复杂应力路径下饱和砂土静态液化失稳预测

饱和砂土应力–应变关系具有各向异性和状态相关特性,因此其静态液化的触发与应力路径密切相关。现有文献已提出多种静态液化判别准则,但其准确性往往仅在三轴应力路径下被进行校验。对于涉及主应力方向旋转和不同中主应力比的复杂应力路径,现有判别准则是否可以准确预测静态液化的触发有待进一步验证。为此,基于状态相关各向异性砂土本构模型,结合前人的空心圆柱扭剪单元体试验,比较了二阶功、弹塑性刚度矩阵对称部分和失稳模量3种准则对复杂应力路径下砂土静态液化失稳预测的效果。发现包括:基于弹塑性刚度矩阵对称部分的失稳触发表达式不依赖于加载路径,具有更好的通用性,其预测的失稳点早于或与实际失稳点吻合;失稳模量理论可预测实际液化失稳的位置,但判定表达式因加载条件不同而变化。获得了复杂应力路径下的失稳线,分析了静态液化触发前砂土可发挥峰值摩擦角受中主应力、主应力方向等因素的影响。     

复杂应力路径下饱和砂土静态液化失稳预测

饱和砂土应力–应变关系具有各向异性和状态相关特性,因此其静态液化的触发与应力路径密切相关。现有文献已提出多种静态液化判别准则,但其准确性往往仅在三轴应力路径下被进行校验。对于涉及主应力方向旋转和不同中主应力比的复杂应力路径,现有判别准则是否可以准确预测静态液化的触发有待进一步验证。为此,基于状态相关各向异性砂土本构模型,结合前人的空心圆柱扭剪单元体试验,比较了二阶功、弹塑性刚度矩阵对称部分和失稳模量3种准则对复杂应力路径下砂土静态液化失稳预测的效果。发现包括:基于弹塑性刚度矩阵对称部分的失稳触发表达式不依赖于加载路径,具有更好的通用性,其预测的失稳点早于或与实际失稳点吻合;失稳模量理论可预测实际液化失稳的位置,但判定表达式因加载条件不同而变化。获得了复杂应力路径下的失稳线,分析了静态液化触发前砂土可发挥峰值摩擦角受中主应力、主应力方向等因素的影响。     

一个改进的堆石料广义塑性模型

在广义塑性理论框架下,通过引入两个修正系数修正塑性模量,增强了广义塑性模型在高围压条件下的适应性,成功地将砂土广义塑性模型改造成堆石料广义塑性模型。提出的修正广义塑性模型参数较少,容易确定,具有一定的实用性,并且可以推广至状态相关情况。模型中塑性模量公式简洁,可以退化成等向压缩塑性模量。模型可以很好地预测堆石料常规三轴加载应力应变关系,对等P以及等应力比路径也具有一定适应性。     

考虑应力路径和加载速率效应砂土的弹黏塑性本构模型

 利用室内多应力路径平面应变压缩试验结果,分析和研究密实砂土变形和强度特征的应力路径和加载速率效应。试验结果表明：一方面,不可恢复体积应变和剪切应变都具有明显的应力路径相关性,因而在传统塑性理论中将其作为硬化参量存在不合理性;另一方面,砂土的应力–应变特性与加载速率的变化存在着显著的关系。加载速率效应与蠕变和应力松弛一样均是砂土黏性的外在反映,其最重要的特征之一是加载速率发生突变时,应力也发生相应的突变,并呈现出刚性很大、近似弹性的特性。对试验结果的进一步分析发现,一种修正的不可恢复应变能W ir*及相关的函数与应力路径不相关。将W ir*作为硬化参量,并在非线性三要素模型的理论框架下,提出一种基于能量的砂土弹黏塑性本构模型。该模型可以考虑应力路径、压力水平、固有各向异性、孔隙比等因素对砂土变形和强度特征的影响,以及应变局部化和加载速率变化所产生的黏性特性。将上述模型嵌入到有限元程序中,并对平面应变压缩试验进行模拟计算,验证模型的精确性。研究结果表明,与现有的砂土本构模型相比,所提出的模型能更好地模拟应力路径及加载速率变化对砂土变形和强度特征的影响。     

