浅析真三轴试验研究现状与进展

真三轴试验是研究岩土在三维应力空间中土体变形特性的一重要试验方法,真三轴仪可以施加三个不同方向主应力,其试验结果可以分析在三个不同主应力作用下岩土体的变形和强度特性,能更为准确地模拟岩土体实际受力状态。     

天然软黏土屈服特性及主应力轴旋转效应的本构模拟

为合理模拟主应力轴旋转等复杂加载应力状态,对已有的结构性黏土的各向异性边界面模型中屈服面在π平面上的形状函数M(θ)进行修正,使其适用范围更加广泛,并将模型由三轴应力空间拓展到一般的三维应力空间。通过对天然沉积上海软黏土的一维压缩试验、等压及偏压固结三轴不排水剪切试验 、 一系列 K ₀ 固结三轴排水应力路径试验以及不同中主应力系数和主应力轴旋转角度下的空心圆柱不排水剪切试验,对上海软黏土的屈服特性和主应力轴旋转效应进行了系统的研究。试验研究表明天然沉积的上海软黏土具有明显的结构屈服特性和塑性各向异性,初始状态边界面在 p′-q平面上呈并非以 K ₀ 线为对称轴的 倾斜椭圆形状,临界应力比随中主应力系数的增大而减小,验证了模型中所用的三维边界面方程的合理性;主应力轴旋转对天然沉积软黏土的应力应变关系及强度均有着重要的影响。通过天然沉积上海软黏土等压及偏压固结不排水三轴试验结果对模型参数进行标定,并对应力路径三轴排水试验以及主应力方向旋转的空心圆柱剪切试验结果进行计算,初步验证了拓展后模型在模拟复杂加载路径及主应力轴旋转效应的合理性和有效性。     

循环交通荷载作用下饱和重塑黄土变形特性研究

为研究主应力轴旋转作用下饱和重塑黄土的变形规律,借助空心圆柱扭剪仪开展了排水状态下饱和重塑黄土的循环三轴试验和循环交通荷载试验,主要研究了主应力轴旋转对饱和重塑黄土的竖向塑性累积应变、径向塑性累积应变以及八面体塑性累积剪应变的影响。试验结果表明：(1)主应力轴旋转会使土体产生塑性累积变形;土样的竖向塑性累积变形和八面体塑性累积剪应变随循环次数增加呈对数型增长趋势,且循环竖向应力比和循环扭剪应力比与其呈正相关;径向塑性累积应变初期主要表现为拉应变形式,随荷载作用次数的增加,其值逐渐减小并向相反方向累积。(2)主应力轴旋转会加速相应的竖向塑性累积应变,在其他条件一定时,循环交通荷载作用下试样的变形量是循环三轴试验的数倍。(3)重塑黄土在交通荷载作用下竖向变形远远小于原状软黏土,作为路基填筑材料具有一定的优越性。(4)对现有的竖向塑性累积应变计算模型进行了修正,得到了饱和重塑黄土沉降变形的显式预测模型,并对该模型的有效性进行了分析验证。     

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。     

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。     

砂土的非共轴临界状态本构模型与数值模拟

传统的砂土本构理论不适用于密度和围压变化较大的情况,并且由于隐含了应力和塑性应变率的共轴条件,无法客观描述主应力轴旋转试验中的非共轴现象。本文基于材料状态相关砂土临界状态概念,将Pietruszczak和Stolle(1987)所提出的砂土本构模型进行了改进,并在模型中引入非共轴塑性流动理论来研究砂土的非共轴变性特性。通过对常规三轴试验和空心圆柱试验的数值模拟,表明模型不但能够合理反映初始密实度及有效围压对材料变形特征的影响,还能有效预测主应力轴旋转过程中主应力和主应变率的方向变化规律。     

基于新型茂木式试验机的真三轴试验及加载边界效应研究

介绍新研制的茂木式岩石真三轴试验机,并利用互扣式端部垫块对大理岩进行真三轴试验。利用试验和模拟相结合方法对真三轴试验机的加载边界效应进行研究。研究表明:随中间主应力的增大,岩石峰值强度增大,达到一定值后随着中间主应力的增大而减小;同时,岩样脆性随中间主应力的增大而增强,扩容现象延后。传统式垫块加载真三轴试验过程中,由于空白角的存在,产生应力集中,对岩样应力、应变分布造成明显影响,岩样将在空白角处产生不均匀变形。岩样在互扣式垫块加载方式下的强度略大于在传统式垫块加载方式下的强度。     

