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。     

饱和土体固结压缩和蠕变的热力学本构理论及模型分析

岩土热力学模型（thermodynamic soil model,TSM）是基于颗粒固体的非平衡态热力学理论,建立的一种崭新的描述岩土力学问题的统一理论模型。该模型引入“颗粒熵运动”和“弹性弛豫”,对土体颗粒层次的耗散机制进行了合理地考虑,这些使得模型能够更深入描述土体的变形和能量耗散机理,从而能够在统一理论框架中描述岩土体复杂多变的物理力学行为。基于该理论模型,研究了饱和土体的固结压缩和蠕变问题,分析了加载速率、应力/应变路径和非单调荷载等因素的影响规律。模拟结果表明：模型具有描述复杂条件下的饱和土体的固结压缩和蠕变特性的能力,具有较高的理论和工程应用价值。     

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。     

主应力轴往复循环旋转下砂土的变形特性研究

针对波浪、交通等动荷载下土体所受应力状态往往具有主应力轴循环旋转这一特性,本文对粉细砂进行了一系列主应力轴往复循环旋转应力路径下的空心圆柱扭剪试验,分析了粉细砂在主应力轴往复循环旋转条件下的基本变形规律,并重点研究了粉细砂的非共轴变形特性。通过试验发现,在主应力轴往复循环旋转的应力路径下,粉细砂会产生明显且随旋转次数增加逐渐累积的塑性变形;中主应力系数和循环起始角度对粉细砂轴向应变、剪切应变及体应变等的变化有着明显影响;主应力轴往复循环旋转过程中砂土的非共轴角不可忽略,其变化规律受循环起始角度的影响;主应力轴旋转方向相反时,对应于同一主应力方向角非共轴角会相差90°左右。     

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。     

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。     

砂土直剪力学性状的非圆颗粒模拟与宏细观机理研究

基于PFC2D非圆颗粒单元的二次开发,对砂土直剪力学过程进行了非圆颗粒仿真模拟,分析了数值试样的应力–剪胀关系并与实际砂土进行对比,探讨了颗粒位移与颗粒旋转特征及其与剪切带演化的内在关联,研究了主应力与主应变增量的非共轴效应,揭示了细观组构各向异性的演化规律及其与宏观剪切强度之间的宏细观关联。研究结果表明,数值试验能够较好的模拟实际砂土的应力–剪胀关系和剪切过程主应力与主应变增量的非共轴效应;剪切带的演化与颗粒位移和颗粒旋转密切相关,颗粒形状影响剪切带的厚度;试样宏观的剪切强度主要受控于粒间法向接触力的分布及其各向异性演化;整个加荷过程中,剪切带内大主应力的偏转方向与法向接触力各向异性的主方向保持了良好的一致性。     

主应力轴旋转分析及WB模型的应用

岩土材料在主应力轴旋转作用下会产生无法忽视的塑性体变以及不可逆剪应变,为探讨主应力轴旋转作用产生变形的根源,对主应力轴旋转过程进行分解,主应力轴在物理空间中转动步骤可分解为绕任意三个XYZ轴的自旋转相叠加的过程,分析单元体在物理空间中围绕单轴旋转过程,建立物理空间中主应力轴旋转角与莫尔圆中剪正应力比反正切值的关系。利用所提的考虑主应力轴旋转的增量模型,对于纯主应力轴旋转在循环加载以及正反旋转加载作用下的变形以及三轴压缩进行模拟,模拟结果表明,所提模型可有效的用于模拟主应力轴旋转作用下岩土材料的变形预测。     

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。     

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。     

双剪类流动模型的非圆形颗粒离散元数值验证

双滑移自由转动模型、双剪模型和双滑移转动率（DSR²）模型这3种双剪类模型均是基于运动理论的塑性模型,其关键区别在于转动率参量的选取。采用改进后的NS2D离散元程序,对长短轴比例分别为1.4和1.7的椭圆颗粒试样进行不排水单剪试验以验证上述双剪类模型中转动率参量选取的合理性。数值试验结果表明：①双滑移自由转动模型中的限定条件因未考虑能量消散过程中颗粒转动的影响而过于严格;②双剪模型中转动率参量为主应力方向变化率的假定与数值试验结果差距显著;③DSR²模型中采用平均纯转动率（APR）可很好地预测转动率参量的变化,且该模型可用于砂土非共轴微观机制的研究;④参量APR能考虑剪切过程中颗粒转动对能量耗散的影响,可将离散介质力学和连续介质力学有机结合起来,是运动模型中合理且重要的参量。     