考虑初始各向异性的砂土弹塑性本构模型及试验验证

基于复杂应力条件下的试验结果,就针对不同主应力方向对应力–应变关系的影响进行了试验研究,并在此基础上结合状态概念提出了基于应力–剪胀关系和应力–应变拟双曲线关系的弹塑性本构模型。利用应力–应变拟双曲线关系描述了主应力方向对有效应力路径、应力–应变发展模式的影响,并通过常规三轴试验测定了试验参数,同时与试验结果进行对比,说明基于状态概念,引入状态参数,利用主应力方向对塑性模量的影响,能够同时描述初始物理状态及初始各向异性对砂土应力–应变关系的影响。     

双向耦合循环剪切条件下饱和砂土体应变发展规律试验研究

砂土的剪胀与循环应力路径密切相关。针对饱和南京细砂,利用空心圆柱扭剪仪(HCA)进行了一系列均等固结条件下轴向–扭转耦合循环剪切排水试验,研究了复杂应力路径下饱和砂土的剪胀性及其体应变量化方法。研究表明:双向耦合循环剪切条件下饱和砂土的剪胀由一个完全可逆的循环体应变分量和一个不可逆的累积体应变分量构成,循环应力路径对累积体应变发展规律影响显著;以等效循环应力比ESR作为表征复杂应力路径下动应力大小的指标,饱和砂土累积体应变与ESR值具有事实上的唯一性关系,累积体应变随ESR的增加而线性累积;通过引入参数ESR,提出了双向耦合剪切条件下饱和砂土累积体应变规准化方法。验证性试验表明新的体应变增量模型的预测值与试验结果的吻合度较高,而基于循环直剪试验结果建立的Byrne模型对双向耦合剪切条件下饱和南京细砂的体应变预测偏小。     

考虑应力主轴循环旋转效应的砂土弹塑性本构模型

 已有试验研究表明,应力主轴循环旋转条件下砂土具有以下基本变形规律：(1) 体应变随循环周数的增加而增加,但增加速率随其自身累积值的增加呈递减趋势;(2) 剪应力–剪应变关系曲线存在明显的滞回圈,随循环周数的增加,滞回圈由未封闭型转化为封闭型;(3) 应力主轴旋转条件下砂土的非共轴流动具有分段特征;(4) 中主应力系数对应力主轴循环旋转条件下砂土的变形有重要影响,体应变的累积速率随中主应力系数的增加而增加。基于对上述应力主轴循环旋转条件下砂土的基本变形规律的认识,采用将主应力幅值变化以及应力主轴旋转产生的塑性变形单独加以考虑的办法,建立一个可合理考虑应力主轴循环旋转效应的砂土弹塑性本构模型,并对该模型在包含应力主轴旋转的多种复杂循环应力路径下的有效性进行验证。数值模拟结果与试验结果的对比表明：该模型可较好地考虑应力主轴循环旋转效应,对不同条件下各应变分量及体应变的发展历程能够进行较为合理的模拟,初步验证了该模型良好的适用性及有效性。     

砂土应力路径试验的数值模拟

在一组应力路径试验的基础上,利用砂土的状态相关本构模型,对不同应力路径下饱和砂土在三轴固结排水剪切过程中的变形特性进行模拟。将模拟结果与试验结果进行比较,发现这种状态相关本构模型不仅能够较好地模拟出不同应力路径下砂土固结排水试验的应力–应变关系和紧砂的应变软化现象,而且能够反映出砂土的剪缩和剪胀等变形特性,但是在模拟拉伸应力路径下砂土的体积应变变化趋势方面有待于进一步的研究和改进。     

应力历史对砂土应力应变关系的影响

本文从应力历史和应力路径的观点出发。在大量的砂土排水试验的基础上,建立了一种描述砂土应力应变和体积变化的方法。根据一种应力应变双曲线关系的改进形式,对等围压条件下轴向压缩和轴向拉伸两类试验的应力应变双曲线关系随固结路径的变化规律进行了讨论。所建立的侧向应变与轴向应变间的关系能够对三轴试验中的体积变化进行符合试验情况的描述。     

