主应力轴旋转下小偏压固结密实粉土崩塌特性及孔压模型研究

为研究主应力轴旋转复杂动应力对偏压固结粉土的性状演变影响,以空心圆柱试样为对象,开展具有不同初始固结比的密实粉土（Dr＝70%）在不排水主应力轴循环旋转下的系列试验。结果表明：①初始固结比不大于1.5时,主应力轴旋转导致试样发生中低应变崩塌,进而液化的脆性破坏模式;而固结比大于1.5时,试样变为应变持续稳定开展至高应变,孔压最终进入动态平衡的延性破坏模式,且不同固结比下试样发生崩塌液化和稳态延性破坏的孔压峰值间不存在交叉。②小偏压固结试样的液化峰值孔压和崩塌孔压均随固结比增加而有规律地下降,但受动剪应力水平影响很小,这与等压固结试样的崩塌孔压值受控于剪应力水平有很大差异。③相同初始球应力水平下,崩塌振次反映的小偏压固结试样强度高于等压固结试样,但在偏压条件下强度与固结比不存在单调变化关系,表明小偏压固结试样崩塌除受制初始围压水平外,很大程度上还取决于偏压程度。④基于上述试验结果,提出了主应力轴循环旋转下小偏压固结粉土的孔压预测模型,该模型不仅突显了崩塌状态对相变及液化破坏的重要预测作用,还反映了固结比和动剪应力对孔压开展的综合影响。     

主应力轴循环旋转下高密实粉土稳定性影响研究

为研究主应力轴循环旋转对粉土性状影响,对长江入海口高密实饱和粉土进行了主应力轴180°转幅的循环旋转试验。试验发现,等向固结的高密实粉土在恒定动剪应力比的主应力轴循环旋转下能发生孔压达到初始围压水平的液化破坏,但液化前孔压开展会因动应力水平的不同而呈现以渐变相态点和激变相态点区分的3阶段变化形式,或仅以激变相态点区分的两阶段变化形式。试样应变开展则始终呈现由崩塌点区分的两阶段变化形式,且孔压激变相态点与应变崩塌点同步反映了土体结构崩塌状态,崩塌状态时主应变差双向幅值限制在0.2%～0.4%这一较小范围内。试样进行主应力轴旋转达到崩塌时的应力状态与频率无显著关系,可由 - 空间中一条准不稳定状态线归一化。而以崩塌状态为终点进行归一化的主应力轴循环旋转下孔压振次曲线,可用修正的Seed公式进行较好拟合     

主应力轴旋转下K0固结饱和粉质黏土孔压及变形特性试验研究

主应力旋转将加速孔压和塑性应变的累积,影响土体的力学特性。为研究主应力轴循环旋转对 固结饱和粉质黏土孔压和变形的影响,利用GDS-HCA试验系统开展了不同应力路径的 固结饱和粉质黏土不排水循环三轴试验和循环扭剪试验,研究了主应力轴循环旋转对 固结饱和粉质黏土累积塑性应变、孔压等动力特性的影响。结果表明：动剪应力幅值、心形应力路径所包围的面积、循环偏应力幅值等均随循环剪应力比和循环动应力比的增大而增大。试样未发生破坏时, 固结饱和粉质黏土的孔压比随着振动荷载作用次数的增加而增大;当试样发生破坏时,孔隙压力迅速消散,孔压比急剧下降。循环扭剪试验时试件产生的轴向累积塑性应变始终大于循环三轴试验产生的累积塑性应变,说明主应力轴循环旋转会加速试件轴向应变的累积。试件的累积塑性应变随循环剪应力比和循环动应力比的增大而增大。循环动应力比越大时,主应力轴旋转造成的轴向累积塑性应变差异越显著。在Monismith幂次函数模型的基础上,建立了主应力轴循环旋转条件时K0固结饱和粉质黏土累积塑性应变方程,并对模型的可靠性进行了分析和验证。     

