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预剪对饱和松砂剪切特性的影响及亚塑性边界面本构模型改进

张振东  
【摘要】: 土是最常用的土木工程材料之一,针对其强度与变形特性的研究对实际工程应用具有十分重要的意义。而由于土体所经受的应力历史具有较大的差异并且其后期的受力状态也十分复杂,这些影响因素必然会造成土体微观结构的剧烈变化与各向异性,从而强烈地影响着土材料的强度与变形特性。以波浪荷载为例,波浪荷载具有周期长,荷载作用时间长等特点,而且其作用比较频繁,这使得海工结构及其地基土体在经受较大波浪荷载作用,并导致破坏之前已经受到若干小振幅波浪荷载作用,形成所谓的循环预剪作用。这些前期波浪荷载的循环预剪作用势必将对海床土体产生明显的影响。另外,建筑物地基内各个部位处土单元的应力状态也是各不相同的,沿着某一潜在滑动面,各点的初始主应力方向随其位置而改变。而且,饱和弹性孔隙介质理论分析表明:波浪等循环荷载在土体中所产生的循环应力的主要特点之一是正应力偏差与剪应力所形成的循环偏应力的幅值保持不变,而主应力方向发生了连续旋转,这也将对土的强度与变形特性产生显著的影响。因此,作为建筑物地基稳定性评价中的一个基本而重要问题,探讨砂土的变形与强度特性时必须考虑应力历史的影响以及各向非均等的复杂初始应力状态和复杂的循环应力变化模式。然而,由于土工实验技术的限制,三轴剪切试验及扭转剪切试验等传统的土工试验无法完全实现上述的复杂初始应力条件和复杂加载模式。为此,大连理工大学于2001年起对于自日本诚研舍株式会社引进的“土工静力—动力液压—三轴扭转多功能剪切仪”进行了不断的开发与完善,这套新型土工试验系统可以同时施加和独立地控制轴向压力W、扭矩M_T、外室压力p_o与内室压力p_i及其组合。由此可重现土在不同复杂应力条件下的固结及加载路径。以此为基础,本文针对饱和松砂,进行了大量的考虑静力预剪与循环预剪作用的单调剪切试验与循环剪切试验研究,进而针对不同形式的静力预剪与循环预剪作用对饱和砂土的变形与强度特性进行了比较全面而系统的分析。并在原有亚塑性边界面模型的基础上,根据现有的试验结果建立起相关模型参数与主应力方向角之间的函数关系,在原有亚塑性边界面本构模型的基础上进行改进,使之能够考虑主应力方向角对饱和松砂单调剪切特性影响的。 为了探讨静力预剪作用对饱和砂土循环剪切特性的影响,分别针对实心圆柱状试样和空心圆柱状试样进行了不同方式静力预剪作用的循环三轴剪切试验。 对于实心圆柱状试样,分别针对均等固结条件、二向非均等固结条件和K_o固结条件进行了循环三轴剪切试验,并通过试验探讨了固结应力比与固结方式对饱和砂土循环剪切特性的影响。试验研究表明,周围压力对静止侧压力系数K_o的测定有一定的影响,但是随着周围压力的不断增加,其对K_o值的影响也越来越小。固结应力比与固结方式的不同对饱和砂土的循环剪切特性具有较大的影响。均等固结条件下的应变是对称发展的,且振动初期应变发展不明显,将要达到破坏时发展比较明显,而由于固结过程中静力预剪作用的影响,二向非均等固结和K_o固结条件下的应变主要向初始预剪的方向不断累积,加载初期应变发展较快,后期则逐渐趋于稳定。另外,二向非均等固结条件下,在动应力施加的第一周,随着竖向应力的增加,试样产生较大的正孔隙水压力,而K_o固结条件下,在动应力施加的第一周,随着竖向应力的增加,试样的孔隙水压力发展方向却与前者截然相反,产生了较大的负孔隙水压力。分析其原因主要是两种固结方式的不同固结过程造成的。 对于空心圆柱状试样,分别针对初始固结主应力方向角α_0=0°、30°、45°、60°和90°时进行了循环三轴剪切试验。试验研究表明,不同初始主应力方向角的静力预剪作用对饱和砂土不排水循环三轴剪切条件下的应力—应变发展模式以及各应变分量的发展均具有较为显著的影响。 为了探讨饱和砂土未发生液化条件下的循环预剪作用对饱和砂土液化强度的影响,分别针对实心圆柱状试样和空心圆柱状试样进行了循环三轴剪切试验和考虑主应力轴连续旋转的轴向—扭转双向耦合剪切试验。试验研究表明,循环预剪作用对孔隙比的影响并不大,在循环三轴试验中,孔隙比的变化幅度不超过0.2%,而在循环耦合试验中,其变化幅度也未超过0.3%。因此,较小的孔隙比变化不足以引起饱和砂土液化强度的较大改变。另外,无论是循环三轴试验还是循环耦合试验,无论是均等固结条件还是非均等固结条件,在未发生液化条件下,循环预剪作用对土体的应变发展特性和孔隙水压力发展模式影响较小,而对饱和砂土二次加载液化强度却有较为显著的提高,尤其当循环预剪应力幅值较大时,砂土液化强度提高的更为显著。分析其原因,主要是由于砂土孔隙的均匀化以及砂土颗粒间咬合作用的增强使饱和砂土形成了更为稳定的结构。 为了探讨静力预剪作用与循环预剪作用对饱和砂土单调剪切特性的影响,针对实心圆柱状试样进行了循环预剪后固结排水的不排水单调剪切试验与循环预剪后不固结排水的不排水单调剪切试验,针对空心圆柱状试样进行了考虑不同初始固结状态与加载方式的单调剪切试验。试验研究表明,饱和砂土在经受循环预剪作用后,无论是固结排水后再进行单调剪切加载,还是不固结排水,在存在残余孔隙水压力的条件下直接进行单调剪切加载试验,当预剪过程中试样未发生液化破坏时,循环预剪作用对饱和砂土后期的单调剪切特性影响并不显著。发展过程都是在剪切加载的初期饱和砂土发生剪缩,而后发生剪胀,整体上呈现硬化变形的特征,并最终达到稳定状态。而当饱和砂土在循环预剪过程中发生液化破坏时,其对后期的单调剪切加载特性具有十分显著的影响。在剪切过程中,试样均呈现出十分明显的剪胀特性,孔隙水压力以下降为主。 另外试验结果表明,当饱和砂土试样具有水平沉积面时,初始固结主应力方向与剪切方向的不同组合形成了单调剪切过程中总的主应力方向的不同,从而显著地影响着饱和砂土不排水单调剪切特性。当总的主应力方向不断发生变化时,剪切过程中任意时刻饱和砂土所表现出的单调剪切特性也不相同。 为了能够考虑初始固结主应力方向与单调剪切方向的各种组合所产生的剪切过程中变化的总主应力方向对饱和砂土单调剪切特性的影响,根据现有的试验结果建立起相关参数与主应力方向角之间的函数关系,并将其重新应用到亚塑性边界面模型之中,进而与部分试验实测所得到的结果进行了对比分析,由此论证了所改进的亚塑性边界面模型的适用性。对比分析表明所改进和推广的本构模型能够合理地反映出不同初始固结主应力方向和单调剪切方向的各种组合条件对饱和砂土应力—应变关系的硬化与软化特征、剪胀与剪缩特征以及有效应力路径等方面的影响,能够较为准确的反映出剪切过程中变化的主应力方向对饱和砂土单调剪切特性的影响。


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