基于统一硬化参数的旋转硬化模型

为反映应力诱导各向异性特性,在统一硬化模型以及超固结土模型的基础上,结合屈服面的旋转硬化机制,将以往只反映等向硬化机制的模型推广为混合硬化模型。分别对黏土的排水应力路径以及砂土的不排水应力路径的应力-应变关系进行预测。结果表明:所提模型不仅能较好地描述黏土材料在循环加载条件下的应力-应变关系;同时,对于不同初始条件下的饱和砂土在循环加载条件下的应力-应变关系也能作出合理预测,验证了所提模型的合理性。     

含应力旋转路径对软黏土小应变刚度影响试验研究

利用配备高精度局部位移传感器的空心圆柱扭剪仪对杭州软黏土开展了系列应力旋转路径条件下的试验研究,包括:大主应力沿不同角度的定向剪切,不同剪应力水平下大主应力单纯连续旋转后定向剪切以及大主应力往复循环旋转后定向剪切3类典型应力路径,并考虑了中主应力系数及剪应力水平的影响。重点分析应力旋转路径对软黏土小应变刚度特性的影响。主要结论有:在不同的复杂应力条件下软黏土的刚度均受应变大小的影响,应变小于0.01%时软黏土的刚度很大,在0.01%~0.1%范围内刚度迅速衰减;在定向剪切条件下剪切方向对软黏土小应变剪切刚度的影响并不明显,而中主应力系数的影响比较显著;在主应力单纯旋转阶段软黏土会因不同的剪应力幅值产生不同程度的应变累积,继而对土体的小应变刚度的影响程度也不同;主应力往复循环旋转虽然也会产生前期累积应变,但土体在后期定向剪切阶段的初始刚度并未显著衰减,说明应力旋转模式对小应变刚度也有很大影响。     

小应变原岩状态下应力路径旋转对剪切模量的影响

以重塑土经K 0固结形成的试样为试验对象,采用英国GDS公司生产的STDTTS+UNSAT(7 kN/1700 kPa)型号高级应力路径三轴测试系统,研究了在小应变范围内应力路径旋转对土体剪切模量的影响以及剪切模量随应变变化的趋势。研究表明,在小应变范围内,剪切模量的初始值随试验应力路径与近期应力历史间的夹角θ的增大而增大,当两者完全相反时,应力路径旋转对土体在小应变条件下的剪切模量影响最大;完全一致时,其影响最弱。而且,在小应变范围内,割线剪切模量总是大于切线剪切模量;当剪切应变采用对数坐标表示时,剪切模量随着剪切应变的增加而衰减,且衰减的规律都可以表示为带有两个拐点的反S型曲线,经分析验证本文所得公式3可以对此特性进行很好地反映;但应力路径、应变范围不同其衰减幅度不同。     

Influence of anisotropic stress path and stress history on stiffness of calcareous sands from Western Australia and the Philippines

Investigation of dynamic properties of carbonate/calcareous soils is important in earthquake and offshore engineering as these soils are commonly encountered in large-scale projects related with energy geomechanics and land reclamation.In this study,the stiffness and stiffness anisotropy of two types of calcareous sands(CS)from the Western Australia and the Philippines were examined using bender elements configured in different directions in stress path setups.Stiffness measurements were taken on specimens subjected to constant p’compression/extension and biaxial stress paths and additional tests were performed on three types of silica sands with different geological origins and particle shapes,which were used as benchmark materials in the study.Compared with the three brands of silica sands,the stiffness of the CS was found to be more significantly influenced by anisotropic loading;an important observation of the experimental results was that stress anisotropy had different weighted influences on the stiffness in different directions,thus influencing stiffness anisotropy.Comparisons were made between the specimens subjected to complex loading paths,and respected model parameters as suggested from published expressions in the literature.These comparisons further highlighted that calcareous soils have different responses in terms of stiffness,stiffness anisotropy and loading history,compared with that of silica-based sands.     

