復(fù)雜應(yīng)力條件下飽和砂土孔隙水壓力及體變特性試驗(yàn)研究.pdf

1、不排水條件下循環(huán)荷載作用導(dǎo)致孔隙水壓力的發(fā)生與發(fā)展是飽和土體變形與強(qiáng)度變化的重要影響因素。研究飽和砂土循環(huán)孔隙水壓力的增長模式成為土動(dòng)力學(xué)研究的重要內(nèi)容。建筑物地基中土體的初始固結(jié)條件是復(fù)雜的，初始大主應(yīng)力方向角會(huì)發(fā)生變化。海洋地基或者海床土體內(nèi)由于波浪的周期性運(yùn)動(dòng)使海床土體的主應(yīng)力軸發(fā)生了連續(xù)不斷的旋轉(zhuǎn)，在公路和鐵路的路基中由交通荷載所產(chǎn)生的循環(huán)剪應(yīng)力也同樣以主應(yīng)力方向持續(xù)旋轉(zhuǎn)為特征。這樣在復(fù)雜的初始固結(jié)條件與復(fù)雜循環(huán)荷載的共同作用，

2、土體的孔隙水壓力增長模式將變得更加復(fù)雜。剪脹性是土最為重要的基本力學(xué)特性之一，研究三向非均等固結(jié)條件下在循環(huán)荷載作用下土的排水體變特性對(duì)建立適用于復(fù)雜應(yīng)力條件下的土體應(yīng)力—剪脹方程具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。大連理工大學(xué)土木水利學(xué)院巖土工程研究所在全面提出了“土工靜力—?jiǎng)恿σ簤喝S—扭轉(zhuǎn)剪切儀”的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)以及詳盡的功能要求基礎(chǔ)上，與日本誠研舍株式會(huì)社共同研制開發(fā)了該設(shè)備。該設(shè)備不僅能夠?qū)崿F(xiàn)均壓固結(jié)、多種不同初始條件下的非均等固

3、結(jié)等多種復(fù)雜固結(jié)條件，而且能夠進(jìn)行靜、動(dòng)三軸拉壓剪切與靜、動(dòng)扭轉(zhuǎn)剪切以及靜、動(dòng)耦合剪切等多種靜力與循環(huán)剪切的復(fù)雜應(yīng)力路徑試驗(yàn)，能夠同時(shí)滿足土的靜、動(dòng)力變形特性與靜、動(dòng)強(qiáng)度及孔隙水壓力、體積變形特性等多方面研究需要，為開展本課題研究提供了必要條件。 本文利用土工靜力—?jiǎng)恿σ簤喝S—扭轉(zhuǎn)剪切儀對(duì)3種不同初始相對(duì)密度的飽和福建標(biāo)準(zhǔn)砂進(jìn)行了均等固結(jié)與控制5種初始主應(yīng)力方向和5種中主應(yīng)力系數(shù)組合條件下的三向非均等固結(jié)的排水與不排水循環(huán)扭剪

4、試驗(yàn)和軸向—扭轉(zhuǎn)雙向耦合剪切試驗(yàn)；同時(shí)對(duì)黃河三角洲海底原狀粉土進(jìn)行了不排水循環(huán)三軸試驗(yàn)、循環(huán)扭剪試驗(yàn)和靜力單調(diào)扭剪試驗(yàn)。 基于對(duì)福建標(biāo)準(zhǔn)砂在均等固結(jié)和三向非均等固結(jié)條件下排水與不排水循環(huán)扭剪試驗(yàn)結(jié)果，探討了復(fù)雜初始固結(jié)狀態(tài)情況下飽和砂土在循環(huán)剪切作用下的體變特性。飽和砂土在排水與不排水條件下的體變特性可以用4種基本模式來概括，模式A：累積體縮。包括剪縮—卸荷體縮、彈性剪切—卸荷體縮、剪縮—瞬態(tài)剪縮—卸荷體縮等多種形式。模式B：剪