考虑主应力轴偏转角影响的饱和软黏土不排水循环累积变形

 建立在常规循环三轴试验基础上的循环累积变形显式模型不能反映土体单元在自重应力下的初始主应力轴偏转现象,而动态空心圆柱剪切试验可为建立能反映主应力轴偏转角影响的模型提供必需试验资料。针对上海第④层饱和软黏土的物理力学特性,研制原状软黏土空心圆柱试样制样设备,同时推导恒定主应力轴偏转角时循环加载波形方程与总应力控制空心圆柱静力剪切试验加载方程。对上海地区第④层饱和软黏土进行一系列恒定主应力轴偏转角动态空心圆柱循环加载及静力剪切试验,探讨恒定主应力轴偏转角条件下饱和软黏土循环累积变形规律,在考虑主应力轴偏转角对不排水抗剪强度影响的前提下验证显式模型的合理性。考虑主应力轴偏转角循环加载的饱和软黏土显式模型可更为有效地预测路基长期沉降。     

纯主应力旋转条件下饱和黏土累积变形的热力学模型分析

不同于岩土弹塑性模型和经验回归模型,提供了一个基于颗粒固体流体动力学的热力学本构模型。该模型通过对岩土颗粒固体的弹性弛豫和颗粒熵运动等耗散机制的定量描述,可以模拟土体的非线性硬化、软化等宏观力学行为,尤其适用于主应力旋转土体累积塑性应变的模拟。纯主应力旋转条件下杭州黏土的模拟结果表明:即使不改变土体的主应力大小,纯主应力方向的旋转依然会引起土体的非弹性变形的积累。在主应力旋转过程中,土体的应变方向与应力方向并不一致,存在明显的非共轴现象。并且应变峰值的出现明显落后于应力峰值,应力–应变关系曲线存在较大的滞回圈,表明纯主应力旋转过程中也存在能量耗散,并非完全弹性过程。模型分析结果符合现有的试验结论。     

天然软黏土主应力轴循环旋转塑性效应的本构模拟

在考虑各向异性边界面模型的基础上，建立了可反映天然软黏土主应力轴循环旋转塑性效应的本构模型。对于主应力轴循环旋转卸载条件，通过引入可移动映射法则，处理这种卸载情况下的塑性变形。通过考虑固有各向异性弹性，描述主应力轴循环旋转下循环波动的塑性累积行为。同时，通过考虑应力比影响并将非共轴流动和共轴流动耦合起来，模拟循环过程中非共轴性变化。对温州天然软黏土在纯主应力轴循环旋转下的不排水行为进行了模拟，结果表明，所建立的边界面模型可有效模拟天然软黏土主应力轴循环旋转下塑性效应。     

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。     

单点动载下路基动应力状态及有效作用半径分析

 基于传统的Boussinesq课题解答,利用集中荷载作用下半无限空间弹性路基中不同空间位置,且满足一定限制条件的点的应力应变状态的集合来表征单次行车荷载下路基岩土体内某一点加载、卸载全过程的应力、应变等力学响应,将动力学问题转化为准静力学问题,建立着眼于简单与实用的路基动力学行为分析模型。借助建立的模型探讨路基一个加载、卸载全过程的应力状态及其有效作用半径。研究表明,(1) 路基单元体动正应力差( )和( )曲线表现为脉冲状,而( )曲线为双峰状;(2) 最大主应力 绕z轴可能突发大角度旋转,但与z轴交角则连续旋转180°,最小主应力 整体旋转特征不甚明显,中间主应力 方向变化规律性较差;(3) 单次交通荷载对路基路面系统的有效作用半径确定为10 m,影响范围确定为以荷载作用点为圆心,以10 m为半径的空间半球体。最后,利用原位监测数据对确定单次交通荷载的有效作用半径为10 m的合理性进行验证。     

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。     

纯主应力轴旋转条件下粉细砂的变形特性研究

采用空心圆柱扭剪仪对汶河粉细砂进行了一系列不同中主应力系数和初始剪应力的纯主应力轴旋转试验,研究了主应力轴沿同一方向纯旋转条件下粉细砂的变形特性。研究表明,主应力轴的旋转会使粉细砂产生一定的塑性变形,且变形的发展受中主应力系数和初始剪应力的影响;纯主应力轴旋转条件下砂土的非共轴变形特性较为明显,且非共轴角的峰值点出现在大主应力方向角为0°和90°的两个位置处;同时,中主应力系数对非共轴角的变化有着较为明显的影响,非共轴角会随中主应力系数的增大而减小。     

