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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

交通荷载应力路径下砂土地基变形特性研究

在交通荷载作用下,地基土单元不仅偏应力大小周期性变化而且主应力轴连续旋转。为了研究交通荷载应力路径下地基土单元排水变形特性,利用动态空心圆柱仪对K0固结下饱和砂土进行了一系列"苹果型"动力循环应力路径以及普通动力循环应力路径试验。两组应力路径试验结果的对比表明交通荷载应力路径引起的主应力轴连续旋转会加速竖向永久变形的累积,并且对竖向回弹模量具有软化作用,而且随着循环应力比的增大,两种应力路径下变形特性差异变得更加明显。最后,基于Uzan回弹模量模型提出了相应的修正公式用来考虑主应力轴旋转效应。     

砂土非共轴特性的本构模拟

传统的本构理论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。因此,在已有的本构模型中引入非共轴塑性流动理论来描述这种非共轴现象,并对形状函数进行了修正。通过对真三轴试验、单剪试验和空心圆柱试验进行数值模拟,表明修正后的形状函数能够更好地描述砂土在真三维状态下的变形特性,更重要的是非共轴理论的引入使得模型能够合理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。     

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。     

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.     

气动式四向控制空心圆柱扭剪仪的研制与应用

上海交通大学既有的空心圆柱扭剪仪只有扭矩可以进行动态控制,可进行动剪应力扭剪试验。为了研究应力主轴旋转对土体力学特性的影响规律,在仪器采用应力控制模式和考虑经济性的前提下,对既有空心圆柱扭剪仪进行气动化改造,使之具备轴力、扭矩和内外围压都可以独立自动控制的四向振动能力。首先介绍改造后仪器(SJTU-HCA)的组成和技术参数,梳理了气动控制相比于液压控制的优点,推导了进行主轴固定单调剪切试验和纯应力主轴循环旋转试验的基本公式,并且设计了仪器控制程序和自动控制算法。通过对砂土任意主应力角的主轴固定单调剪切试验,初步验证了仪器的静态加载能力。通过保持偏应力q、平均主应力p和中主应力参数b这3个控制参数下的纯应力主轴循环旋转试验,验证了仪器的动态加载能力,说明了改造后仪器具备各种复杂应力路径的工作能力。气动式改造经验可为今后研发土工仪器设备提供参考。     

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。     

砂土各向异性与非共轴特性的本构模拟

在考虑组构各向异性的砂土状态相关本构模型的基础上,引入了修正的非共轴流动法则建立了相应的非共轴本构模型。对于逆向加载的塑性问题,比如纯环剪加载,将通过引入边界面的概念进行处理。同时根据广义应力状态下的剪胀方程推导的塑性势面,建立了π平面内的非关联共轴流动方向。另外,将非共轴流动方向定义为同当前应力状态主方向正交的方向,并同共轴流动方向一样与塑性加载因子相关联。对Toyoura砂的空心圆柱两种加载模式的剪切试验,即固定主应力轴方向的单调加载和纯环剪切,进行了模拟,结果表明本模型能较好地描述砂土力学行为中的各向异性和非共轴特性。     

砂土的压剪效应与渐近状态准则

以往的研究结果表明:砂土在沿着等应变增量比路径加载时存在一个稳定的应力状态,即渐近状态;渐近状态随应变增量比的变化而变化;渐近状态是比临界状态更为广泛的一个概念,临界状态是渐近状态在体应变增量为零时的特殊情况。在一系列应变路径试验的基础上揭示了渐近状态随应变增量比的变化而变化的物理机制是加载过程中的压缩变形与剪切变形的所占比例不断调整的结果,将压缩变形与剪切变形耦合变化的力学行为及其对土的应力应变响应的影响定义为压剪耦合效应(简称压剪效应),在此基础上,提出定量描述渐近状态应力比随应变增量比变化的二维和三维渐近状态准则,并且通过试验结果验证了准则的有效性。     

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。     

主应力方向循环变化对饱和松砂不排水动力特性的影响

利用新研制的土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪进行了主应力轴循环变化的多种模式竖向和扭转双向耦合循环剪切及普通循环扭剪试验。针对福建标准砂, 在均等固结条件下着重研究了振动过程中主应力方向的不同变化模式对饱和松砂不排水循环特性的影响。试验研究结果表明: 振动过程中主应力方向的变化方式对饱和砂土不排水动强度具有显著的影响, 在所采用的五种类型循环剪切应力路径中, 主应力方向连续旋转条件下的动强度最低。进一步的研究发现: 对于初始均等固结条件,分别采用初始平均有效固结压力和循环破坏次数归一化的循环孔隙水压力比与循环次数比之间的关系与振动过程中主应力方向变化方式无关, 这种归一化循环孔隙水压力比随广义剪应变的变化规律及累积广义剪应变与循环次数比之间关系均与振动过程中主应力方向变化方式无关。     

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。