交通荷载引发主应力轴旋转下软黏土变形与强度特性试验研究

交通、波浪、地震等循环荷载引发不同主应力方向变化模式,对软土地基长期沉降与稳定产生显著影响。为研究饱和软黏土在交通荷载下的长期动力特性,借助空心圆柱扭剪仪开展偏应力空间中主应力轴心形线旋转、圆形旋转与定向剪切等3类主应力方向变化路径的室内模拟,对比研究了不同试验条件下试样不排水塑性累积变形、孔压、临界动应力比与动强度特性的发展规律,研究表明：（1）不同主应力轴旋转路径下土体临界应力比由低到高依次为主应力轴圆形旋转、主应力轴心形旋转、拉压非等幅三轴路径。与前面临界应力比分布相对应,在轴向累积应变稳定型中,产生的塑性累积变形与极限孔压依次减小;（2）振次大于一定数值时,不同主应力方向变化路径下稳定型试样的轴向累积应变与时间的对数具有良好的线性关系,并依此建立了轴向塑性累积变形方程;（3）与轴向塑性累积变形相对应,动力荷载下土体孔压增长也存在3种发展规律,主应力轴连续旋转路径下临界型破坏的土体孔压-应变时程曲线呈三阶段两相态点模式;（4）在其他条件均相同时,土体在主应力轴圆形旋转路径下强度最小,在主应力轴心形旋转路径下的次之,在拉压非等幅动三轴路径下最高。     

圆形应力路径下软黏土的动力特性试验研究

实际交通荷载作用下,路基土单元内的竖向应力和水平应力大小不断发生变化,剪应力幅值和方向也不断变化,从而导致土体中的应力路径呈现出主应力轴连续旋转的现象。本文通过GDS空心圆柱扭剪仪模拟类似交通荷载作用下的应力路径,开展不同围压和不同循环应力比下的主应力轴连续旋转试验,旨在研究在交通荷载类轴向纯压缩条件下主应力轴方向连续旋转时循环应力比与围压对原状软黏土的强度、累积应变、回弹应变、软化等因素的影响。试验结果表明：随着孔压的不断累积,原状饱和软黏土试样逐渐软化,轴向模量和剪切模量均随着循环应力比和围压的增加逐渐降低,并在主应力轴旋转一定的圈数后达到稳定。当循环应力比较小时,轴向和剪切应力应变滞回曲线均呈线性,不同主应力轴旋转圈数下的轴向和剪切应力应变滞回曲线近乎重合。随着主应力轴旋转圈数的增加,轴向和剪切应力应变滞回曲线越来越表现出明显的非线性,不同旋转圈数下试样的轴向和剪切应力应变滞回圈不再重合且滞回圈逐渐向x轴倾斜。随着循环应力比的增加,在主应力轴连续旋转初期,轴向模量和剪切模量迅速衰减,且随着加载圈数的增加达到稳定,并且试样的轴向模量和剪切模量达到稳定时的主应力轴连续旋转的圈数随循环应力比和围压的增大而不断增大。     

非饱和粉土的液化特性研究

使用非饱和土动三轴试验仪,对非饱和粉土进行动力强度试验,探讨了饱和度、动应力比及固结围压对非饱和粉土动力强度特性、液化特性及孔压特性的影响。试验结果表明：（1）非饱和粉土的动强度随饱和度的增加而下降,在相同动剪应力比下饱和度与液化振次在半对数坐标上成线性关系;（2）非饱和粉土的液化与不液化的临界曲线近似成S型,非饱和粉土的抗液化能力随饱和度增大而降低,当饱和度小于60%时,土样不会液化;（3）非饱和粉土的动孔压随振次增大而增长,孔压的增长呈现出三段式的模式。     

圆形应力路径下软黏土的动力特性试验研究

实际交通荷载作用下,路基土单元内的竖向应力和水平应力大小不断发生变化,剪应力幅值和方向也不断变化,从而导致土体中的应力路径呈现出主应力轴连续旋转的现象。通过GDS空心圆柱扭剪仪模拟类似交通荷载作用下的应力路径,开展不同围压和不同循环应力比下的主应力轴连续旋转试验,旨在研究在交通荷载类轴向纯压缩条件下主应力轴方向连续旋转时循环应力比与围压对原状软黏土的强度、累积应变、回弹应变、软化等因素的影响。试验结果表明：随着孔压的不断累积,原状饱和软黏土试样逐渐软化,轴向模量和剪切模量均随着循环应力比和围压的增加而逐渐降低,并在主应力轴旋转一定的循环次数后达到稳定。当循环应力比较小时,轴向和剪切应力-应变滞回曲线均呈线性,不同主应力轴循环旋转次数下的轴向和剪切应力-应变滞回曲线近乎重合。随着主应力轴循环旋转次数的增加,轴向和剪切应力-应变滞回曲线越来越表现出明显的非线性,不同循环次数下试样的轴向和剪切应力-应变滞回圈不再重合且滞回圈逐渐向x轴倾斜。随着循环应力比的增加,在主应力轴连续旋转初期,轴向模量和剪切模量迅速衰减,且随着循环次数的增加而达到稳定,并且试样的轴向模量和剪切模量达到稳定时的主应力轴连续旋转的循环次数随循环应力比和围压的增大而不断增大。     