交通动载下饱和软黏土累计变形的不排水循环扭剪试验

饱和软土地基上长期往复交通动载将诱发显著的路基运营沉降。交通移动荷载下场地应力路径下呈现心形旋转路径,然而现有路基长期运营沉降分析是建立在循环三轴试验基础上,忽略交通移动荷载下地基土单元主应力轴的旋转效应。利用动态空心圆柱扭剪仪模拟心形循环加载路径,并在动态空心圆柱仪上模拟了传统的循环三轴加载路径。对饱和软黏土开展试验研究,对比观察一系列心形循环加载和三轴循环的不排水累计变形行为。试验研究发现,心形循环加载将诱发更大的累计轴向应变和累计孔压,伴随着初始动应力比的增加,二者差异性更为明显。循环加载过程有效动应力比随着循环次数而增大,循环增量破坏时对应的有效动应力比近似为常数。大数目循环加载下,传统塑性安定行为可渐变为循环塑性蠕变状态。     

软岩三维弹黏塑性本构模型

为了有效地描述软岩的软化特征,首先推导了以压为正统一强度理论表达式,该理论可以考虑材料拉压强度不等及中间主应力效应,适合岩土工程界以压为正的使用习惯以及岩土材料拉压强度不等的特性;其次推导了以压为正统一强度理论π平面的极限线;第三,基于推导的π平面的极限线,结合Yin-Graham模型,推导了软岩的三维统一弹黏塑性本构模型表达式。根据针对取自日本石川县能登半岛端部的硅藻质泥岩所进行的不同围压、不同加载速率条件下的应变控制式和应力控制式固结不排水三轴试验资料确定了模型参数,进行了弹黏塑性数值模拟分析。并与三轴试验结果进行了对比分析,结果表明:本文建立的软岩三维统一弹黏塑性软化本构模型的数值模拟结果与试验结果非常接近,可以很好地模拟软岩的应变软化特征。     

考虑主应力轴旋转作用的一个增量模型

 为了探究主应力轴旋转作用下土体的变形规律,采用如下思路构建模型：(1) 分析二维铝棒的单剪试验结果可知,剪应力与正应力之比(剪应力比)与剪应变的类似双曲线关系,采用威布尔函数作为描述上述二者的关系表达式,不仅可反映双曲线型关系,还能充分考虑到应力比的应变软化现象。(2) 利用应力莫尔圆上的应力比表达式,与威布尔函数联立得到了剪应变的隐函数。该隐函数认为有3个影响剪应变的因素：反映等向压缩或偏压作用下产生剪应变的球应力p,对于一般剪切作用下产生相应剪应变的滑动摩擦角 ,在莫尔圆上剪应力与大主应力之间的夹角半角 。(3) 通过对上述隐函数求导可得到剪应变与剪应力比之间的增量表达式,联立Rowe剪胀方程,建立二维条件下的考虑主应力轴旋转的增量本构模型,上述二维方程可通过SMP准则拓展为三维增量本构模型。所提WB模型不仅能反映土体的压硬性、剪切体缩、体胀、应变硬化、软化,还能充分反映主应力轴旋转作用下的土体一般应力–应变关系。通过莫尔圆圆周应力路径以及单剪试验和等向压缩试验的结果与预测结果对比,验证了所提模型的适用性及合理性。     

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。     

交通荷载应力路径下K_0固结软黏土变形特性试验研究

交通荷载作用下,软黏土路基土单元体上所受主应力的大小和方向是同时变化的,即在剪应力幅值改变的同时主应力轴连续旋转。针对该问题,利用GDS空心圆柱系统对K_0固结天然温州软黏土进行不排水大数目(10000次)循环扭剪试验,分析了K_0固结软黏土在考虑主应力轴旋转时不同动应力水平下的应变特性。试验结果表明:主应力轴旋转的存在将使土体内产生更高的孔压,并在轴向上产生额外变形,且随着扭剪应力的等幅增加,竖向应变和孔压的增加量将越来越大。考虑主应力轴旋转时不同动应力水平下K_0固结软黏土的变形发展模式有所不同,可由安定理论进行解释。确定了考虑主应力轴旋转下K_0固结温州软黏土的临界动应力水平——即门槛循环应力比、容许循环应力比和临界循环应力比的范围。提出可将容许循环应力比作为道路工程沉降控制的准则。与三轴试验结果相比,考虑主应力轴旋转时,道路设计中对动应力的控制应更为严格。