5、縮—剪脹—卸荷體縮。模式C：剪脹—卸荷體縮—剪縮—卸荷體縮(卸荷體脹、彈性剪切)。模式D：剪脹—卸荷體縮。在本文所有不同的排水條件、不同相對(duì)密度、不同初始主應(yīng)力方向角、不同中主應(yīng)力系數(shù)等條件下進(jìn)行的循環(huán)扭剪試驗(yàn)中飽和砂土的體變特性都可以用上述4種模式中的一種或幾種組合來進(jìn)行描述。三向非均等固結(jié)條件下飽和密砂排水循環(huán)扭剪試驗(yàn)結(jié)果表明初始主應(yīng)力方向會(huì)顯著影響體變的累積方向；在循環(huán)剪應(yīng)力幅值隨循環(huán)次數(shù)逐漸增長的加載模式下，對(duì)于密砂，在每個(gè)循環(huán)

6、中體積應(yīng)變幅值與剪應(yīng)變幅值近似地呈線性關(guān)系。在所有均等固結(jié)與非均等固結(jié)條件下剪應(yīng)力幅值固定的排水循環(huán)扭剪試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在初次循環(huán)即產(chǎn)生了體積應(yīng)變的最小值。這充分反映了初次加載所產(chǎn)生的土體顆粒定向改變土體原有組構(gòu)，對(duì)砂土的循環(huán)剪切體變特性具有決定性影響。排水條件下循環(huán)剪切過程中體積變化特性密切依賴于剪應(yīng)力水平，同時(shí)受到初始相對(duì)密度、圍壓等條件的影響?；陲柡透＝?biāo)準(zhǔn)砂軸向—扭轉(zhuǎn)雙向耦合剪切試驗(yàn)和循環(huán)扭剪試驗(yàn)結(jié)果，著重考察了初始主應(yīng)力方向角、

7、初始相對(duì)密度和排水條件3個(gè)影響因素對(duì)軸向—扭轉(zhuǎn)雙向耦合剪切試驗(yàn)剪應(yīng)力—剪應(yīng)變關(guān)系特征和循環(huán)扭剪試驗(yàn)中各個(gè)應(yīng)變分量發(fā)展規(guī)律的影響，研究表明初始主應(yīng)力方向角、初始相對(duì)密度及排水條件對(duì)剪應(yīng)變的循環(huán)特征和累積特征具有不同程度的影響，這取決于對(duì)砂土組構(gòu)的變化程度。非均等固結(jié)條件下變形表現(xiàn)出明顯的各向異性，初始主應(yīng)力方向?qū)ψ冃畏至康陌l(fā)展產(chǎn)生顯著影響。 基于飽和松砂在各種初始主應(yīng)力方向與中主應(yīng)力系數(shù)組合的不同非均等固結(jié)條件下不排水循環(huán)扭剪試驗(yàn)

8、結(jié)果建立了反映孔隙水壓力的發(fā)展規(guī)律的應(yīng)力模式和應(yīng)變模式。分別采用最終穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的殘余孔隙水壓力和破壞時(shí)所需要的循環(huán)次數(shù)，對(duì)于循環(huán)剪切過程中的殘余孔隙水壓力與循環(huán)次數(shù)進(jìn)行歸一化處理，由此所得到的殘余孔隙水壓力比和循環(huán)次數(shù)比之間的關(guān)系較好地符合雙曲線關(guān)系，這種雙曲線模式中的2個(gè)待定參數(shù)主要與初始主應(yīng)力方向有關(guān)。歸一化后的孔隙水壓力比與廣義剪應(yīng)變之間的關(guān)系也可以采用雙曲線模式表達(dá)。基于非均等固結(jié)條件下飽和松砂不排水軸向—扭轉(zhuǎn)耦合剪切試驗(yàn)結(jié)果分