动态围压下空心圆柱扭剪仪模拟主应力轴旋转应力路径能力分析

针对英国GDS公司动态空心圆柱扭剪仪（HCA）在主应力轴旋转试验中能够实现三向动态加载（轴力、扭矩、内围压或外围压）的功能,通过严格的数学推导,提出了3种易于实现又与实际工程背景相符合的应力路径加载方式。当三向动载满足相应的条件时,可以实现（1）平均主应力p和剪应力幅值q保持恒定的应力路径（应力路径1）;（2）中主应力参数b = 0.5、剪应力幅值q为常数的应力路径（应力路径2）;（3）平均应力p保持不变、主应力旋转角90º突变的应力路径（应力路径3）,其中应力路径1、2为模拟海洋波浪荷载作用下的应力路径试验提供了理论依据,应力路径3可用于模拟地震荷载作用下的土体动力特性。以上3种应力路径均不能在两向动态HCA仪中实现     

主应力轴旋转条件下冻结黏土的动强度特性北大核心CSCD

研究冻土动强度对寒区工程和人工冻结工程施工及安全性评价具有重要意义。为了揭示主应力轴旋转对冻结黏土动强度特性的影响,利用空心扭剪仪开展不同围压下冻结黏土动三轴和空心扭剪试验,探讨了主应力轴旋转对冻结黏土动强度、动黏聚力和动内摩擦角变化规律的影响。结果表明:主应力轴旋转导致冻结黏土试样的动强度降低,围压越低主应力轴旋转对动强度影响效果就越明显;随着震动次数的增多,主应力轴旋转条件下冻结黏土动黏聚力衰减速度相对于主应力方向固定时加快;不同于主应力轴方向固定条件下动内摩擦角随震动次数增多而衰减的特点,在主应力轴旋转条件下动内摩擦角随震动次数增多而增大。另外,研究显示主应力轴旋转条件下动强度、动黏聚力和动内摩擦角均与震动次数的对数呈良好的线性关系,用线性方程对其进行了拟合,并给出拟合系数和确定系数。     

初始剪应力对饱和粉土液化大变形特性的影响

由于斜坡场地存在初始剪应力的作用,在强地震动作用下比水平场地更易发生液化大变形破坏,研究初始剪应力对土体液化大变形特性的影响是必要的。以饱和粉土为研究材料,开展了一系列单幅剪应变达到50%的循环扭剪试验。试验结果表明:在初始剪应力和循环剪应力的共同作用下,饱和粉土试样均发生孔压达到有效围压的零有效应力状态现象,累计变形呈平缓—急剧的发展模式,土体大变形的产生机制可区分为2种:循环液化和应变累计。随着初始剪应力比的增加,饱和粉土的循环强度呈现先减小后增大的特征,且在初始剪应力比接近循环应力比CSR时其循环强度最低。     

Monotonic and cyclic characteristics of K0-Consolidated saturated soft clay under a stress path involving a variable confining pressure

In certain field conditions such as offshore projects under wave loads or embankments under traffic loads, both the vertical and horizontal stresses are variable. However, previous investigations rarely considered the variation in horizontal stress. To better understand the characteristics of natural saturated soft clay, a series of monotonic and cyclic triaxial tests with a K₀-consolidation state were carried out under a variable confining pressure (VCP) stress path. The development of axial strain, pore water pressure and effective stress path is analysed. The results show that with the increase in η (the ratio of the variation in the mean effective principal stress to that of the deviatoric stress), the undrained shear strength (q_f) decreases continuously. The pore water pressure generation is slightly improved under a stress path with increasing confining pressure. Based on the test results, a unified formula was established to predict the pore water pressure under VCP stress paths. The unique p–q–e relationship of normally consolidated clay in monotonic VCP triaxial tests was also demonstrated. Under VCP stress paths, the amplitude of the pore pressure increases, and the effective stress path tilts more sharply to the right. Moreover, a unified formula was established that can provide a good reference for predicting effective stress paths under cyclic VCP triaxial tests.

