預(yù)剪對飽和松砂剪切特性的影響及亞塑性邊界面本構(gòu)模型改進(jìn).pdf

1、土是最常用的土木工程材料之一，針對其強(qiáng)度與變形特性的研究對實際工程應(yīng)用具有十分重要的意義。而由于土體所經(jīng)受的應(yīng)力歷史具有較大的差異并且其后期的受力狀態(tài)也十分復(fù)雜，這些影響因素必然會造成土體微觀結(jié)構(gòu)的劇烈變化與各向異性，從而強(qiáng)烈地影響著土材料的強(qiáng)度與變形特性。以波浪荷載為例，波浪荷載具有周期長，荷載作用時間長等特點(diǎn)，而且其作用比較頻繁，這使得海工結(jié)構(gòu)及其地基土體在經(jīng)受較大波浪荷載作用，并導(dǎo)致破壞之前已經(jīng)受到若干小振幅波浪荷載作用，形成所謂

2、的循環(huán)預(yù)剪作用。這些前期波浪荷載的循環(huán)預(yù)剪作用勢必將對海床土體產(chǎn)生明顯的影響。另外，建筑物地基內(nèi)各個部位處土單元的應(yīng)力狀態(tài)也是各不相同的，沿著某一潛在滑動面，各點(diǎn)的初始主應(yīng)力方向隨其位置而改變。而且，飽和彈性孔隙介質(zhì)理論分析表明：波浪等循環(huán)荷載在土體中所產(chǎn)生的循環(huán)應(yīng)力的主要特點(diǎn)之一是正應(yīng)力偏差與剪應(yīng)力所形成的循環(huán)偏應(yīng)力的幅值保持不變，而主應(yīng)力方向發(fā)生了連續(xù)旋轉(zhuǎn)，這也將對土的強(qiáng)度與變形特性產(chǎn)生顯著的影響。因此，作為建筑物地基穩(wěn)定性評價中的

3、一個基本而重要問題，探討砂土的變形與強(qiáng)度特性時必須考慮應(yīng)力歷史的影響以及各向非均等的復(fù)雜初始應(yīng)力狀態(tài)和復(fù)雜的循環(huán)應(yīng)力變化模式。然而，由于土工實驗技術(shù)的限制，三軸剪切試驗及扭轉(zhuǎn)剪切試驗等傳統(tǒng)的土工試驗無法完全實現(xiàn)上述的復(fù)雜初始應(yīng)力條件和復(fù)雜加載模式。為此，大連理工大學(xué)于2001年起對于自日本誠研舍株式會社引進(jìn)的“土工靜力—動力液壓—三軸扭轉(zhuǎn)多功能剪切儀”進(jìn)行了不斷的開發(fā)與完善，這套新型土工試驗系統(tǒng)可以同時施加和獨(dú)立地控制軸向壓力W、扭矩M

4、T、外室壓力Po與內(nèi)室壓力Pi及其組合。由此可重現(xiàn)土在不同復(fù)雜應(yīng)力條件下的固結(jié)及加載路徑。以此為基礎(chǔ)，本文針對飽和松砂，進(jìn)行了大量的考慮靜力預(yù)剪與循環(huán)預(yù)剪作用的單調(diào)剪切試驗與循環(huán)剪切試驗研究，進(jìn)而針對不同形式的靜力預(yù)剪與循環(huán)預(yù)剪作用對飽和砂土的變形與強(qiáng)度特性進(jìn)行了比較全面而系統(tǒng)的分析。并在原有亞塑性邊界面模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)有的試驗結(jié)果建立起相關(guān)模型參數(shù)與主應(yīng)力方向角之間的函數(shù)關(guān)系，在原有亞塑性邊界面本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使之能夠考

5、慮主應(yīng)力方向角對飽和松砂單調(diào)剪切特性影響的。 為了探討靜力預(yù)剪作用對飽和砂土循環(huán)剪切特性的影響，分別針對實心圓柱狀試樣和空心圓柱狀試樣進(jìn)行了不同方式靜力預(yù)剪作用的循環(huán)三軸剪切試驗。 對于實心圓柱狀試樣，分別針對均等固結(jié)條件、二向非均等固結(jié)條件和K0固結(jié)條件進(jìn)行了循環(huán)三軸剪切試驗，并通過試驗探討了固結(jié)應(yīng)力比與固結(jié)方式對飽和砂土循環(huán)剪切特性的影響。試驗研究表明，周圍壓力對靜止側(cè)壓力系數(shù)K0的測定有一定的影響，但是隨著周圍壓力

6、的不斷增加，其對K0值的影響也越來越小。固結(jié)應(yīng)力比與固結(jié)方式的不同對飽和砂土的循環(huán)剪切特性具有較大的影響。均等固結(jié)條件下的應(yīng)變是對稱發(fā)展的，且振動初期應(yīng)變發(fā)展不明顯，將要達(dá)到破壞時發(fā)展比較明顯，而由于固結(jié)過程中靜力預(yù)剪作用的影響，二向非均等固結(jié)和K0固結(jié)條件下的應(yīng)變主要向初始預(yù)剪的方向不斷累積，加載初期應(yīng)變發(fā)展較快，后期則逐漸趨于穩(wěn)定。另外，二向非均等固結(jié)條件下，在動應(yīng)力施加的第一周，隨著豎向應(yīng)力的增加，試樣產(chǎn)生較大的正孔隙水壓力，而K

