飽和砂土單調(diào)剪切特性與循環(huán)體變規(guī)律的試驗(yàn)研究.pdf

1、實(shí)際建筑物地基的初始應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜多樣，而且現(xiàn)場(chǎng)施工同樣會(huì)引起土體應(yīng)力條件的改變。在靜荷載作用下地基會(huì)依賴于這種初始固結(jié)狀態(tài)，產(chǎn)生較大的變形；當(dāng)進(jìn)一步受到地震、波浪等瞬時(shí)或循環(huán)荷載作用時(shí)，由于初始應(yīng)力狀態(tài)不同，地基或海床中各點(diǎn)的動(dòng)力變形與強(qiáng)度將更為復(fù)雜。同時(shí)，剪脹性是土最為重要的基本力學(xué)特性之一，研究循環(huán)荷載作用下土的體變發(fā)展規(guī)律對(duì)建立應(yīng)力一剪脹方程具有重要的理論與實(shí)際意義。因此，在評(píng)價(jià)建筑物地基或海床穩(wěn)定性時(shí)，必須考慮到各向非均等的復(fù)雜

2、初始應(yīng)力狀態(tài)和多變的加載模式來(lái)預(yù)測(cè)土的變形與強(qiáng)度特性。然而，由于土工實(shí)驗(yàn)技術(shù)的限制，常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)及扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)等傳統(tǒng)土工試驗(yàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)上述研究目的。 為此，大連理工大學(xué)與日本誠(chéng)研舍株式會(huì)社合作，設(shè)計(jì)并研制了“土工靜力-動(dòng)力液壓三軸一扭轉(zhuǎn)剪切儀”于2001年起投入使用。這套土工試驗(yàn)系統(tǒng)具有軸向偏差正應(yīng)力與環(huán)向剪應(yīng)力耦合加載功能，能夠?qū)崿F(xiàn)不同的初始復(fù)雜固結(jié)狀態(tài)，完成多種靜力與動(dòng)力剪切試驗(yàn)。事實(shí)證明，該設(shè)備的技術(shù)水平成熟，試驗(yàn)數(shù)據(jù)真

3、實(shí)可信，累積了豐富經(jīng)驗(yàn)。以此為基礎(chǔ)，本文將飽和的福建標(biāo)準(zhǔn)砂作為研究對(duì)象，充分利用設(shè)備的軸向荷載、扭矩和內(nèi)、外室壓力可獨(dú)立控制功能，設(shè)計(jì)了大量復(fù)雜應(yīng)力條件的試驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)單調(diào)、循環(huán)剪切荷載作用下砂土的變形與強(qiáng)度特性進(jìn)行了較為全面的系統(tǒng)分析。另一方面，以現(xiàn)有設(shè)備為基礎(chǔ)，力圖開(kāi)發(fā)新的三軸設(shè)備，發(fā)展更為實(shí)用的試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)。這些研究工作的開(kāi)展不僅為促進(jìn)土力學(xué)科與海洋土力學(xué)科的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的試驗(yàn)基礎(chǔ)，具有較強(qiáng)的理論意義，而且對(duì)于改進(jìn)重大工程結(jié)構(gòu)及地基

4、設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)際參考價(jià)值。 為了探討主應(yīng)力方向、中主應(yīng)力系數(shù)和初始偏應(yīng)力比及相對(duì)密度等復(fù)雜應(yīng)力條件和初始物理狀態(tài)對(duì)飽和砂土變形與強(qiáng)度特性的影響，以及應(yīng)力路徑變化對(duì)砂土力學(xué)性狀的影響，進(jìn)行了排水與不排水的單調(diào)剪切試驗(yàn)；同時(shí)通過(guò)循環(huán)扭剪試驗(yàn)，研究了循環(huán)荷載作用下砂土的體變規(guī)律。這些均為建立更為合理的本構(gòu)模型提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 通過(guò)單調(diào)剪切試驗(yàn)，較為全面地探討了各種因素對(duì)飽和砂土單調(diào)剪切特性的影響。著重考察主應(yīng)力方向、中

