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

1、大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文復(fù)雜應(yīng)力條件下飽和砂土剪切特性及本構(gòu)模型的試驗(yàn)研究姓名：許成順申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：博士專(zhuān)業(yè)：巖土工程指導(dǎo)教師：欒茂田20060301變軟化特性。當(dāng)初始大主應(yīng)力方向角為cr=O。時(shí)，最大孔隙水壓力僅能達(dá)到平均固結(jié)壓力的21％，而當(dāng)a=90。時(shí)，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(shí)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(duì)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(dāng)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(zhǔn)則能夠較好地模擬中主應(yīng)力系數(shù)對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的放大效應(yīng)和區(qū)間效應(yīng)。針對(duì)不同的初始應(yīng)力狀態(tài)，通過(guò)循環(huán)扭剪試驗(yàn)、軸向一扭轉(zhuǎn)雙向耦合循環(huán)剪切試驗(yàn)，探討了初始主應(yīng)力方向、中主應(yīng)力系數(shù)等參數(shù)對(duì)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(duì)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(yàn)關(guān)系。試驗(yàn)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(lài)于初始主應(yīng)力方向角。無(wú)論單向的循環(huán)扭剪試驗(yàn)還是軸向與扭轉(zhuǎn)雙向耦合循環(huán)剪切試驗(yàn)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(shí)預(yù)剪應(yīng)力是由初始正應(yīng)力偏差所引起的，而沒(méi)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(shí)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(dòng)應(yīng)力作用平面上由剪應(yīng)力所引起的預(yù)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(shí)剪切變形的分量較大。并且初始中主應(yīng)力系數(shù)似乎對(duì)這種規(guī)律沒(méi)有影響。因此可以認(rèn)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(shí)沒(méi)有任何預(yù)剪應(yīng)力的作用，此時(shí)無(wú)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(fù)兩個(gè)方向?qū)ΨQ(chēng)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(duì)南沙群島鈣質(zhì)砂所進(jìn)行的試驗(yàn)也進(jìn)一步證實(shí)了初始剪應(yīng)力的作用對(duì)循環(huán)變形特性具有顯著的影響。對(duì)于單調(diào)剪切和循環(huán)剪切進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，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(yàn)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(yàn)中的流滑變形及循環(huán)流動(dòng)特征密切相關(guān)

6、。對(duì)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(dāng)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(qiáng)度時(shí)，將會(huì)發(fā)生流滑變形，因此應(yīng)在動(dòng)力設(shè)計(jì)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(yàn)所得到的應(yīng)變軟化階段的最低強(qiáng)度或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度。這種循環(huán)流動(dòng)和流動(dòng)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(guò)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(guò)程中出現(xiàn)顯著剪脹時(shí)的偏應(yīng)力