黃土各向異性強(qiáng)度規(guī)律的真三軸試驗研究.pdf

1、土的各向異性及其宏觀力學(xué)效應(yīng)是目前國內(nèi)外土力學(xué)領(lǐng)域內(nèi)高度關(guān)注的問題之一。各向異性的破壞及演化發(fā)展必然對土的強(qiáng)度和變形特性具有重要的影響。本文在改進(jìn)和更新西安理工大學(xué)真三軸儀的基礎(chǔ)上，以陜西西安白鹿塬邊坡Q3黃土為研究對象，采用黃土邊坡的原狀土沿豎向裂隙向、卸荷邊坡走向和邊坡傾向分別測試構(gòu)度指標(biāo)、強(qiáng)度指標(biāo)和初始變形模量，揭示了黃土的各向異性特征，分析了各向異性對土的強(qiáng)度變化規(guī)律的影響機(jī)理；在回顧以往土的各向異性研究方法、各向異性參數(shù)和各向

2、異性破壞準(zhǔn)則研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)土的天然沉積形態(tài)及應(yīng)力空間內(nèi)強(qiáng)度變化關(guān)系，沿黃土邊坡豎向、邊坡走向和傾向分別施加大主應(yīng)力，開展應(yīng)力空間六個域不同固結(jié)圍壓、不同中主應(yīng)力比值的真三軸試驗，進(jìn)一步揭示黃土的各向異性對剪切變形特性和強(qiáng)度特性的影響規(guī)律；通過對已有強(qiáng)度準(zhǔn)則的分析和討論，結(jié)合土的實際各向異性強(qiáng)度破壞面試驗結(jié)果，考慮空間滑動面從三軸壓縮到三軸擠伸隨Lode角的旋轉(zhuǎn)，和應(yīng)力空間靜水壓力軸的旋轉(zhuǎn)，建立了兩種橫觀各向同性強(qiáng)度準(zhǔn)則，并與真三軸試

3、驗結(jié)果比較，表明兩種橫觀各向同性強(qiáng)度準(zhǔn)則對于黃土的橫觀各向同性規(guī)律的描述具有適用性。通過本文的研究，得出如下的結(jié)論：
　?。?）改進(jìn)和完善了西安理工大學(xué)真三軸儀的量測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。通過穿越壓力室側(cè)壁及液壓囊乳膠膜套筒滑移密封機(jī)構(gòu)，增加了試樣水平面內(nèi)正交兩向四個側(cè)面變形的直接量測，與液壓囊體變間接量測技術(shù)配套，提高了試樣變形量測精度；改變了原有功控機(jī)配合采集卡的傳統(tǒng)控制模式，實現(xiàn)了自動控制系統(tǒng)硬件和軟件的更新，提高了試驗機(jī)系統(tǒng)量測

4、與控制技術(shù)水平。
　?。?）針對黃土的各向異性，采用黃土邊坡的原狀土沿豎向裂隙向、卸荷邊坡走向和邊坡傾向分別測試的構(gòu)度指標(biāo)、強(qiáng)度指標(biāo)和初始變形模量，揭示了黃土的各向異性特征。具體地，黃土豎向構(gòu)度指標(biāo)較正交水平兩向構(gòu)度提高約150％左右。隨著固結(jié)圍壓的增大，原狀黃土破壞狀態(tài)的各向異性強(qiáng)度變化逐漸消除；飽和原狀黃土在剪切作用下誘發(fā)各向異性?？辜魪?qiáng)度的各向異性主要體現(xiàn)在粘聚強(qiáng)度的差異，其差異達(dá)20-30%；摩擦強(qiáng)度影響不大。通過分析粘聚

5、力和摩擦角與構(gòu)度指標(biāo)的相互關(guān)系，表明土的抗剪強(qiáng)度與其初始結(jié)構(gòu)性構(gòu)度指標(biāo)存在一致性。豎向方向初始切線模量較水平面正交兩向增大1.8倍左右，原狀黃土也具有變形各向異性特征。
　?。?）利用西安理工大學(xué)真三軸儀，沿黃土邊坡豎向、邊坡走向和傾向分別施加大主應(yīng)力，開展應(yīng)力空間六個域不同固結(jié)圍壓、不同中主應(yīng)力比值的真三軸試驗，測試了主應(yīng)力差隨應(yīng)變的變化關(guān)系、全面地分析了子午平面和π平面上不同應(yīng)力空間域的變化規(guī)律；揭示不同應(yīng)力空間域子午平面的強(qiáng)

6、度線呈線性關(guān)系；同一平均球應(yīng)力隨中主應(yīng)力比值增大而減??；π平面上豎向作用大主應(yīng)力空間域的強(qiáng)度明顯大于其他空間域，但隨著平均球應(yīng)力增大，兩者的差異逐漸減??；得到了應(yīng)力空間域的各向異性強(qiáng)度面，揭示黃土的各向異性強(qiáng)度破壞面與橫觀各向同性強(qiáng)度破壞面近似一致。
　?。?）進(jìn)行了不同空間域強(qiáng)度破壞面與SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則、AC-SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則以及3√σ?SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則的比較，揭示各向同性的AC-SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則和3√σ?SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則原狀黃土強(qiáng)度特征

7、的描述具有一定適用性。
　?。?）從原狀黃土豎向裂隙影響空間滑動面旋轉(zhuǎn)的特征出發(fā)，假定三軸壓縮空間滑動面到三軸擠伸空間滑動面隨羅德角呈線性變化關(guān)系，依據(jù)旋轉(zhuǎn)空間滑動面上剪應(yīng)力與正應(yīng)力比為常數(shù)，建立了豎向裂隙黃土橫觀各向同性條件下空間滑動面旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則考慮了豎向裂隙對強(qiáng)度性狀的影響，在八面體平面上呈圓角曲邊三角形，與真三軸試驗測試強(qiáng)度變化規(guī)律也具有近似一致性。
　?。?）通過軸對稱壓縮空間滑動面強(qiáng)度準(zhǔn)則和3√σ?

8、SMP空間滑動面強(qiáng)度準(zhǔn)則和歐拉旋轉(zhuǎn)定理，分別建立了靜水壓力軸旋轉(zhuǎn)的橫觀各向同性強(qiáng)度準(zhǔn)則。并將橫觀各向異性強(qiáng)度準(zhǔn)則與試驗結(jié)果驗證了準(zhǔn)則的合理性。說明建立的強(qiáng)度準(zhǔn)則具有理論依據(jù)和實際意義。
　　本文得到了國家自然科學(xué)基金“黃土的結(jié)構(gòu)性力學(xué)特性及其變形與漸進(jìn)破壞分析方法研究”（No.41272320）陜西省教育廳省級重點實驗室項目（No.2010JS084）以及教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目（No.20106118110011