5、主應(yīng)力系數(shù)、初始固結(jié)應(yīng)力比、相對(duì)密度和加載速率等因素對(duì)砂土剪切特性和強(qiáng)度指標(biāo)的單獨(dú)或耦合影響；并將排水與不排水的試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，分析了兩者之間的異同。研究表明，主應(yīng)力方向?qū)羟刑匦缘挠绊戯@著，在排水試驗(yàn)中，不同主應(yīng)力方向角對(duì)應(yīng)的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系的變化規(guī)律，取決于水平面與豎直面上受到的剪應(yīng)力作用，相變及峰值偏應(yīng)力比與主應(yīng)力方向角之間存在拋物線型關(guān)系；而不排水試驗(yàn)的峰值有效偏應(yīng)力比隨著主應(yīng)力方向角的增大而減小。無(wú)論排水還是不排水試驗(yàn)，中主應(yīng)力系

6、數(shù)均對(duì)歸-化的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系具有影響，但對(duì)體變或孔壓的影響相對(duì)較小，初始條件相同時(shí)偏應(yīng)力比隨中主應(yīng)力系數(shù)的增大而降低。同時(shí)，主應(yīng)力方向、中主應(yīng)力系數(shù)相同，排水條件改變會(huì)影響試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，基于廣義雙剪應(yīng)力準(zhǔn)則，引入考慮主應(yīng)力方向影響程度的權(quán)重系數(shù)，推廣為考慮中主應(yīng)力系數(shù)和主應(yīng)力方向耦合影響的強(qiáng)度指標(biāo)表達(dá)式。另外，通過(guò)開(kāi)展應(yīng)力路徑變化對(duì)砂土力學(xué)性狀影響的研究發(fā)現(xiàn)，平均主應(yīng)力一定，排水時(shí)應(yīng)力路徑的改變，對(duì)砂土的剪切強(qiáng)

7、度幾乎沒(méi)有影響，但會(huì)影響小變形范圍內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變特性，表現(xiàn)為彈性軌跡的不同；結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，引入能夠反映應(yīng)力路徑變化的主要狀態(tài)參數(shù)，給出了三維空間中砂土受到前期應(yīng)力歷史作用所形成的彈性邊界表達(dá)式。在循環(huán)扭剪試驗(yàn)中，對(duì)于不同試驗(yàn)條件，探討了飽和砂土在循環(huán)剪切作用下的體變規(guī)律。研究結(jié)果表明，在排水條件下，飽和砂土的體變特性依賴于初始固結(jié)應(yīng)力比、平均有效應(yīng)力和相對(duì)密度等。隨著循環(huán)作用次數(shù)的增加，不斷累積的體應(yīng)變恰恰能夠反映出上述因素的綜合影響。砂

8、土受到等幅循環(huán)荷載作用的體應(yīng)變表現(xiàn)為：“C型剪縮-D型剪脹-Cf型卸載體縮”三種類型的周期性交替變化，建立了各類型體應(yīng)變與偏應(yīng)力比之間的線性關(guān)系及相關(guān)參數(shù)的確定方法。跟蹤往返荷載變化，區(qū)分加、卸載時(shí)對(duì)應(yīng)的不同模式，可通過(guò)相應(yīng)關(guān)系式得到砂土的體變發(fā)展規(guī)律。 此外，在學(xué)?！?11工程”重點(diǎn)學(xué)科“海洋和近海工程”建設(shè)計(jì)劃的支持下，查閱大量土工試驗(yàn)設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)資料，提出設(shè)計(jì)思想，與天水紅山試驗(yàn)機(jī)有限公司合作，共同探討實(shí)現(xiàn)軸一側(cè)雙向任意

9、相位差耦合振動(dòng)加載的可能性。逐步明確"SSDHTS-V20-H3型全自動(dòng)土工靜力一動(dòng)力液壓多功能三軸剪切儀”的總體性能要求和技術(shù)參數(shù)，確定設(shè)計(jì)方案，找出關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題并著力解決。經(jīng)過(guò)四年多的艱苦努力，共同研制開(kāi)發(fā)出這臺(tái)既適用于科學(xué)研究又滿足于工程需要的新型振動(dòng)三軸儀。 該儀器具備多種試驗(yàn)功能，在土工試驗(yàn)中的適用性廣泛。它不僅兼?zhèn)溆衅胀o三軸、動(dòng)三軸儀的試驗(yàn)功能，還可以進(jìn)行多種復(fù)雜應(yīng)力路徑條件下的雙向循環(huán)耦合試驗(yàn)；最多能夠?qū)崿F(xiàn)三個(gè)