復雜應(yīng)力條件下飽和砂土剪切特性及本構(gòu)模型的試驗研究.pdf

1、大連理工大學博士學位論文復雜應(yīng)力條件下飽和砂土剪切特性及本構(gòu)模型的試驗研究姓名：許成順申請學位級別：博士專業(yè)：巖土工程指導教師：欒茂田20060301變軟化特性。當初始大主應(yīng)力方向角為cr=O。時，最大孔隙水壓力僅能達到平均固結(jié)壓力的21％，而當a=90。時，孔隙水壓力可上升到平均固結(jié)壓力的61％。大主應(yīng)力方向的影響可能與制樣時由于重力作用而形成的土層結(jié)構(gòu)有關(guān)。中主應(yīng)力系數(shù)對有效內(nèi)摩擦角具有顯著的放大效應(yīng)和區(qū)間效應(yīng)，且在三軸拉伸條件下的

2、內(nèi)摩擦角明顯大于在三軸壓縮條件下的內(nèi)摩擦角。利用三軸拉伸和壓縮條件下內(nèi)摩擦角之比，并適當選取中剪應(yīng)力權(quán)重系數(shù)Wo的情況下，廣義雙剪應(yīng)力準則能夠較好地模擬中主應(yīng)力系數(shù)對強度參數(shù)的放大效應(yīng)和區(qū)間效應(yīng)。針對不同的初始應(yīng)力狀態(tài)，通過循環(huán)扭剪試驗、軸向一扭轉(zhuǎn)雙向耦合循環(huán)剪切試驗，探討了初始主應(yīng)力方向、中主應(yīng)力系數(shù)等參數(shù)對應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系和孔隙水壓力發(fā)展模式的影響。并引入相對有效偏應(yīng)力比峰值，建立了歸一化的孔隙水壓力與廣義剪應(yīng)變之間的經(jīng)驗關(guān)系。試驗研

3、究表明，飽和松砂的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系緊密地依賴于初始主應(yīng)力方向角。無論單向的循環(huán)扭剪試驗還是軸向與扭轉(zhuǎn)雙向耦合循環(huán)剪切試驗一致性地表明：在初始大主應(yīng)力方向與軸向之間夾角為a=oo與90。的非均等固結(jié)條件下，此時預剪應(yīng)力是由初始正應(yīng)力偏差所引起的，而沒有純剪應(yīng)力作用，因此砂土的剪應(yīng)變以循環(huán)效應(yīng)為主，累積的殘余變形較小，而軸向應(yīng)變的發(fā)展呈現(xiàn)出顯著的單向累積特征。因此土體發(fā)生破壞時變形以正應(yīng)力偏差引起的軸向變形為主。相反地，在初始大主應(yīng)力方向與軸

4、向之間夾角為a=300、cF45。、a=600的非均等固結(jié)條件下，由于在動應(yīng)力作用平面上由剪應(yīng)力所引起的預剪應(yīng)力作用，與循環(huán)效應(yīng)相比，剪應(yīng)變的累積效應(yīng)十分顯著，剪應(yīng)變的單向累積殘余變形較大，因此試樣發(fā)生破壞時剪切變形的分量較大。并且初始中主應(yīng)力系數(shù)似乎對這種規(guī)律沒有影響。因此可以認為初始剪應(yīng)力的作用是不容忽視的。而在均等固結(jié)條件下，試樣固結(jié)時沒有任何預剪應(yīng)力的作用，此時無論剪應(yīng)變還是軸向正應(yīng)變，其循環(huán)效應(yīng)和累積效應(yīng)均十分顯著，且這種累積

5、效應(yīng)是關(guān)于正負兩個方向?qū)ΨQ的，而不再是單一方向的。在均等固結(jié)條件下，由于隨著循環(huán)次數(shù)的增加有效應(yīng)力逐漸降低直至o，使得試樣的殘余累積變形發(fā)展較快。針對南沙群島鈣質(zhì)砂所進行的試驗也進一步證實了初始剪應(yīng)力的作用對循環(huán)變形特性具有顯著的影響。對于單調(diào)剪切和循環(huán)剪切進行了對比試驗，研究表明，砂土的剪切特性在單調(diào)和循環(huán)兩種剪切加載條件下具有一定的相關(guān)性。單調(diào)剪切試驗中剪切變形的應(yīng)變軟化及硬化特征分別與循環(huán)剪切試驗中的流滑變形及循環(huán)流動特征密切相關(guān)

6、。對于在單調(diào)剪切條件下可能出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象的初始應(yīng)力狀態(tài)，當承受循環(huán)剪切應(yīng)力水平高于單調(diào)剪切應(yīng)變軟化區(qū)域最低強度時，將會發(fā)生流滑變形，因此應(yīng)在動力設(shè)計中控制循環(huán)應(yīng)力水平不大于相同初始應(yīng)力狀態(tài)下單調(diào)剪切試驗所得到的應(yīng)變軟化階段的最低強度或準穩(wěn)態(tài)強度。這種循環(huán)流動和流動變形的產(chǎn)生與砂土的初始組構(gòu)密切相關(guān)。在初始主應(yīng)力方向和中主應(yīng)力系數(shù)相同的情況下，單調(diào)剪切過程中相交狀態(tài)偏應(yīng)力比和最終穩(wěn)定狀態(tài)偏應(yīng)力比分別與循環(huán)扭剪過程中出現(xiàn)顯著剪脹時的偏應(yīng)力