循环偏应力和循环围压耦合效应对饱和软黏土变形特性的影响

利用GDS变围压动三轴系统对温州地区典型饱和软黏土进行了一系列循环偏应力和循环围压耦合应力路径下的部分排水循环加载试验,重点分析了部分排水条件下循环偏应力和循环围压耦合效应对正常固结饱和软黏土变形特性的影响。试验结果表明:部分排水条件下,与围压保持恒定,偏应力单独循环剪切相比,循环偏应力和循环围压耦合剪切作用有效地促进了饱和软黏土的累积塑性应变的发展,循环围压和循环偏应力的比值每增加2/3,相应的永久轴向应变就增加32%。进一步根据部分排水条件下饱和软黏土永久轴向应变发展曲线特点,建立了考虑循环偏应力和循环围压耦合效应的正常固结饱和软黏土的永久轴向应变经验公式。     

循环围压对超固结黏土变形特性影响试验研究

 利用GDS动三轴系统对温州地区典型饱和软黏土进行一系列恒定围压和变围压不排水循环加载试验,重点分析循环偏应力和循环围压耦合作用对超固结饱和软黏土不排水循环累积变形特性的影响。试验结果表明：不排水条件下,与围压保持恒定,偏应力单独循环剪切相比,循环围压的存在,一定程度上限制了超固结饱和软黏土永久轴向应变的发展。在平均主应力–广义偏应力(p-q)空间,循环偏应力和循环围压耦合应力路径斜率p/q每增加1,永久轴向应变将降低约20.18%。进一步在试验基础上提出考虑超固结比和循环围压影响的永久轴向应变经验公式。     

动三轴试验中饱和软黏土的孔压特性及其对有效应力路径的影响

 变围压动三轴试验能够同时施加循环变化的偏应力与循环变化的围压,可以模拟地震荷载下动剪应力与动正应力的耦合。通过GDS双向动三轴设备进行一系列饱和软黏土的变围压动三轴试验,系统研究循环偏应力和循环围压耦合对饱和软黏土孔压特性的影响。试验结果表明：在单纯循环围压条件下,饱和软黏土会产生相应的正的瞬时动孔压,但是并没有产生明显的负的瞬时动孔压;在循环偏应力与循环围压耦合情况下,饱和软黏土的孔压时程曲线表现出与常规动三轴试验不同的特性,即动孔压的振幅更大,并且最大动孔压和最小动孔压表现出不同的发展规律：最大动孔压持续增长,而最小动孔压在加载一定周数后趋于稳定。此外,对残余孔压的定义进行量化,并对循环偏应力和循环围压耦合对有效应力路径的影响进行研究。     

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。     

地震P波和S波耦合的变围压动三轴试验模拟

地震发生时,尤其是直下型地震发生时,P波对场地土体的作用不可忽略。通过变围压动三轴设备施加的特殊应力路径, 模拟了P波和S波耦合对饱和软黏土动力特性的影响,即循环剪应力和循环正应力耦合对饱和软黏土动力特性的影响。试验结果表明：变围压动三轴试验得到的包括循环剪应力和循环正应力的应力路径可以较好地模拟P波和S波的耦合作用;循环剪应力和循环正应力的相位差对饱和软黏土的动强度有较大的影响,当相位差为180°时,土体的动强度最低,当相位差为0°时,动强度最高;随着循环正应力幅值的增大,土体的动应变发展速度与常规恒定围压动三轴试验下的动应变发展速度相比,差距逐渐增大。这些发现一方面表明强震过程中P波的作用不可忽略,另一方面表明,在某些情况下,常规恒定围压动三轴试验高估了饱和软黏土的动强度,对抗震设计不利。     

双向激振循环荷载和振动频率共同作用下饱和软黏土孔压试验研究

利用GDS变围压动三轴试验系统模拟真实交通荷载下轴向循环正应力与水平循环正应力的耦合作用,对宁波饱和重塑软黏土进行一系列变围压不排水循环加载试验,对循环轴向偏应力和循环围压耦合作用下饱和软黏土的孔压变化规律进行了研究,分析了循环应力比、循环围压及振动频率对孔压的影响。研究结果表明:变围压作用下,孔压随循环应力比、循环围压的增加而增大,随振动频率的增加而减小。不同应力路径斜率、振动频率影响下,孔压率随加载时间的变化规律一致,循环应力比CSR、应力路径斜率η对孔压率–时间关系影响明显,随着循环应力比CSR、应力路径斜率η的增大,孔压率也增大,而振动频率对孔压率–时间关系影响不显著。在上述试验结果基础上得知,估算交通荷载作用下产生的孔压,不能忽视循环围压及振动频率的影响。     

