中主应力系数和主应力方向对原状黏土各向异性的影响研究

针对当前土体各向异性影响因素的研究比较缺乏,且研究对象多为无黏性土的现状,采用空心圆柱扭剪仪对中主应力系数和主应力方向变化情况下的杭州典型原状黏土的各向异性进行研究.试验结果表明:剪切过程中,中主应力系数b的取值对原状黏土的各向异性有显著影响,而主应力作用方向对原状黏土的各向异性无明显影响.b = 0时,原状黏土沿沉积方向呈横观各向同性.b = 0.5时,无论主应力作用方向如何,原状黏土试样的各向异性在应变上表现为轴向应变与切向应变大小相等、方向相反,体积应变始终等于第二主应变;当主应力轴偏转角较小时,试样破坏时表现出明显的剪胀性和应变软化现象,随着主应力轴的偏转角增大,试样在破坏时开始表现出明显的剪缩性,应变软化现象也逐渐消失,而b=0时则没有这样的特点.另外试验结果还表明,原状黏土在沉积方向上的压缩性最低,而与沉积方向成50°方向的压缩性最高.     

考虑主应力轴方向的砂土各向异性强度准则与滑动面研究

主应力加载方向对土体强度产生影响的根本原因是土体存在各向异性。对于横观各向同性砂土而言,沿不同平面的抗剪强度随该平面与沉积面夹角增大而增大。认为砂土固有各向异性强度与该平面的各向异性参数密切相关,给出了各向异性砂的峰值强度表达式。在SMP准则中,各个潜在滑动面上的剪正应力比相同,各向异性砂土的抗剪强度和滑动面位置由强度最低的潜在滑动面所决定。综合考虑主应力轴、滑动面以及沉积面之间的位置关系,得到了砂土的各向异性强度准则。采用福建标准砂进行了一系列定轴剪切试验,系统地观测了定轴剪切试验中试样滑动面的特征。已有试验数据和理论结果的对比表明,各向异性强度准则可以较好地预测各向异性砂土的强度与滑动面位置。     

主应力轴旋转下(b=0.5)原状软黏土孔压特性

采用浙江大学空心圆柱扭剪仪(ZJU-HCA),对杭州原状软黏土进行固结不排水主应力轴旋转试验,探讨剪应力变化、初始剪应力水平高低及主应力轴正向和逆向旋转对黏土孔隙水压力(简称孔压)发展的影响。试验中保持平均主应力不变,中主应力系数b=0.5。试验结果表明:定向剪切产生的孔压主要受剪应力控制;用双重屈服面理论得到孔压系数,结合孔压线性拟合结果发现,若初始剪应力低于峰值剪应力,体积屈服面函数不受主应力轴旋转影响;若初始剪应力接近峰值剪应力,主应力轴开始旋转时的孔压上升速率相对较高,但后期孔压反而会下降;纯主应力轴旋转过程中的孔压上升速率主要受初始剪应力大小控制。主应力轴正向旋转较逆向旋转产生的孔压小;主应力轴逆向旋转相对正向旋转对整个剪切过程的孔压发展有较大影响。     

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。     

主应力方向变化对松砂不排水动强度特性的影响

针对相对密度为Dr=30%的福建标准砂,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扭转和竖向循环耦合剪切试验和循环扭剪试验。通过对比三向非均等固结条件下的两类试验结果,着重研究了初始主应力方向变化和振动过程中主应力方向连续变化对松砂的动强度特性的影响。     

主应力轴循环旋转对超固结黏土性状影响试验研究

对不同超固结比以及超固结形成条件下原状软黏土在主应力轴循环旋转条件下的孔压、应力应变关系等性状进行试验研究。研究结果表明,随着超固结比的提高,试样在主应力轴循环旋转过程中的动强度及等效瞬时刚度均有显著提高,而其孔压开展特征则受前期超固结形成过程中反压控制条件影响:若超固结卸载时不提供反压恒定控制条件,试样在后续主应力轴循环旋转过程中的孔压迅速呈现负压的变化趋势,负孔压的持续开展程度随超固结比的增大而提高;而当超固结卸载时恒定控制反压,土体在后续的主应力轴旋转过程中,仅在强超固结比条件下孔压才会产生负向开展特征。但不同的反压控制条件未对土体在主应力轴循环旋转中的振次–应变关系以及动强度等特性产生显著影响。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

