飽和砂土單調(diào)剪切特性與循環(huán)體變規(guī)律的試驗研究.pdf

1、實際建筑物地基的初始應力狀態(tài)復雜多樣，而且現(xiàn)場施工同樣會引起土體應力條件的改變。在靜荷載作用下地基會依賴于這種初始固結狀態(tài)，產(chǎn)生較大的變形；當進一步受到地震、波浪等瞬時或循環(huán)荷載作用時，由于初始應力狀態(tài)不同，地基或海床中各點的動力變形與強度將更為復雜。同時，剪脹性是土最為重要的基本力學特性之一，研究循環(huán)荷載作用下土的體變發(fā)展規(guī)律對建立應力一剪脹方程具有重要的理論與實際意義。因此，在評價建筑物地基或海床穩(wěn)定性時，必須考慮到各向非均等的復雜

2、初始應力狀態(tài)和多變的加載模式來預測土的變形與強度特性。然而，由于土工實驗技術的限制，常規(guī)三軸剪切試驗及扭轉剪切試驗等傳統(tǒng)土工試驗無法實現(xiàn)上述研究目的。 為此，大連理工大學與日本誠研舍株式會社合作，設計并研制了“土工靜力-動力液壓三軸一扭轉剪切儀”于2001年起投入使用。這套土工試驗系統(tǒng)具有軸向偏差正應力與環(huán)向剪應力耦合加載功能，能夠實現(xiàn)不同的初始復雜固結狀態(tài)，完成多種靜力與動力剪切試驗。事實證明，該設備的技術水平成熟，試驗數(shù)據(jù)真

3、實可信，累積了豐富經(jīng)驗。以此為基礎，本文將飽和的福建標準砂作為研究對象，充分利用設備的軸向荷載、扭矩和內(nèi)、外室壓力可獨立控制功能，設計了大量復雜應力條件的試驗，進而對單調(diào)、循環(huán)剪切荷載作用下砂土的變形與強度特性進行了較為全面的系統(tǒng)分析。另一方面，以現(xiàn)有設備為基礎，力圖開發(fā)新的三軸設備，發(fā)展更為實用的試驗測試技術。這些研究工作的開展不僅為促進土力學科與海洋土力學科的發(fā)展奠定堅實的試驗基礎，具有較強的理論意義，而且對于改進重大工程結構及地基

4、設計具有重要的實際參考價值。 為了探討主應力方向、中主應力系數(shù)和初始偏應力比及相對密度等復雜應力條件和初始物理狀態(tài)對飽和砂土變形與強度特性的影響，以及應力路徑變化對砂土力學性狀的影響，進行了排水與不排水的單調(diào)剪切試驗；同時通過循環(huán)扭剪試驗，研究了循環(huán)荷載作用下砂土的體變規(guī)律。這些均為建立更為合理的本構模型提供了良好的數(shù)據(jù)基礎。 通過單調(diào)剪切試驗，較為全面地探討了各種因素對飽和砂土單調(diào)剪切特性的影響。著重考察主應力方向、中

5、主應力系數(shù)、初始固結應力比、相對密度和加載速率等因素對砂土剪切特性和強度指標的單獨或耦合影響；并將排水與不排水的試驗數(shù)據(jù)比較，分析了兩者之間的異同。研究表明，主應力方向對剪切特性的影響顯著，在排水試驗中，不同主應力方向角對應的應力一應變關系的變化規(guī)律，取決于水平面與豎直面上受到的剪應力作用，相變及峰值偏應力比與主應力方向角之間存在拋物線型關系；而不排水試驗的峰值有效偏應力比隨著主應力方向角的增大而減小。無論排水還是不排水試驗，中主應力系

6、數(shù)均對歸-化的應力-應變關系具有影響，但對體變或孔壓的影響相對較小，初始條件相同時偏應力比隨中主應力系數(shù)的增大而降低。同時，主應力方向、中主應力系數(shù)相同，排水條件改變會影響試驗得到的抗剪強度指標；并結合試驗結果，基于廣義雙剪應力準則，引入考慮主應力方向影響程度的權重系數(shù)，推廣為考慮中主應力系數(shù)和主應力方向耦合影響的強度指標表達式。另外，通過開展應力路徑變化對砂土力學性狀影響的研究發(fā)現(xiàn)，平均主應力一定，排水時應力路徑的改變，對砂土的剪切強

7、度幾乎沒有影響，但會影響小變形范圍內(nèi)的應力應變特性，表現(xiàn)為彈性軌跡的不同；結合試驗數(shù)據(jù)，引入能夠反映應力路徑變化的主要狀態(tài)參數(shù)，給出了三維空間中砂土受到前期應力歷史作用所形成的彈性邊界表達式。在循環(huán)扭剪試驗中，對于不同試驗條件，探討了飽和砂土在循環(huán)剪切作用下的體變規(guī)律。研究結果表明，在排水條件下，飽和砂土的體變特性依賴于初始固結應力比、平均有效應力和相對密度等。隨著循環(huán)作用次數(shù)的增加，不斷累積的體應變恰恰能夠反映出上述因素的綜合影響。砂

8、土受到等幅循環(huán)荷載作用的體應變表現(xiàn)為：“C型剪縮-D型剪脹-Cf型卸載體縮”三種類型的周期性交替變化，建立了各類型體應變與偏應力比之間的線性關系及相關參數(shù)的確定方法。跟蹤往返荷載變化，區(qū)分加、卸載時對應的不同模式，可通過相應關系式得到砂土的體變發(fā)展規(guī)律。 此外，在學?！?11工程”重點學科“海洋和近海工程”建設計劃的支持下，查閱大量土工試驗設備的相關數(shù)據(jù)資料，提出設計思想，與天水紅山試驗機有限公司合作，共同探討實現(xiàn)軸一側雙向任意

9、相位差耦合振動加載的可能性。逐步明確"SSDHTS-V20-H3型全自動土工靜力一動力液壓多功能三軸剪切儀”的總體性能要求和技術參數(shù)，確定設計方案，找出關鍵的技術問題并著力解決。經(jīng)過四年多的艱苦努力，共同研制開發(fā)出這臺既適用于科學研究又滿足于工程需要的新型振動三軸儀。 該儀器具備多種試驗功能，在土工試驗中的適用性廣泛。它不僅兼?zhèn)溆衅胀o三軸、動三軸儀的試驗功能，還可以進行多種復雜應力路徑條件下的雙向循環(huán)耦合試驗；最多能夠實現(xiàn)三個