基于颗粒物质热动力学理论的非饱和土热水力耦合模型研究

基于颗粒物质热动力学理论和混合物理论,结合改进的土水特征曲线(SWCC)模型,考虑温度和饱和度变化引发的颗粒层次能量耗散,提出了一个非饱和土的热水力耦合模型。该模型引入颗粒熵和颗粒温度的概念,通过构建热力学恒等式得出非饱和土非弹性变形的本构关系,并通过迁移系数和能量函数模型将非饱和土体的耗散机制与宏观的物理力学行为建立联系。基于该理论模型,研究了非饱和土的热水力耦合问题,通过模拟结果与试验数据的对比,证实了模型的有效性。模拟结果表明,模型具有描述非饱和土在不同温度和吸力下的固结和剪切特性以及非等温条件下的热体应变特性的能力。     

考虑主应力轴旋转对土体应力应变关系影响的一种新方法

一般土体弹塑性模型都是借助于普通三轴试验确定试验参数的。本文分析了其中的缺陷，提出了更一般的土体增量弹塑性应力应变关系模式。在应力增量分解的基础上，推导了计算主应力轴旋转引起弹塑性变形的具体计算式，具体算例的计算结果与相应实验定性相符。     

Effect of principal stress axis rotation on cyclic plastic deformation characteristics of unsaturated base course material

It is generally observed that the stress state induced through traffic loads inside the substructure of pavements cannot be exactly reproduced in laboratory element tests. Moreover, there are not sufficient studies that examine the behavior of granular material under unsaturated conditions, although such conditions are very prevalent in pavement structures. In this research, an attempt is made to determine the cyclic plastic deformation characteristics of unsaturated granular base course material, and to examine the effect of the rotation of the principal stress axis (experienced by pavement elements under traffic loads) on the mechanical behavior of unsaturated granular base course material by applying various loading methods. A series of laboratory element tests using a multi-ring shear apparatus, which can take into account the rotation of the principal stress axis, were carried out on granular base course material under different moisture contents. The experimental results show that the moisture content has an obvious effect on both the shear behavior and the cyclic plastic deformation of granular base course material. However, the moisture content for the maximum deformation of granular base course material varies according to the loading method. It is also explained that cyclic plastic deformation considerably increases due to the rotation of the principal stress axis under repeated axial and shear loading tests. Therefore, the principal stress axis rotation has a significant influence on the cyclic plastic deformation of unsaturated granular base course material.     

考虑主应力轴旋转的砂土变形特性试验研究

采用空心圆柱扭剪仪(HCA)进行一系列排水试验,研究主应力轴旋转条件下砂土的变形特性。试验采用2种类型的加载路径,第一种保持偏应力不变旋转主应力轴,第二种在增加偏应力的同时旋转主应力轴。通过改变偏应力的应力水平,研究砂土的变形以及非共轴度的变化规律。同时,对同等试验条件、材料和加载路径下不同密实度试样的试验结果分析,研究密实度对于非共轴度的影响。另外,采用2种材料进行对比试验(Portaway砂与LB砂),研究砂土初始各向异性与非共轴性之间的关系。试验研究结果表明：砂土的变形随着主应力轴的旋转而累加,并体现出显著的非共轴特性。砂土的非共轴度与材料所处的应力水平、密实度及初始各向异性均存在一定相关性。     

单锚板桩结构的工作机理研究

板桩结构作为支挡建筑物广泛应用于基坑、码头等工程中,其涉及的主要问题是土压力作用下板桩的受力和变形,而土压力与变形又是相互关联的,属于典型的土与结构相互作用问题。以单锚板桩码头结构为例,基于有限元数值模拟,探讨了板桩结构的工作机理,研究了码头港池开挖过程中前墙两侧的土压力分布、结构的内力与变形、地基土的应力应变关系,以及地基不同位置处土单元的主应力旋转等问题。研究表明:正确地模拟土体的应力应变关系是分析此类问题的关键;港池开挖过程中,前墙陆侧土压力向主动方向发展,而海侧土压力则向被动方向发展;港池开挖造成了土体单元的主应力方向旋转,特别是港池海侧下方的土体主应力方向旋转剧烈。     

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。