考虑主应力偏转的土体浅埋隧道支护压力研究

传统方法计算浅埋隧道支护压力时,未考虑上覆土体主应力偏转过程,与实际情况不符且计算结果不准确。为真实分析和计算浅埋隧道支护压力,以砂土为研究对象,首先概括浅埋隧道围岩破坏模式,在此基础上分析隧道上覆土体主应力偏转过程和应力状态,得到水平微分土层平均竖向压力与侧向压力和层间平均剪切力的定量关系,进而建立水平微分土层受力平衡方程求解上覆土体竖向压力。最后以隧道侧面滑移土体为对象,通过受力平衡方程求解获得支护压力表达式。新方法考虑了上覆土体主应力真实偏转过程,较传统方法更符合实际,研究结果表明:距离隧道顶部中心线越远,水平正应力与大主应力比值越小;随着土体内摩擦角的增大,竖直正应力与大主应力比值呈现先减小后增大的规律。与模型试验结果对比表明:当隧道埋深较浅时,新方法计算所得支护压力与模型试验结果高度吻合,优于不考虑主应力偏转方法计算结果和半经验性的Terzaghi方法计算结果,从而验证了该方法的有效性,可为浅埋隧道支护设计提供一定理论依据。     

孔隙溶液浓度的变化对黏土强度的影响

孔隙溶液的变化对土体的强度具有重要作用,为了分析孔隙溶液浓度的变化对黏土的有效强度及黏土颗粒微观结构的影响,基于应变控制式室内直剪仪和电镜扫描技术,对采用不同浓度Na Cl溶液饱和的重塑土样进行强度和微观试验研究。试验结果表明孔隙溶液浓度的变化对土体黏聚力有很大影响,随着Na Cl溶液浓度的增加,黏聚力呈现降低趋势,当Na Cl孔隙溶液达到0.1 mol/L时,黏聚力出现负值。黏聚力主要来源于颗粒间物理化学作用力对颗粒移动的阻碍作用,当黏土孔隙中的Na Cl溶液浓度增加时,颗粒间斥力减小,颗粒变的易于移动,黏聚力下降。同时由于土中真实孔隙水压力的存在,使得黏聚力呈现负值。另外,通过电镜扫描对土体微观结构的探测表明,用Na Cl溶液调拌的土样主要以凝聚结构为主,而用去离子水调拌的土样主要以集聚结构为主。     

主应力偏转角对砂砾料动力特性影响的试验研究

利用空心圆柱动扭剪仪研究初始主应力偏转角α0 对一种砂砾料动强度、残余应变发展的影响。试验结果表明初始主应力偏转角α0 对土的动强度、残余孔隙水压力及残余应变的发展都具有不可忽视的重要影响。随着α0 的增大 ,动强度明显降低 ,残余孔隙水压力减小 ,残余应变发展速率加快     

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。     

基于有效固结应力理论的粘土土压力公式

从有效固结应力法强度公式出发 ,推导了以常规三轴固结不排水剪参数ccu 和 φcu 表达的垂直挡土墙上的主动和被动土压力公式。计算结果表明 ,被动土压力与传统公式一致 ,但主动土压力系数小于传统值。分析结果还表明 ,即使按总强度理论 ,也必须采用“水土分算”的方法。     

考虑残余应力的基坑被动区土压力及强度计算

基坑开挖过程中坑内土体处于竖向卸荷状态,而土体在卸荷过程中是普遍存在残余应力的。为了分析土体卸荷引起残余应力对基坑被动区土压力及强度的影响,进行砂的静力模型加卸载试验,通过试验得到砂在卸荷过程中应力变化规律,即在卸荷初期砂中应力几乎不变,在荷载完全卸除后仍存在残余应力。通过分析影响土中残余应力的因素,建立归一化参数——残余应力系数ξ和卸荷比R之间的函数关系,结合坑内土体的受力特点,建立基坑被动区残余应力的计算公式。结合既有试验成果,提出利用考虑残余应力的竖向土压力和加载时的静止侧压力系数来计算基坑被动区土压力的方法。建立考虑残余应力的基坑被动区抗剪强度计算方法,并与室内试验结果进行对比,验证方法的正确性。