单向循环荷载作用下饱和软黏土的性状研究

模拟交通荷载的作用,对珠江三角洲地区的高液限饱和软黏土和低液限饱和软黏土分别进行单向加载的循环三轴试验,研究饱和软黏土在压缩循环荷载下的轴向累积应变和累积孔压的发展情况,并充分考虑轴向循环压力大小、围压与塑性指数等因素对饱和软黏土性状的影响。试验结果表明:(1)单向循环荷载作用下,饱和黏土存在着临界循环应力,对于同一种土、不同围压下的临界循环应力,可引入临界循环应力比,用饱和黏土在各个围压下的不排水强度对临界循环应力进行归一化处理。(2)临界循环应力比的大小与饱和黏土的塑性指数有关,塑性指数越大,临界循环应力比越小。(3)循环应力大于临界循环应力时,累积轴向应变与累积孔压随循环次数变化的曲线是破坏型的。(4)循环应力小于临界循环应力时,累积轴向应变与累积孔压随循环次数变化的曲线是衰减型的,在相同的加载条件下,塑性指数大的试样累积变形和累积孔压均比塑性指数小的累积变形和累积孔压发展得快。(5)在单向循环荷载作用下,饱和黏土破坏时,孔压均没有达到围压值,只有围压的60%～70%。该研究成果可为交通荷载作用下软土地基沉降分析提供有益的参考。     

循环球应力对饱和软黏土动应变发展规律的影响及其作用机制

 循环球应力在土体动应力场中是普遍存在的,但是在以往的研究中往往被忽视。基于循环围压动三轴试验,通过循环围压和循环偏应力的耦合,初步研究循环球应力对饱和软黏土动应变发展规律的影响,并分析其作用机制。试验结果表明：循环球应力的存在不但改变动应变的发展速度,而且改变最大压应变与最大拉应变的比值,这种影响不但与循环球应力与循环偏应力的相位差有关,而且与循环偏应力的幅值有关。当相位差为180°时,压应变发展速度更快,而当相位差为0°时,拉应变发展速度更快。基于试验结果,分别从总应力和有效应力的角度解释循环球应力影响动应变发展规律的作用机制。     

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。     

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。     

循环荷载作用下泥炭质土动力累积特性试验研究

 工程实践中,泥炭质土由于富含有机质,具有高含水量、低密度、超高压缩性以及低强度的异常力学特性,往往被视为问题土。针对昆明地区交通荷载作用下泥炭质土的动力响应特征,选取滇池草海附近典型泥炭质土,开展考虑围压水平、动应力幅值以及静偏应力影响的不排水循环三轴试验,研究该土的长期累积变形特性。研究表明：研究土样具有典型泥炭质土特征,表现为含水量181.5%～259.3%,密度1.10～1.22 g/cm3、有机质含量29.9%～53.0%,有机物质分解度较高;动应力幅值和静偏应力对昆明泥炭质土的长期动力特性影响显著,大动应力幅值和静偏应力加剧累积变形和孔压的发展,同时,当动应力水平小而静偏应力大时,累积塑性变形的发展速度反而大;虽然初始围压对累积变形影响较小,但对残余孔压的影响显著。此外,基于双对数坐标下累积应变速率与循环周次关系以及前人研究方法,建立了泥炭质土累积塑性应变与动荷载循环周次间的经验关系。     

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。     

饱和黏土动剪切模量与阻尼比的试验研究

针对饱和黏土,利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,通过不固结不排水条件下的循环扭剪和竖向-扭转耦合试验,着重探讨了大应变情况下分级加载历史和循环应力耦合对动剪切模量与阻尼比等动力特性的影响。对试验结果的分析表明:采用多个试样单级加载与采用一个试样分级加载试验得到的初始骨干曲线、动剪切模量与阻尼比都较为一致,采用分级加载试验测定动剪切模量与阻尼比是可行的;耦合循环应力中的轴向偏差应力对扭转向应力-应变滞回圈的倾斜程度及动剪切模量与阻尼比都有显著影响,尤其当扭转向循环剪应力较小时,可以认为轴向偏差应力的大小控制着动剪切模量的增大量,受扭转向剪应力的影响,轴向应力–应变滞回圈的变化模式较为复杂。     

非饱和原状黄土的变形及屈服特性试验研究

对不同吸力非饱和原状黄土进行了等应力比三轴压缩及常规三轴剪切路径下的试验,研究了偏应力比q/p(q及p分别为净平均应力及偏应力),吸力及净围压对不同应力路径下变形及屈服特性的影响。研究结果表明:在等应力比三轴压缩及常规三轴剪切过程中,孔隙比e与净平均应力p关系(e-lnp)皆位于二条相交的直线上,吸力、偏应力比及净围压对弹性指数的影响很小,对屈服应力及压缩指数的影响较大。等应力比三轴压缩路径下,偏应力比一定时,屈服应力及压缩指数皆随吸力的增大而增大;吸力一定时,随偏应力比的增大而先增大后减小。常规三轴剪切路径下,吸力一定时,屈服应力及压缩指数皆随净围压的增大而增大;净围压一定时,随吸力的增大,屈服应力增大,压缩指数减小。以塑性体应变作为硬化参数时,q-p平面上的初始及后继屈服面皆为对称于饱和土K₀线的倾斜椭圆,吸力及应力增大时,屈服面没有旋转,而是产生等向扩大。