方向依赖性的精确预测,进一步验证了等效应力法的科学性,为等效应力法的工程应用奠定了坚实基础。     

基于直剪试验的试样尺寸效应研究

土体作为一种特殊的散体材料,其各向异性及不均匀性尤为明显,且直接剪切试验中剪切破坏面的特定性等因素都导致了其不同于其他材料的破坏规律。分别采用直径61.8 mm和150 mm两种尺寸试样,进行了四种不同种类土的直接剪切试验,分析了土试样抗剪强度尺寸效应特性,研究表明：试样尺寸的变化不影响试样的应力应变变形特性;但试样尺寸的增大,抗剪强度峰值出现的位置更晚,抵抗变形的能力加强;随着试样尺寸增加,有效剪切面积比例增大,导致理论抗剪强度增大;对于黏性土,主要表现为黏聚力的增大,内摩擦角变化不大,而对于砂类土,主要表现为内摩擦角的增大。     

基坑开挖过程中TJ-1模拟月壤变形特性的试验研究

采用空心圆柱扭剪仪对TJ-1模拟月壤试样进行基坑开挖应力路径的试验模拟,以研究地球重力场环境下TJ-1模拟月壤在地基开挖过程中的变形及非共轴特性。试验结果表明：应力路径对TJ-1模拟月壤的变形影响显著;开挖过程中坑底及连续墙外侧模拟月壤因变形过大而破坏,坑底位置土体受连续墙挤压的影响发生明显的剪缩现象;连续墙内外土体明显的非共轴现象是开挖所致偏应力、应力主轴转幅及旋转速率耦合作用的结果,且上述因素在不同位置影响程度也不相同,坑底位置以应力主轴的转幅及旋转速率的影响为主,基坑外侧则是偏应力比、转幅及旋转速率共同作用的结果。     

不同应力路径下砾石土力学特性的宏细观研究

 利用空心圆柱仪对砾石土进行三轴压缩、扭剪、三轴–扭剪联合3种单调加载路径试验以及应力主轴旋转路径试验。通过设计新型加载路径,实现应力主轴在不同应力水平下往复旋转,并在旋转时保持广义剪应力不变。试验结果表明,随着应力水平的增加,主轴旋转产生的广义剪应变呈现先增大、后减小、再增大的规律;主轴旋转会造成试样强度明显下降,内摩擦角显著减小,其破坏时刻的应力圆位于三轴–扭剪联合加载路径应力圆的内部。对三轴压缩和扭剪2种路径试验进行离散元细观分析,发现扭剪力作用下试样会形成水平滑动面。最后,对应力主轴旋转造成试样强度下降的原因进行分析和讨论。     

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。     

基于精细化数值模拟的EPS轻质土宏细观变形机理研究

EPS轻质土是双固相组分（水泥土与EPS颗粒）、具有特殊细观结构的混合土。当前对其宏观力学特性研究较多，而对细观力学响应规律研究甚少。为此，分别在Mohr-Coulomb模型和Drucker-Prager模型框架内，基于水泥土和EPS材料试验结果规律总结，发展了二者的简单实用本构模型；基于水泥土和EPS材料界面剪切试验，总结了界面剪切硬化/软化规律；对EPS轻质土三轴剪切试验进行精细化数值模拟，再现了EPS轻质土宏观应力-应变响应规律和试样变形模式。基于精细化模拟分析发现，EPS轻质土的整体剪切、局部鼓胀、整体均匀3种宏观变形模式是细观力学响应的结果，EPS颗粒与水泥土两种材料力学特性的差异引起试样内部应力、应变的非均匀分布，EPS颗粒的非均匀排列强化应力、应变非均匀分布程度，两种因素共同决定试样宏观变形的非均匀性。     

板岩渐进剪切破坏各向异性及其数值模型研究

层理面是导致岩石试样在变形和力学特性上表现出各向异性的根本原因。为研究层理弱面影响下板岩的渐进破坏模式,揭示其各向异性的力学机制,选取贵州东部的层状板岩开展不同加载空间位置关系下的直剪试验。结果显示:剪切强度各向异性是由其破坏机制控制的,层理面与剪切面平行时,属于沿层理面的剪切滑移破坏;层理面与剪切面垂直且其交线与剪应力方向也垂直时,属于剪切作用下层理面的张拉和基质体的剪切破坏;层理面与剪切面垂直而其交线与剪应力方向平行时,垂直于层理面方向试样在泊松效应作用下产生拉伸破坏,剪应力方向试样发生基质体的剪切破坏,此时强度最大。基于层理结构的本构关系,构建层理体系的材料模型,并采用数值模拟研究层理结构对板岩破坏模式的影响,模拟结果与试验结果吻合较好,进一步解释了层状板岩破坏模式各向异性的产生机制。     

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。     

主应力轴循环旋转下饱和软黏土的累积变形

交通荷载下地基中土单元的主应力大小和方向将同时发生变化,现有的计算交通荷载引起的路基长期沉降实用模型未能反映交通荷载引起的土体单元主应力轴循环旋转现象。在推导常广义剪应力主应力轴循环旋转方程及验证空心圆柱剪切仪动力加载能力基础上,对上海第④层饱和软黏土进行一系列常广义剪应力主应力轴循环旋转加载试验及非等向固结下循环扭剪试验,分析了主应力轴旋转角、围压及静偏应力对循环塑性累积广义剪应变的影响。 将常广义剪应力主应力轴循环旋转加载试验等效成不同不排水静偏应力和动应力循环旋转加载试验,从而进一步 验证了文献 [12] 所提出的显式模型在模拟主应力循环旋转效应方面的可靠性。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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.     

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。