饱和砂土单调剪切特性与循环体变规律的试验研究

论文摘要

实际建筑物地基的初始应力状态复杂多样,而且现场施工同样会引起土体应力条件的改变。在静荷载作用下地基会依赖于这种初始固结状态,产生较大的变形;当进一步受到地震、波浪等瞬时或循环荷载作用时,由于初始应力状态不同,地基或海床中各点的动力变形与强度将更为复杂。同时,剪胀性是土最为重要的基本力学特性之一,研究循环荷载作用下土的体变发展规律对建立应力—剪胀方程具有重要的理论与实际意义。因此,在评价建筑物地基或海床稳定性时,必须考虑到各向非均等的复杂初始应力状态和多变的加载模式来预测土的变形与强度特性。然而,由于土工实验技术的限制,常规三轴剪切试验及扭转剪切试验等传统土工试验无法实现上述研究目的。为此,大连理工大学与日本诚研舍株式会社合作,设计并研制了“土工静力—动力液压三轴—扭转剪切仪”于2001年起投入使用。这套土工试验系统具有轴向偏差正应力与环向剪应力耦合加载功能,能够实现不同的初始复杂固结状态,完成多种静力与动力剪切试验。事实证明,该设备的技术水平成熟,试验数据真实可信,累积了丰富经验。以此为基础,本文将饱和的福建标准砂作为研究对象,充分利用设备的轴向荷载、扭矩和内、外室压力可独立控制功能,设计了大量复杂应力条件的试验,进而对单调、循环剪切荷载作用下砂土的变形与强度特性进行了较为全面的系统分析。另一方面,以现有设备为基础,力图开发新的三轴设备,发展更为实用的试验测试技术。这些研究工作的开展不仅为促进土力学科与海洋土力学科的发展奠定坚实的试验基础,具有较强的理论意义,而且对于改进重大工程结构及地基设计具有重要的实际参考价值。为了探讨主应力方向、中主应力系数和初始偏应力比及相对密度等复杂应力条件和初始物理状态对饱和砂土变形与强度特性的影响,以及应力路径变化对砂土力学性状的影响,进行了排水与不排水的单调剪切试验;同时通过循环扭剪试验,研究了循环荷载作用下砂土的体变规律。这些均为建立更为合理的本构模型提供了良好的数据基础。通过单调剪切试验,较为全面地探讨了各种因素对饱和砂土单调剪切特性的影响。着重考察主应力方向、中主应力系数、初始固结应力比、相对密度和加载速率等因素对砂土剪切特性和强度指标的单独或耦合影响;并将排水与不排水的试验数据比较,分析了两者之间的异同。研究表明,主应力方向对剪切特性的影响显著,在排水试验中,不同主应力方向角对应的应力—应变关系的变化规律,取决于水平面与竖直面上受到的剪应力作用,相变及峰值偏应力比与主应力方向角之间存在抛物线型关系;而不排水试验的峰值有效偏应力比随着主应力方向角的增大而减小。无论排水还是不排水试验,中主应力系数均对归一化的应力—应变关系具有影响,但对体变或孔压的影响相对较小,初始条件相同时偏应力比随中主应力系数的增大而降低。同时,主应力方向、中主应力系数相同,排水条件改变会影响试验得到的抗剪强度指标;并结合试验结果,基于广义双剪应力准则,引入考虑主应力方向影响程度的权重系数,推广为考虑中主应力系数和主应力方向耦合影响的强度指标表达式。另外,通过开展应力路径变化对砂土力学性状影响的研究发现,平均主应力一定,排水时应力路径的改变,对砂土的剪切强度几乎没有影响,但会影响小变形范围内的应力应变特性,表现为弹性轨迹的不同;结合试验数据,引入能够反映应力路径变化的主要状态参数,给出了三维空间中砂土受到前期应力历史作用所形成的弹性边界表达式。在循环扭剪试验中,对于不同试验条件,探讨了饱和砂土在循环剪切作用下的体变规律。研究结果表明,在排水条件下,饱和砂土的体变特性依赖于初始固结应力比、平均有效应力和相对密度等。随着循环作用次数的增加,不断累积的体应变恰恰能够反映出上述因素的综合影响。砂土受到等幅循环荷载作用的体应变表现为:“C型剪缩—D型剪胀—Cf型卸载体缩”三种类型的周期性交替变化,建立了各类型体应变与偏应力比之间的线性关系及相关参数的确定方法。跟踪往返荷载变化,区分加、卸载时对应的不同模式,可通过相应关系式得到砂土的体变发展规律。此外,在学校“211工程”重点学科“海洋和近海工程”建设计划的支持下,查阅大量土工试验设备的相关数据资料,提出设计思想,与天水红山试验机有限公司合作,共同探讨实现轴—侧双向任意相位差耦合振动加载的可能性。逐步明确“SSDHTS-V20-H3型全自动土工静力—动力液压多功能三轴剪切仪”的总体性能要求和技术参数,确定设计方案,找出关键的技术问题并着力解决。经过四年多的艰苦努力,共同研制开发出这台既适用于科学研究又满足于工程需要的新型振动三轴仪。该仪器具备多种试验功能,在土工试验中的适用性广泛。它不仅兼备有普通静三轴、动三轴仪的试验功能,还可以进行多种复杂应力路径条件下的双向循环耦合试验;最多能够实现三个试样的同时固结;具有功能齐全的多通道多参数同时测量系统和微机控制系统。从而,为进一步探讨复杂应力条件下土的变形与强度特性提供可靠的试验数据,奠定理论研究的坚实基础。同时,在设备开发过程中获取的相关经验,必将为今后的土工设备引进与研制提供有益的参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究概况及发展动态
