主應力連續(xù)旋轉下軟粘土非共軸變形特性試驗和模型研究.pdf

1、主應力軸旋轉普遍存在于巖土工程中，地基土體經歷交通荷載、波浪荷載、多向地震作用等動荷載作用后，作用于土體單元上的主應力方向會產生連續(xù)的旋轉。主應力軸旋轉的影響也早已引起了廣大研究者的關注，隨著空心圓柱扭剪儀在土工試驗中的使用，目前國內外的研究者對主應力軸旋轉條件下土體的變形特性和本構模擬方面開展了廣泛的研究。主應力軸旋轉過程中土體的一個重要特性就是塑性應變增量方向與應力方向不共軸。在實際工程中，如果忽略土體非共軸特性的影響可能會低估土體

2、的變形而使工程設計偏于不安全。但目前有關主應力軸旋轉的土體非共軸研究主要還是集中在砂土，應力路徑也以主應力軸小幅旋轉為主。無論在試驗研究還是理論研究方面對于軟粘土在主應力軸連續(xù)純旋轉條件下的非共軸變形特性的研究還都比較少。合理考慮土體的非共軸特性對準確預測主應力軸旋轉條件下土體的變形又至關重要。為此急待豐富與完善考慮主應力軸旋轉條件下軟粘土非共軸變形特性的研究，以適應軟土地區(qū)面臨的越來越復雜的巖土工程問題。本文在已有研究成果的基礎上，分

3、別從試驗研究、規(guī)律分析總結、模型建立等三個方面開了考慮主應力軸連續(xù)旋轉影響的軟粘土非共軸變形特性研究。給出了計算主應力軸連續(xù)旋轉條件下軟粘土非共軸角的計算模型，基于試驗研究結果建立了考慮主應力軸旋轉引起的軟粘土變形的計算方法。本研究主要內容包括：
　?、磐ㄟ^對杭州原狀軟粘土和重塑粘土進行的主應力軸大幅(＞180°)連續(xù)純旋轉試驗，重點研究了主應力軸連續(xù)旋轉條件下軟粘土的非共軸變形特性。分析軟粘土在主應力軸單純連續(xù)旋轉條件下變形發(fā)展

4、、孔壓累積、剛度衰減等規(guī)律，并從微觀結構層面對主應力軸旋轉影響機理進行解釋。試驗結果發(fā)現(xiàn)：①定向剪切條件下原狀粘土和重塑粘土的非共軸特性都不顯著，隨著剪應力增加塑性主應變增量方向和主應力方向基本趨于共軸；②主應力軸連續(xù)旋轉條件下原狀粘土和重塑粘土存在顯著的非共軸特性，非共軸角隨著主應力軸的旋轉而波動變化，中主應力系數(shù)、剪應力水平、循環(huán)旋轉次數(shù)和初始各向異性等對軟粘土非共軸特性的影響不顯著，土體非共軸特性主要受應力路徑的影響和控制；③主應

5、力方向的單純改變會引起原狀粘土和重塑粘土顯著的塑性變形累積，隨著主應力軸的旋轉各應變分量也呈波動變化，試樣會由于變形的不斷累積而破壞。中主應力系數(shù)對應變分量的開展規(guī)律和試樣破壞時的形態(tài)有較大的影響。隨著剪應力水平的增加，主應力軸單位轉幅引起的應變也逐漸增加。應變的變化規(guī)律與相應的應力分量變化規(guī)律相似，類似三角函數(shù)曲線，但應變曲線要滯后應力曲線20°左右；④主應力方向純旋轉也會引起原狀粘土和重塑粘土試樣孔壓的顯著累積，孔壓的累積也隨主應力

6、軸的旋轉呈波動變化。中主應力系數(shù)對孔壓累積速率有一定影響。即使剪應力水平很低(q=5kPa，p=150kPa)的條件下，主應力軸純旋轉也會引起孔壓顯著累積；⑤按常規(guī)的設計思路，雖然應力幅值沒有達到破壞水平，但是應力方向的單純改變也會使土體發(fā)生破壞，并且主應力旋轉對工程設計的不利影響還不僅僅體現(xiàn)在變形的累積上，還表現(xiàn)在孔壓累積引起的剛度衰減；⑥從微觀結構角度分析，主應力軸旋轉引起的土體變形機理可以歸結為大主應力旋轉剪切對土體微觀結構的擾動

7、和破壞，使顆粒發(fā)生破碎或重新排列。
　　⑵通過對現(xiàn)有考慮主應力軸純旋轉的土體本構模型的分析總結之后發(fā)現(xiàn)只有合理考慮土體非共軸變形特性的本構關系才能較合理地描述試驗結果揭示的土體變形規(guī)律。為此，本文對考慮主應力軸旋轉復雜應力條件下的軟粘土非共軸塑性流動特性進行了深入的研究。借鑒邊界面模型的理論，基于定向剪切試驗研究結果引入橢圓形的原狀粘土破壞邊界面，考慮非共軸塑性應變增量切向和法向分量的共同耦合影響，建立了考慮中主應力系數(shù)、剪應力水

8、平等影響的軟粘土_非共軸角計算模型。通過與試驗結果和計算結果的對比發(fā)現(xiàn)，該方法能較好地反映試驗研究中得到的粘土非共軸變形規(guī)律。
　?、窃诜治隹偨Y主應力軸旋轉條件下軟粘土變形特性的基本規(guī)律基礎上，結合軟粘土的非共軸塑性流動規(guī)律，通過應力空間的轉換將主應力軸純旋轉應力路徑轉換為一種加載方式（應變不變量的廣義剪分量）。在廣義塑性理論的基本框架下建立了計算主應力軸旋轉引起的軟粘土變形的方法?？紤]非共軸的影響對三維條件下Rowe應力剪脹關系