     

不同应力路径下土石混填体变形力学特性大型三轴试验研究

为更加全面地掌握土石混填体的变形、力学特性,采用大型三轴剪切仪分别在常规路径、等应力比路径和等p路径下对不同含石量的土石混填体进行了一系列试验研究。试验结果表明,在低围压下土石混填体的应变软化特征并不明显,其黏聚力普遍较低,而内摩擦角则较高,随试样的含石量从25%增加到70%,其内摩擦角和变形模量亦会随之增加。土石混填体在常规路径和等p路径下的应力-应变关系曲线比较相似,其所求得的抗剪强度指标亦比较接近;而等应力比路径下的应力-应变关系曲线的形态和发展过程均与之存在明显差别。土石混填体在常规路径下具有低压剪胀和高压剪缩的特性,含石量越高,低压剪胀性越明显,反之,则高压剪缩性更为显著;等应力比路径下试样的体积应变与轴向应变之间近似呈线性关系,其斜率随应力比增加而减小;等p路径下试样则是以剪胀性为主,尤其在平均主应力较低时更为显著。     

循环荷载下考虑主应力旋转的软土力学响应研究

目前用于轨道路堤分析计算的参数多是通过三轴试验获得,而列车荷载经过时土单元应力路径与循环三轴试验加载路径的显著差异可能导致预测失真而引发工程问题。针对某城市轨道进行了三维计算,并分析了移动列车荷载下土单元应力幅值、循环周数、主应力轴旋转的分布规律。在该基础上,采用空心圆柱循环扭剪试验对该复杂应力路径进行了模拟,研究了饱和软黏土的孔压及变形累积特性。结果表明,列车荷载经过时地基土单元大主应力将在(－90°, 90°)内发生旋转;该主应力轴旋转将显著促进软黏土孔压和应变的累积,竖向应力幅值为15 kPa时,循环扭剪试验产生的孔压值比循环三轴试验高77%,累积应变增大了近50%;随着循环应力水平提高,二者累积孔压及累积应变的差值还会进一步增大,甚至出现循环三轴下仅产生较小应变而循环扭剪下已破坏的本质性差异。     

四向振动空心圆柱扭剪仪模拟主应力轴旋转应力路径能力分析

主应力轴旋转对土体的动力特性有着显著影响。利用GDS动态空心圆柱扭剪仪（HCA）能够实现内围压、外围压、轴力和扭矩四向动态加载的功能,提出了3种主应力方向变化的应力路径加载方式,分析了3种应力路径在实际工程中的应用,并进行了试验验证。当四向动载根据推导的波形函数加载时,可以实现：① 平均主应力p、中主应力系数b和偏应力q保持恒定,主应力轴循环旋转的应力路径;② 平均应力p和中主应力系数b保持不变,偏应力q循环变化,而主应力方向角? = 90°突变的应力路径;③ 平均主应力p、中主应力系数b保持不变,偏应力q、主应力方向角α连续变化的应力路径。应力路径①为模拟海洋波浪荷载作用下的应力路径试验提供了理论依据,应力路径②可用于模拟不同方向地震荷载的作用,应力路径③可以模拟波浪荷载作用下桩周土体的应力路径以及交通荷载作用下的应力路径。     

不同应力路径下饱和重塑黄土的力学特性

土体的力学特性往往因应力状态和应力路径而异。为了探讨垂直加载和等剪路径下饱和土的力学特性,制备饱和重塑黄土试样,通过固结不排水（CU）和常剪应力排水剪（CSD）三轴试验,分别测定并绘制其应力-应变曲线、孔隙水压力变化曲线和应力路径曲线。试验结果表明,饱和重塑黄土在2种路径下有明显不同的变形特点:CU路径下的应力-应变曲线皆呈弱软化型,孔隙水压力先快速上升后逐渐趋于稳定;CSD路径下维持偏应力为一常量,施加孔隙水压力后的很长时间内试样变形很小,当孔隙水压力增大至试验围压的60%~75%时,试样迅速破坏。CSD路径无偏应力峰值,文中根据轴应变随平均有效应力变化曲线定义了等效峰值破坏线。通过对比发现,2种路径下饱和重塑黄土的有效峰值强度指标差异明显,而有效残余强度指标相近,表明有效残余强度指标是重塑黄土内在属性,受应力路径的影响不大。该研究结果可为实际工程选取正确的应力路径试验提供参考。     

不同应力路径下饱和黏土耦合循环剪切特性

地基土单元体在波浪荷载的作用下将发生主应力轴连续旋转,这对土的强度和变形特性会产生显著的影响。针对饱和黏土,利用土工静力－动力液压三轴－扭转多功能扭剪仪进行了均等固结下的耦合循环剪切试验,着重研究了不同循环应力路径对应力-应变关系和强度特性的影响。试验结果表明,耦合循环荷载下黏土扭转剪切分量和正向偏差分量的应力-应变关系曲线与应力路径有关,且随着振动次数的增加逐渐疏松,割线模量 和 不断衰减,这与不固结不排水条件下的应力-应变关系曲线的变化规律明显不同;扭转剪切分量大的椭圆应力路径的动强度略小于正向偏差分量大的动强度。饱和黏土在不同应力路径下的力学特性的试验研究可以为建立复杂应力路径下的本构模型提供试验依据。