主應(yīng)力連續(xù)旋轉(zhuǎn)下軟粘土非共軸變形特性試驗(yàn)和模型研究.pdf

1、主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)普遍存在于巖土工程中，地基土體經(jīng)歷交通荷載、波浪荷載、多向地震作用等動(dòng)荷載作用后，作用于土體單元上的主應(yīng)力方向會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn)。主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)的影響也早已引起了廣大研究者的關(guān)注，隨著空心圓柱扭剪儀在土工試驗(yàn)中的使用，目前國(guó)內(nèi)外的研究者對(duì)主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)條件下土體的變形特性和本構(gòu)模擬方面開(kāi)展了廣泛的研究。主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中土體的一個(gè)重要特性就是塑性應(yīng)變?cè)隽糠较蚺c應(yīng)力方向不共軸。在實(shí)際工程中，如果忽略土體非共軸特性的影響可能會(huì)低估土體

2、的變形而使工程設(shè)計(jì)偏于不安全。但目前有關(guān)主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)的土體非共軸研究主要還是集中在砂土，應(yīng)力路徑也以主應(yīng)力軸小幅旋轉(zhuǎn)為主。無(wú)論在試驗(yàn)研究還是理論研究方面對(duì)于軟粘土在主應(yīng)力軸連續(xù)純旋轉(zhuǎn)條件下的非共軸變形特性的研究還都比較少。合理考慮土體的非共軸特性對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)條件下土體的變形又至關(guān)重要。為此急待豐富與完善考慮主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)條件下軟粘土非共軸變形特性的研究，以適應(yīng)軟土地區(qū)面臨的越來(lái)越復(fù)雜的巖土工程問(wèn)題。本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，分

3、別從試驗(yàn)研究、規(guī)律分析總結(jié)、模型建立等三個(gè)方面開(kāi)了考慮主應(yīng)力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)影響的軟粘土非共軸變形特性研究。給出了計(jì)算主應(yīng)力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)條件下軟粘土非共軸角的計(jì)算模型，基于試驗(yàn)研究結(jié)果建立了考慮主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)引起的軟粘土變形的計(jì)算方法。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、磐ㄟ^(guò)對(duì)杭州原狀軟粘土和重塑粘土進(jìn)行的主應(yīng)力軸大幅(＞180°)連續(xù)純旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了主應(yīng)力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)條件下軟粘土的非共軸變形特性。分析軟粘土在主應(yīng)力軸單純連續(xù)旋轉(zhuǎn)條件下變形發(fā)展

4、、孔壓累積、剛度衰減等規(guī)律，并從微觀結(jié)構(gòu)層面對(duì)主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)影響機(jī)理進(jìn)行解釋。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：①定向剪切條件下原狀粘土和重塑粘土的非共軸特性都不顯著，隨著剪應(yīng)力增加塑性主應(yīng)變?cè)隽糠较蚝椭鲬?yīng)力方向基本趨于共軸；②主應(yīng)力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)條件下原狀粘土和重塑粘土存在顯著的非共軸特性，非共軸角隨著主應(yīng)力軸的旋轉(zhuǎn)而波動(dòng)變化，中主應(yīng)力系數(shù)、剪應(yīng)力水平、循環(huán)旋轉(zhuǎn)次數(shù)和初始各向異性等對(duì)軟粘土非共軸特性的影響不顯著，土體非共軸特性主要受應(yīng)力路徑的影響和控制；③主應(yīng)

5、力方向的單純改變會(huì)引起原狀粘土和重塑粘土顯著的塑性變形累積，隨著主應(yīng)力軸的旋轉(zhuǎn)各應(yīng)變分量也呈波動(dòng)變化，試樣會(huì)由于變形的不斷累積而破壞。中主應(yīng)力系數(shù)對(duì)應(yīng)變分量的開(kāi)展規(guī)律和試樣破壞時(shí)的形態(tài)有較大的影響。隨著剪應(yīng)力水平的增加，主應(yīng)力軸單位轉(zhuǎn)幅引起的應(yīng)變也逐漸增加。應(yīng)變的變化規(guī)律與相應(yīng)的應(yīng)力分量變化規(guī)律相似，類(lèi)似三角函數(shù)曲線(xiàn)，但應(yīng)變曲線(xiàn)要滯后應(yīng)力曲線(xiàn)20°左右；④主應(yīng)力方向純旋轉(zhuǎn)也會(huì)引起原狀粘土和重塑粘土試樣孔壓的顯著累積，孔壓的累積也隨主應(yīng)力

6、軸的旋轉(zhuǎn)呈波動(dòng)變化。中主應(yīng)力系數(shù)對(duì)孔壓累積速率有一定影響。即使剪應(yīng)力水平很低(q=5kPa，p=150kPa)的條件下，主應(yīng)力軸純旋轉(zhuǎn)也會(huì)引起孔壓顯著累積；⑤按常規(guī)的設(shè)計(jì)思路，雖然應(yīng)力幅值沒(méi)有達(dá)到破壞水平，但是應(yīng)力方向的單純改變也會(huì)使土體發(fā)生破壞，并且主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)對(duì)工程設(shè)計(jì)的不利影響還不僅僅體現(xiàn)在變形的累積上，還表現(xiàn)在孔壓累積引起的剛度衰減；⑥從微觀結(jié)構(gòu)角度分析，主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)引起的土體變形機(jī)理可以歸結(jié)為大主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)剪切對(duì)土體微觀結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)

7、和破壞，使顆粒發(fā)生破碎或重新排列。
　?、仆ㄟ^(guò)對(duì)現(xiàn)有考慮主應(yīng)力軸純旋轉(zhuǎn)的土體本構(gòu)模型的分析總結(jié)之后發(fā)現(xiàn)只有合理考慮土體非共軸變形特性的本構(gòu)關(guān)系才能較合理地描述試驗(yàn)結(jié)果揭示的土體變形規(guī)律。為此，本文對(duì)考慮主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)復(fù)雜應(yīng)力條件下的軟粘土非共軸塑性流動(dòng)特性進(jìn)行了深入的研究。借鑒邊界面模型的理論，基于定向剪切試驗(yàn)研究結(jié)果引入橢圓形的原狀粘土破壞邊界面，考慮非共軸塑性應(yīng)變?cè)隽壳邢蚝头ㄏ蚍至康墓餐詈嫌绊?，建立了考慮中主應(yīng)力系數(shù)、剪應(yīng)力水

8、平等影響的軟粘土_非共軸角計(jì)算模型。通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該方法能較好地反映試驗(yàn)研究中得到的粘土非共軸變形規(guī)律。
　?、窃诜治隹偨Y(jié)主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)條件下軟粘土變形特性的基本規(guī)律基礎(chǔ)上，結(jié)合軟粘土的非共軸塑性流動(dòng)規(guī)律，通過(guò)應(yīng)力空間的轉(zhuǎn)換將主應(yīng)力軸純旋轉(zhuǎn)應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)換為一種加載方式（應(yīng)變不變量的廣義剪分量）。在廣義塑性理論的基本框架下建立了計(jì)算主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)引起的軟粘土變形的方法?？紤]非共軸的影響對(duì)三維條件下Rowe應(yīng)力剪脹關(guān)系