主應(yīng)力方向變化下軟粘土各向異性和非共軸特性試驗(yàn)研究.pdf

1、在實(shí)際工程中（邊坡工程、交通工程和海洋工程等），地基土體單元在固結(jié)和受力過程中不僅主應(yīng)力大小會發(fā)生改變，主應(yīng)力方向也會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，主應(yīng)力方向發(fā)生變化就涉及到土體在不同方向上的力學(xué)特性。由于沉積條件、顆粒取向以及加載條件等差異，土體在不同的方向上的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、強(qiáng)度等力學(xué)特征都會表現(xiàn)出一定的各向異性。在主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)過程中，土體的另一個重要特性就是塑性應(yīng)變增量方向與主應(yīng)力方向不共軸，即應(yīng)力應(yīng)變非共軸現(xiàn)象。在實(shí)際工程中，如果忽略土體非共軸特性的

2、影響可能會低估土體的變形而使工程設(shè)計偏于不安全。考慮主應(yīng)力方向變化的土體各向異性和非共軸特性研究，旨在更加全面地還原土體更真實(shí)的受力狀態(tài)，了解和探究土體在實(shí)際工程受力條件下的服役性能。
　　我國東部沿海地區(qū)是交通工程、海洋工程等大型工程的密集分布區(qū)，這一區(qū)域廣泛分布著深厚的軟粘土層。而目前考慮主應(yīng)力軸方向變化的土體各向異性和非共軸特性的研究中，粘性土的研究還是偏少。除此之外，考慮排水條件對非共軸特性的影響和偏應(yīng)力大小與主應(yīng)力方向耦

3、合變化的試驗(yàn)研究也偏少。所以需要開展考慮主應(yīng)力軸方向變化（旋轉(zhuǎn)）條件下軟粘土的各向異性和非共軸特性試驗(yàn)研究，這對準(zhǔn)確預(yù)測主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)條件下土體的變形、探究軟粘土地基災(zāi)變發(fā)展機(jī)理以及災(zāi)變控制等至關(guān)重要。
　　本文以溫州軟粘土為研究對象，通過一系列的室內(nèi)單元體試驗(yàn)探究考慮主應(yīng)力方向變化（旋轉(zhuǎn)）條件下軟粘土的各向異性和非共軸特性。本文的主要研究工作和研究成果如下:
　　1.利用泥漿加壓固結(jié)法的原理，研發(fā)了一套新型的K0條件下制備大

4、直徑軟粘土試樣的試驗(yàn)裝置和制樣方法。該制樣設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)在最高達(dá)到800kPa的高壓力條件下比較快速地制得均勻的大直徑軟粘土試樣，為土工試驗(yàn)提供試樣。在制樣完成之后，利用含水率試驗(yàn)、密度試驗(yàn)和固結(jié)試驗(yàn)對該設(shè)備所制得的試樣進(jìn)行了均勻性檢驗(yàn)和可重復(fù)性檢驗(yàn)，結(jié)果表明通過該制樣設(shè)備制得的軟粘土試樣具有良好的均勻性和可重復(fù)性。
　　2.通過在與沉積方向呈不同夾角的方向上進(jìn)行取樣，對這些試樣進(jìn)行固結(jié)、滲透和三軸試驗(yàn)，以探索軟粘土的壓縮、滲透、孔

5、壓、強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系等特性隨著取樣方向的變化關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明:軟粘土壓縮特性的各向異性是不可忽視的，越接近沉積方向取樣，孔隙比變化越小，即壓縮性相對較差;相反，越遠(yuǎn)離沉積方向取樣，試樣的壓縮性越好。對于滲透系數(shù)，越接近平行和垂直方向取樣的軟粘土滲透系數(shù)越大，越接近于45°方向上取樣的軟粘土滲透系數(shù)越小。軟粘土在沉積方向的強(qiáng)度最大;越偏離沉積方向，強(qiáng)度越小;垂直于沉積方向取樣的軟粘土試樣強(qiáng)度最小。不同取樣方向試樣偏應(yīng)力峰值的連線為一條

6、過原點(diǎn)的直線，其斜率為1.17，溫州軟粘土的有效內(nèi)摩擦角為29.3°。
　　3.利用GDS空心圓柱系統(tǒng)在不排水和排水條件下，對軟粘土進(jìn)行不同大主應(yīng)力方向的剪切試驗(yàn)，從孔壓發(fā)展、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和應(yīng)力應(yīng)變非共軸現(xiàn)象等角度研究軟粘土的各向異性，同時分析了中主應(yīng)力系數(shù)對于軟粘土的上述特性的影響和排水條件對于軟粘土非共軸特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:大主應(yīng)力方向角對于應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、有效應(yīng)力路徑和孔壓發(fā)展有著明顯的影響。軟粘土在主應(yīng)力方向固定的剪切

7、過程中，當(dāng)大主應(yīng)力方向角在0°、45°和90°時（純壓、純扭和“純拉”狀態(tài)），基本不體現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變非共軸特性。當(dāng)大主應(yīng)力方向角小于45°，大主應(yīng)變增量方向角大于大主應(yīng)力方向角;當(dāng)大主應(yīng)力方向角大于45°，大主應(yīng)變增量方向角小于大主應(yīng)力方向角，即大主應(yīng)變增量的方向總向45°方向偏離。排水條件對于軟粘土非共軸特性有一定的影響，不排水條件下的非共軸現(xiàn)象相對于排水條件更加顯著。
　　4.利用GDS空心圓柱系統(tǒng)在不排水條件下，對飽和軟粘土進(jìn)行

8、了主應(yīng)力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)和偏應(yīng)力大小與主應(yīng)力方向耦合變化的試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)過程中設(shè)定了不同的偏應(yīng)力值和不同的中主應(yīng)力系數(shù)，在試驗(yàn)結(jié)果中分析了在主應(yīng)力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)條件下偏應(yīng)力值、中主應(yīng)力系數(shù)和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)對于軟粘土孔壓發(fā)展、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和應(yīng)力應(yīng)變非共軸等特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:主應(yīng)力軸的旋轉(zhuǎn)會引起土樣內(nèi)孔隙水壓力的增大，同時土體單元軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變、切向應(yīng)變和剪切應(yīng)變都呈現(xiàn)出一定的周期性。在主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)過程中，大主應(yīng)力方向角與大主應(yīng)變增量方向角之