Application of Micromechanics Model to Study Anisotropy of Soils at Small Strains

A micromechanics model is used to analyse the stiffness anisotropy of soils at small strains. Five material constants for a cross-anisotropic elastic material are related to micromechanics variables such as fabric anisotropy, contact stiffness, particle radius, and the number of contacts in a given volume of particulate assembly. The analytical results from the model are compared with the published experimental data on small-strain stiffness anisotropy in order to estimate typical soil fabric conditions of sands and clays. The relationship between the small-strain shear modulus obtained from triaxial tests and shear tests is examined using the micromechanics model. The analysis shows that, when a soil is stiffer in the horizontal direction, the shear modulus evaluated from the conventional triaxial drained tests underestimates G_vh and G_hh. The opposite is true when a soil is stiffer in the vertical direction. When a soil is sheared in undrained condition, the measured shear modulus is closer to G_vh than G_hh, especially when the soil is stiffer in the horizontal direction. The effect of soil anisotropy on the stiffness measured from different stress paths in triaxial condition is investigated.     

应力路径对砂土应力应变关系的影响

本文在试验的基础上，对平面应变状态下风化砂不同应力路径的应力变关系进行了分析。表明等应力比路径上的应力应变符合幂函数关系；Ｋ＿０固结后不同应力路径可用双曲线关系表示文中还探讨了模型参数的变化规律。本文所得的结果可用于非线性分析。     

主应力方向循环变化对饱和松砂不排水动力特性的影响

利用新研制的土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪进行了主应力轴循环变化的多种模式竖向和扭转双向耦合循环剪切及普通循环扭剪试验。针对福建标准砂, 在均等固结条件下着重研究了振动过程中主应力方向的不同变化模式对饱和松砂不排水循环特性的影响。试验研究结果表明: 振动过程中主应力方向的变化方式对饱和砂土不排水动强度具有显著的影响, 在所采用的五种类型循环剪切应力路径中, 主应力方向连续旋转条件下的动强度最低。进一步的研究发现: 对于初始均等固结条件,分别采用初始平均有效固结压力和循环破坏次数归一化的循环孔隙水压力比与循环次数比之间的关系与振动过程中主应力方向变化方式无关, 这种归一化循环孔隙水压力比随广义剪应变的变化规律及累积广义剪应变与循环次数比之间关系均与振动过程中主应力方向变化方式无关。     

基于功能系统分析技术的葵岗隧道围岩施工方案选择研究

 基于价值工程中的功能系统分析技术,结合专家知识和群决策(DSS)技术,对高速公路隧道施工方案的优化选择方法进行研究,建立一个针对不同围岩类别的施工方案优化理论模型。然后结合一个具体案例(葵岗隧道施工优化)来阐述该模型的应用。实践证明,这种模型很适合大型隧道工程的施工方案优化选择决策。     

考虑主应力轴旋转效应的交通荷载下饱和软黏土变形特性试验研究

 采用空心圆柱扭剪仪对原状饱和软黏土开展交通荷载诱发主应力幅值与主应力轴旋转耦合加载路径下的不排水试验研究。通过与循环三轴压缩试验对比,探讨主应力轴旋转对孔压、变形和应力–应变的影响。分析广义剪应力对循环刚度和非共轴性的影响。试验结果表明,相比较循环三轴试验,交通荷载应力路径下所诱发的主应力轴旋转使孔压和应变显著变大,应力–应变滞回圈刚度显著弱化。循环耦合加载路径下,存在剪切应力–应变和正偏应力–应变2种响应,应力–应变刚度呈现各向异性弱(强)化,应变增量矢量有显著的非共轴性,非共轴性有显著分段特征。较低剪应力水平下,应变路径轨迹趋于稳定,循环刚度表现为强化,非共轴性趋于增大;而较高剪应力水平下,应变路径轨迹趋于破坏,随循环弱化,非共轴性减小。     

土体的小应变特性(英文)

岩土工程的设计与计算，常常需要研究土的力学性质，并以数学模型描述其基本特性。随着现场测试技术和土工试验的进步，对土在小应变下应力－应变性质，以及新近应力历史影响有了新的认识。表征这些特性的数学模型，如非线性的块串模型等，已经得到广泛应用。本文首先讨论土在小应变下的非线性特征，接着介绍表征小应变特性，特别是新近应力历史影响的块串模型，最后以一实例说明模型之应用。