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复杂应力条件下饱和砂土孔隙水压力及体变特性试验研究

何杨  
【摘要】: 不排水条件下循环荷载作用导致孔隙水压力的发生与发展是饱和土体变形与强度变化的重要影响因素。研究饱和砂土循环孔隙水压力的增长模式成为土动力学研究的重要内容。建筑物地基中土体的初始固结条件是复杂的,初始大主应力方向角会发生变化。海洋地基或者海床土体内由于波浪的周期性运动使海床土体的主应力轴发生了连续不断的旋转,在公路和铁路的路基中由交通荷载所产生的循环剪应力也同样以主应力方向持续旋转为特征。这样在复杂的初始固结条件与复杂循环荷载的共同作用,土体的孔隙水压力增长模式将变得更加复杂。剪胀性是土最为重要的基本力学特性之一,研究三向非均等固结条件下在循环荷载作用下土的排水体变特性对建立适用于复杂应力条件下的土体应力—剪胀方程具有重要的理论意义和实际应用价值。大连理工大学土木水利学院岩土工程研究所在全面提出了“土工静力—动力液压三轴—扭转剪切仪”的各项技术参数以及详尽的功能要求基础上,与日本诚研舍株式会社共同研制开发了该设备。该设备不仅能够实现均压固结、多种不同初始条件下的非均等固结等多种复杂固结条件,而且能够进行静、动三轴拉压剪切与静、动扭转剪切以及静、动耦合剪切等多种静力与循环剪切的复杂应力路径试验,能够同时满足土的静、动力变形特性与静、动强度及孔隙水压力、体积变形特性等多方面研究需要,为开展本课题研究提供了必要条件。 本文利用土工静力—动力液压三轴—扭转剪切仪对3种不同初始相对密度的饱和福建标准砂进行了均等固结与控制5种初始主应力方向和5种中主应力系数组合条件下的三向非均等固结的排水与不排水循环扭剪试验和轴向—扭转双向耦合剪切试验;同时对黄河三角洲海底原状粉土进行了不排水循环三轴试验、循环扭剪试验和静力单调扭剪试验。 基于对福建标准砂在均等固结和三向非均等固结条件下排水与不排水循环扭剪试验结果,探讨了复杂初始固结状态情况下饱和砂土在循环剪切作用下的体变特性。饱和砂土在排水与不排水条件下的体变特性可以用4种基本模式来概括,模式A:累积体缩。包括剪缩—卸荷体缩、弹性剪切—卸荷体缩、剪缩—瞬态剪缩—卸荷体缩等多种形式。模式B:剪缩—剪胀—卸荷体缩。模式C:剪胀—卸荷体缩—剪缩—卸荷体缩(卸荷体胀、弹性剪切)。模式D:剪胀—卸荷体缩。在本文所有不同的排水条件、不同相对密度、不同初始主应力方向角、不同中主应力系数等条件下进行的循环扭剪试验中饱和砂土的体变特性都可以用上述4种模式中的一种或几种组合来进行描述。三向非均等固结条件下饱和密砂排水循环扭剪试验结果表明初始主应力方向会显著影响体变的累积方向;在循环剪应力幅值随循环次数逐渐增长的加载模式下,对于密砂,在每个循环中体积应变幅值与剪应变幅值近似地呈线性关系。在所有均等固结与非均等固结条件下剪应力幅值固定的排水循环扭剪试验中发现,在初次循环即产生了体积应变的最小值。这充分反映了初次加载所产生的土体颗粒定向改变土体原有组构,对砂土的循环剪切体变特性具有决定性影响。排水条件下循环剪切过程中体积变化特性密切依赖于剪应力水平,同时受到初始相对密度、围压等条件的影响。 基于饱和福建标准砂轴向—扭转双向耦合剪切试验和循环扭剪试验结果,着重考察了初始主应力方向角、初始相对密度和排水条件3个影响因素对轴向—扭转双向耦合剪切试验剪应力—剪应变关系特征和循环扭剪试验中各个应变分量发展规律的影响,研究表明初始主应力方向角、初始相对密度及排水条件对剪应变的循环特征和累积特征具有不同程度的影响,这取决于对砂土组构的变化程度。非均等固结条件下变形表现出明显的各向异性,初始主应力方向对变形分量的发展产生显著影响。 基于饱和松砂在各种初始主应力方向与中主应力系数组合的不同非均等固结条件下不排水循环扭剪试验结果建立了反映孔隙水压力的发展规律的应力模式和应变模式。分别采用最终稳定状态时的残余孔隙水压力和破坏时所需要的循环次数,对于循环剪切过程中的残余孔隙水压力与循环次数进行归一化处理,由此所得到的残余孔隙水压力比和循环次数比之间的关系较好地符合双曲线关系,这种双曲线模式中的2个待定参数主要与初始主应力方向有关。归一化后的孔隙水压力比与广义剪应变之间的关系也可以采用双曲线模式表达。基于非均等固结条件下饱和松砂不排水轴向—扭转耦合剪切试验结果分析了主应力轴旋转对孔隙水压力的影响。基于对海洋原状粉土进行的循环三轴试验和循环扭剪试验结果分析得到了残余孔隙水压力比与循环次数比之间的双曲线关系。通过试验建立了循环剪切破坏时循环剪应力比与其相应的循环次数之间的经验关系,提出了完整的孔隙水压力计算公式,可以用于数值计算。对粉土循环剪切特性进行了分析,在循环扭剪试验中每一周循环内的物态转换应力比都相同,且与单调加载条件下的物态转换线也相同,但最终破坏应力比在循环荷载条件下得到更大的发挥。


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