7、0固結(jié)條件下，在動應(yīng)力施加的第一周，隨著豎向應(yīng)力的增加，試樣的孔隙水壓力發(fā)展方向卻與前者截然相反，產(chǎn)生了較大的負(fù)孔隙水壓力。分析其原因主要是兩種固結(jié)方式的不同固結(jié)過程造成的。 對于空心圓柱狀試樣，分別針對初始固結(jié)主應(yīng)力方向角α0=0°、30°、45°、60°和90°時進(jìn)行了循環(huán)三軸剪切試驗。試驗研究表明，不同初始主應(yīng)力方向角的靜力預(yù)剪作用對飽和砂土不排水循環(huán)三軸剪切條件下的應(yīng)力—應(yīng)變發(fā)展模式以及各應(yīng)變分量的發(fā)展均具有較為顯著的影

8、響。 為了探討飽和砂土未發(fā)生液化條件下的循環(huán)預(yù)剪作用對飽和砂土液化強(qiáng)度的影響，分別針對實心圓柱狀試樣和空心圓柱狀試樣進(jìn)行了循環(huán)三軸剪切試驗和考慮主應(yīng)力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)的軸向—扭轉(zhuǎn)雙向耦合剪切試驗。試驗研究表明，循環(huán)預(yù)剪作用對孔隙比的影響并不大，在循環(huán)三軸試驗中，孔隙比的變化幅度不超過0.2％，而在循環(huán)耦合試驗中，其變化幅度也未超過0.3％。因此，較小的孔隙比變化不足以引起飽和砂土液化強(qiáng)度的較大改變。另外，無論是循環(huán)三軸試驗還是循環(huán)耦合

9、試驗，無論是均等固結(jié)條件還是非均等固結(jié)條件，在未發(fā)生液化條件下，循環(huán)預(yù)剪作用對土體的應(yīng)變發(fā)展特性和孔隙水壓力發(fā)展模式影響較小，而對飽和砂土二次加載液化強(qiáng)度卻有較為顯著的提高，尤其當(dāng)循環(huán)預(yù)剪應(yīng)力幅值較大時，砂土液化強(qiáng)度提高的更為顯著。分析其原因，主要是由于砂土孔隙的均勻化以及砂土顆粒間咬合作用的增強(qiáng)使飽和砂土形成了更為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。 為了探討靜力預(yù)剪作用與循環(huán)預(yù)剪作用對飽和砂土單調(diào)剪切特性的影響，針對實心圓柱狀試樣進(jìn)行了循環(huán)預(yù)剪后固

10、結(jié)排水的不排水單調(diào)剪切試驗與循環(huán)預(yù)剪后不固結(jié)排水的不排水單調(diào)剪切試驗，針對空心圓柱狀試樣進(jìn)行了考慮不同初始固結(jié)狀態(tài)與加載方式的單調(diào)剪切試驗。試驗研究表明，飽和砂土在經(jīng)受循環(huán)預(yù)剪作用后，無論是固結(jié)排水后再進(jìn)行單調(diào)剪切加載，還是不固結(jié)排水，在存在殘余孔隙水壓力的條件下直接進(jìn)行單調(diào)剪切加載試驗，當(dāng)預(yù)剪過程中試樣未發(fā)生液化破壞時，循環(huán)預(yù)剪作用對飽和砂土后期的單調(diào)剪切特性影響并不顯著。發(fā)展過程都是在剪切加載的初期飽和砂土發(fā)生剪縮，而后發(fā)生剪脹，整

11、體上呈現(xiàn)硬化變形的特征，并最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。而當(dāng)飽和砂土在循環(huán)預(yù)剪過程中發(fā)生液化破壞時，其對后期的單調(diào)剪切加載特性具有十分顯著的影響。在剪切過程中，試樣均呈現(xiàn)出十分明顯的剪脹特性，孔隙水壓力以下降為主。 另外試驗結(jié)果表明，當(dāng)飽和砂土試樣具有水平沉積面時，初始固結(jié)主應(yīng)力方向與剪切方向的不同組合形成了單調(diào)剪切過程中總的主應(yīng)力方向的不同，從而顯著地影響著飽和砂土不排水單調(diào)剪切特性。當(dāng)總的主應(yīng)力方向不斷發(fā)生變化時，剪切過程中任意時刻飽和

12、砂土所表現(xiàn)出的單調(diào)剪切特性也不相同。 為了能夠考慮初始固結(jié)主應(yīng)力方向與單調(diào)剪切方向的各種組合所產(chǎn)生的剪切過程中變化的總主應(yīng)力方向?qū)︼柡蜕巴羻握{(diào)剪切特性的影響，根據(jù)現(xiàn)有的試驗結(jié)果建立起相關(guān)參數(shù)與主應(yīng)力方向角之間的函數(shù)關(guān)系，并將其重新應(yīng)用到亞塑性邊界面模型之中，進(jìn)而與部分試驗實測所得到的結(jié)果進(jìn)行了對比分析，由此論證了所改進(jìn)的亞塑性邊界面模型的適用性。對比分析表明所改進(jìn)和推廣的本構(gòu)模型能夠合理地反映出不同初始固結(jié)主應(yīng)力方向和單調(diào)剪切方