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。     

主应力轴循环旋转下饱和黏土累积孔压显式模型

交通荷载下饱和黏土累积孔压消散是导致交通荷载下路基沉降的重要因素。在详细介绍黏土空心圆柱试样制作过程的基础上,在各向等压条件下,分别对黏土试件在100,150,200 kPa压力下固结,而后进行主应力轴旋转角连续变化范围分别为[-15°,15°]、[-30°,30°]、[-45°,45°]和[-60°,60°]的不排水循环加载试验,循环次数为10 000次。得到了循环累积孔压的变化受静偏应力、初始固结压力及空心圆柱试样主应力轴连续旋转角影响的规律。运用修正动偏应力水平来考虑初始静偏应力和动偏应力对不排水累积孔压的影响,建立了常剪应力循环主应力轴偏转角循环加载下累积孔压模型。通过非各向等压固结循环扭剪试验累积孔压值对所建立的累积孔压模型的正确性进行验证。     

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。     

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。     

循环荷载下饱和软黏土的累积变形显式模型

显式模型是计算交通等长期动荷载引起地基沉降的实用方法。在考虑影响饱和软黏土循环荷载下轴向循环塑性累积应变的应力历史、动偏应力水平及第一次轴向循环塑性累积应变与围压归一化基础上提出了计算饱和软黏土轴向循环塑性累积应变显式模型。模型同时反映了等向、偏压固结不排水循环加载轴向循环塑性累积应变发展规律,并很好地反映了围压的影响,其主要参数有明确的物理意义且易于确定。通过上海地区第④层饱和软黏土一系列静力三轴、循环加载试验验证了模型的合理性,得到了模型相关参数。     

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。     

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。     

主应力轴连续旋转下软黏土软化特性试验研究

利用GDS空心圆柱扭剪系统对原状软黏土进行大周次循环扭剪试验,分析了在主应力轴旋转条件下不同有效围压和不同循环应力比下软黏土的软化特性.结果表明:不同循环次数下土体的剪切应力-应变滞回曲线有明显的差异,随着循环次数的增加,土体的剪切模量减小;在相同有效围压条件下,随着循环应力比的增大,土体轴向模量和剪切模量的软化指数降低;在相同循环应力比下,随着有效围压的增大,土体受到的侧向约束增大,轴向模量和剪切模量的软化指数减小.     

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。     

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。     

循环偏应力和循环围压耦合应力路径下饱和软黏土动模量衰减规律研究

动模量一直是土动力学研究中最为重要的参数之一,土动力学中使用最为广泛的等效线性本构模型即对动模量随动应变衰减规律的定量描述。在之前关于饱和软黏土动模量的研究中,已经考虑到诸如固结比、塑性指数、土体组构、饱和度、先期应力历史、动荷载频率、时间效应等因素的影响。但是由于各种各样的原因,鲜有文献涉及应力路径尤其是循环偏应力和循环围压耦合应力路径对饱和软黏土动模量衰减规律的影响。考虑到循环围压在土体动应力场中存在的普遍性,通过一系列循环偏应力和循环围压耦合应力路径下的逐级加载试验,研究了循环围压对饱和软黏土动模量衰减规律的影响。试验结果表明：循环围压不但会改变了某一应变值下饱和软黏土动模量的大小,而且其改变趋势及大小与相位差有关;通过拟合分析证实Hardin-Drnevich模型并不适合循环偏应力和循环围压耦合应力路径下饱和软黏土动模量衰减规律的定量描述,而基于Stokoe公式却得到了较为理想的拟合结果。     

饱和软粘土的不排水循环累积变形特性

在上海地区典型饱和软粘土不排水循环三轴试验的基础上,分析了影响软粘土塑性累积变形的主要因素:循环荷载的作用次数,初始静偏应力和循环加载动偏应力。基于临界状态土力学理论,引入了相对偏应力水平参数,考虑初始静应力、循环动应力和不排水极限强度的相互影响,研究了不同静、循环动应力组合应力历史影响下饱和软粘土的不排水循环累积变形特性。     

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。     

循环荷载作用下软黏土变形特性研究

通过对饱和软黏土进行一系列应力控制的循环三轴试验 ,结合各向同性弹塑性边界面模型数值模拟 ,得出了软黏土在不排水条件下受循环荷载作用时的累积残余变形规律。     

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。