• 1.2.1 室内试验设备的发展及测定土体特性的常规方法
• 1.2.2 土的剪切特性的试验研究
• 1.2.2.1 复杂应力状态的影响
• 1.2.2.2 结构各向异性的影响
• 1.2.3 土的强度理论研究
• 1.2.4 饱和砂土本构模型的研究
• 1.2.4.1 砂土的静本构模型
• 1.2.4.2 砂土的动本构模型
• 1.2.5 土体动力反应分析的研究
• 1.3 论文研究目的与主要内容
• 1.3.1 研究目的及意义
• 1.3.2 框架结构与论文内容
• 2 试验所用设备简介与试验方案设计
• 2.1 设备概述
• 2.2 试验设备简介
• 2.2.1 设备组成介绍
• 2.2.2 仪器主要功能
• 2.2.3 设备技术参数指标
• 2.3 试样体的应力状态及参数计算
• 2.3.1 试样体的应力状态分析
• 2.3.2 试样体应力应变参数的计算公式
• 2.4 试验方案与试验方法
• 2.4.1 试验土料的选定
• 2.4.2 试样尺寸的选取
• 2.4.3 试样的制备与饱和
• 2.4.4 静、动荷载的施加
• 2.4.5 单调剪切试验方案
• 2.4.5.1 试验设计内容与试验条件
• 2.4.5.2 实际固结及加载路径
• 2.4.6 研究应力路径影响的试验方案
• 2.4.6.1 试验设计进程
• 2.4.6.2 试验条件与应力路径
• 2.4.7 循环扭剪试验方案
• 2.4.7.1 试验条件及方法
• 2.4.7.2 实测应力路径
• 2.5 结语
• 3 单调荷载作用下饱和砂土剪切特性的研究
• 3.1 概述
• 3.2 饱和砂土单调剪切特性的试验研究分析
• 3.2.1 非均等固结条件下主应力方向对砂土剪切特性的影响
• 3.2.1.1 排水剪切试验（CD）
• 3.2.1.2 不排水剪切试验（CU）
• 3.2.2 非均等固结条件下中主应力系数对砂土剪切特性的影响
• 3.2.2.1 排水剪切试验（CD）
• 3.2.2.2 不排水剪切试验（CU）
• 3.2.3 均等固结条件下中主应力系数对砂土剪切特性的影响
• 3.2.3.1 排水剪切试验（CD）
• 3.2.3.2 不排水剪切试验（CU）
• 3.2.4 中主应力系数和主应力方向对砂土强度指标的藕合影响
• 3.2.4.1 排水剪切试验（CD）
• 3.2.4.2 不排水剪切试验（CU）
• 3.2.5 相对密度对砂土单调剪切特性的影响
• 3.2.5.1 排水剪切试验（CD）
• 3.2.5.2 不排水剪切试验（CU）
• 3.2.6 初始固结应力比对砂土剪切特性的影响
• 3.2.6.1 排水剪切试验（CD）
• 3.2.6.2 不排水剪切试验（CU）
• 3.2.7 加载速率对砂土排水剪切特性的影响
• 3.3 应力路径变化影响的试验研究分析
• s的影响'>3.3.1 在原始剪切试验中剪切中主应力系数b_s的影响
• h的影响'>3.3.2 历史广义剪应力q_h的影响
• h的影响'>3.3.3 历史主应力方向角α_h的影响
• h的影响'>3.3.4 历史中主应力系数b_h的影响
• 3.3.5 应力路径对砂土强度的影响
• 3.3.6 评价力学特性的主要参数
• 3.4 结论
• 4 循环荷载作用下饱和砂土体变规律的研究
• 4.1 概述
• 4.2 试验成果及分析
• 4.2.1 体应变时程曲线分析
• 4.2.1.1 初始固结应力比的影响
• 4.2.1.2 平均有效应力的影响
• 4.2.1.3 相对密度的影响
• 4.2.2 应力比—体应变关系与物态类型
• 4.2.3 各种类型的应变—应力比关系
• 4.2.3.1 C型剪缩的体应变—应力比关系
• 4.2.3.2 Cf型卸载体缩的体应变—应力比关系
• 4.2.3.3 D型剪胀的体应变—应力比关系
• 4.2.4 循环荷载作用下砂土的体积变形分析
• 4.3 结论
• 5 全自动土工静力—动力液压多功能三轴剪切仪的开发与研制
• 5.1 概述
• 5.2 设备设计的基本思路
• 5.3 设备的主要性能
• 5.4 相关技术指标及参数确定
• 5.4.1 加荷激振方式
• 5.4.2 测量系统
• 5.4.3 微机控制系统与试验应力路径的实现
• 5.4.4 试样尺寸及受力状态
• 5.4.5 特殊结构设计
• 5.5 设备构成及工作原理
• 5.5.1 主机系统及液压源
• 5.5.2 模拟与数字控制系统
• 5.6 结语
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文与科研情况
• 致谢