考慮應力主軸變化下各向異性砂土靜動力特性試驗研究.pdf

1、在路堤、邊坡等工程中，地基土單元在固結(jié)過程中不僅主應力大小會發(fā)生改變，大主應力軸方向也會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種涉及應力主軸偏轉(zhuǎn)的各向異性“傾斜”固結(jié)一方面使得砂土顆粒重新排列，進而產(chǎn)生應力誘發(fā)各向異性，另一方面會導致土體形成不同的初始固結(jié)應力狀態(tài)，包括初始豎向偏應力以及初始扭剪應力。在這種復雜的初始固結(jié)應力狀態(tài)條件下，當土體進一步承受波浪荷載、交通荷載等涉及主應力軸旋轉(zhuǎn)的復雜應力路徑時，土體表現(xiàn)出來的變形和強度特性將變得更加復雜。因而，在實驗室

2、模擬土體的復雜初始固結(jié)應力條件，并進一步開展涉及應力主軸變化的復雜應力路徑下靜動力試驗研究，對于建立涉及應力主軸變化這種復雜應力條件下各向異性固結(jié)土體的變形規(guī)律和本構(gòu)模型具有十分重要的試驗指導意義。
　　本文利用空心圓柱扭剪儀針對各向同性固結(jié)和各向異性“傾斜”固結(jié)飽和砂土進行了一系列涉及應力主軸變化的復雜應力路徑下靜動力排水試驗研究。主要開展了以下工作研究:
　　(1)分別針對各向同性固結(jié)和各向異性“傾斜”固結(jié)飽和砂土試樣進

3、行了一系列排水靜力剪切試驗，對比分析了制樣過程形成的固有各向異性以及“傾斜”固結(jié)誘發(fā)的各向異性對土體應力應變關(guān)系、峰值剪切強度、割線模量、剪脹關(guān)系、非共軸等靜力特性的影響，并建立了“傾斜”固結(jié)條件下增量峰值應力比和初始割線模量與固結(jié)主應力方向角和剪切主應力增量角度差值之間關(guān)系。
　　(2)通過對不同固結(jié)條件和主應力方向下剪切過程中體應變發(fā)展的對比分析，得到了獨立于剪切主應力方向和固結(jié)條件的統(tǒng)一相位轉(zhuǎn)換應力比(q/p)phas。;結(jié)

4、合應力應變非共軸發(fā)展規(guī)律，研究了非共軸對剪脹關(guān)系的影響，并通過引入非共軸因子修正了非共軸度造成的剪脹曲線與Rowe直線型剪脹曲線的偏差。
　　(3)針對各向同性固結(jié)條件下主應力軸旋轉(zhuǎn)試驗，分析了應力比對體應變發(fā)展模式的影響，得到了與靜力剪切試驗一致的相位轉(zhuǎn)換應力比(q/p)phase，當應力比低于相位轉(zhuǎn)換應力比時，主應力軸旋轉(zhuǎn)過程中體應變表現(xiàn)為體縮變形，反之為體脹變形。另一方面，通過引入非共軸因子分析了主應力軸旋轉(zhuǎn)過程中非共軸對剪

5、脹關(guān)系的影響。
　　(4)針對各向異性“傾斜”固結(jié)條件下主應力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)試驗，分析了固結(jié)誘發(fā)各向異性對主應力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)過程中應變分量發(fā)展以及應變流動過程中表現(xiàn)出的應變增量大小發(fā)展和非共軸演變規(guī)律的影響;發(fā)現(xiàn)了主應力軸旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)最大非共軸角度可以通過應變增量峰值對應的旋轉(zhuǎn)角度與試樣最薄弱方向(70°)之間的滯后角度進行度量。研究了旋轉(zhuǎn)圈數(shù)對體應變發(fā)展模式的影響，隨著旋轉(zhuǎn)圈數(shù)增加，試樣相對密實度不斷增大，砂土試樣從中密向密實狀態(tài)轉(zhuǎn)變，

6、從而導致從第5圈開始在局部旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)出現(xiàn)體脹變形，而且體脹范圍也隨著旋轉(zhuǎn)圈數(shù)增加而不斷擴大。
　　(5)針對低路堤下地基土單元涉及應力主軸偏轉(zhuǎn)的各向異性“傾斜”固結(jié)條件下的動力循環(huán)排水試驗，研究了“傾斜”固結(jié)過程中形成的不同初始固結(jié)應力狀態(tài)，包括初始豎向偏應力qv0和初始扭剪應力τ0，對動力循環(huán)過程中豎向永久變形的影響。試驗結(jié)果表明，第一圈永久豎向應變與初始豎向偏應力大小呈線性增長的關(guān)系，而與初始扭剪應力基本無關(guān);在qv0＞75k

7、Pa，τ0＞0kPa條件下，初始豎向偏應力和初始扭剪應力都會加速前期豎向永久變形的累積，但當qv0≤75kPa，永久豎向應變平均增長率基本保持恒定，幾乎不受初始豎向偏應力的影響;在Barksdale提出的對數(shù)模型的基礎(chǔ)上，建立了考慮初始豎向偏應力和初始扭剪應力綜合影響的永久豎向累積修正模型。
　　(6)“傾斜”固結(jié)中形成的不同初始固結(jié)應力狀態(tài)對動力循環(huán)過程中體應變發(fā)展的影響表明，存在一個臨界初始豎向偏應力qv0=75kPa，將循環(huán)

8、加載過程中體應變發(fā)展分為體脹和體縮兩種模式;初始扭剪應力的存在會使得土體在動力循環(huán)中產(chǎn)生體脹趨勢，而且體脹量隨著初始扭剪應力的增大而增大。綜合考慮初始豎向偏應力和初始扭剪應力作用時，在(σz-σθ)-2σzθ建立了以K0固結(jié)點為起點與水平軸夾角為2（αc△σ）CCL的臨界固結(jié)線CCL(Critical Consolidated Line)，當αc△σ＞（αc△σ）CCL時后續(xù)動力循環(huán)過程中表現(xiàn)為體縮變形，反之為體脹變形。
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