預剪對飽和松砂剪切特性的影響及亞塑性邊界面本構模型改進.pdf

1、土是最常用的土木工程材料之一，針對其強度與變形特性的研究對實際工程應用具有十分重要的意義。而由于土體所經(jīng)受的應力歷史具有較大的差異并且其后期的受力狀態(tài)也十分復雜，這些影響因素必然會造成土體微觀結構的劇烈變化與各向異性，從而強烈地影響著土材料的強度與變形特性。以波浪荷載為例，波浪荷載具有周期長，荷載作用時間長等特點，而且其作用比較頻繁，這使得海工結構及其地基土體在經(jīng)受較大波浪荷載作用，并導致破壞之前已經(jīng)受到若干小振幅波浪荷載作用，形成所謂

2、的循環(huán)預剪作用。這些前期波浪荷載的循環(huán)預剪作用勢必將對海床土體產(chǎn)生明顯的影響。另外，建筑物地基內各個部位處土單元的應力狀態(tài)也是各不相同的，沿著某一潛在滑動面，各點的初始主應力方向隨其位置而改變。而且，飽和彈性孔隙介質理論分析表明：波浪等循環(huán)荷載在土體中所產(chǎn)生的循環(huán)應力的主要特點之一是正應力偏差與剪應力所形成的循環(huán)偏應力的幅值保持不變，而主應力方向發(fā)生了連續(xù)旋轉，這也將對土的強度與變形特性產(chǎn)生顯著的影響。因此，作為建筑物地基穩(wěn)定性評價中的

3、一個基本而重要問題，探討砂土的變形與強度特性時必須考慮應力歷史的影響以及各向非均等的復雜初始應力狀態(tài)和復雜的循環(huán)應力變化模式。然而，由于土工實驗技術的限制，三軸剪切試驗及扭轉剪切試驗等傳統(tǒng)的土工試驗無法完全實現(xiàn)上述的復雜初始應力條件和復雜加載模式。為此，大連理工大學于2001年起對于自日本誠研舍株式會社引進的“土工靜力—動力液壓—三軸扭轉多功能剪切儀”進行了不斷的開發(fā)與完善，這套新型土工試驗系統(tǒng)可以同時施加和獨立地控制軸向壓力W、扭矩M

4、T、外室壓力Po與內室壓力Pi及其組合。由此可重現(xiàn)土在不同復雜應力條件下的固結及加載路徑。以此為基礎，本文針對飽和松砂，進行了大量的考慮靜力預剪與循環(huán)預剪作用的單調剪切試驗與循環(huán)剪切試驗研究，進而針對不同形式的靜力預剪與循環(huán)預剪作用對飽和砂土的變形與強度特性進行了比較全面而系統(tǒng)的分析。并在原有亞塑性邊界面模型的基礎上，根據(jù)現(xiàn)有的試驗結果建立起相關模型參數(shù)與主應力方向角之間的函數(shù)關系，在原有亞塑性邊界面本構模型的基礎上進行改進，使之能夠考

5、慮主應力方向角對飽和松砂單調剪切特性影響的。 為了探討靜力預剪作用對飽和砂土循環(huán)剪切特性的影響，分別針對實心圓柱狀試樣和空心圓柱狀試樣進行了不同方式靜力預剪作用的循環(huán)三軸剪切試驗。 對于實心圓柱狀試樣，分別針對均等固結條件、二向非均等固結條件和K0固結條件進行了循環(huán)三軸剪切試驗，并通過試驗探討了固結應力比與固結方式對飽和砂土循環(huán)剪切特性的影響。試驗研究表明，周圍壓力對靜止側壓力系數(shù)K0的測定有一定的影響，但是隨著周圍壓力

6、的不斷增加，其對K0值的影響也越來越小。固結應力比與固結方式的不同對飽和砂土的循環(huán)剪切特性具有較大的影響。均等固結條件下的應變是對稱發(fā)展的，且振動初期應變發(fā)展不明顯，將要達到破壞時發(fā)展比較明顯，而由于固結過程中靜力預剪作用的影響，二向非均等固結和K0固結條件下的應變主要向初始預剪的方向不斷累積，加載初期應變發(fā)展較快，后期則逐漸趨于穩(wěn)定。另外，二向非均等固結條件下，在動應力施加的第一周，隨著豎向應力的增加，試樣產(chǎn)生較大的正孔隙水壓力，而K

7、0固結條件下，在動應力施加的第一周，隨著豎向應力的增加，試樣的孔隙水壓力發(fā)展方向卻與前者截然相反，產(chǎn)生了較大的負孔隙水壓力。分析其原因主要是兩種固結方式的不同固結過程造成的。 對于空心圓柱狀試樣，分別針對初始固結主應力方向角α0=0°、30°、45°、60°和90°時進行了循環(huán)三軸剪切試驗。試驗研究表明，不同初始主應力方向角的靜力預剪作用對飽和砂土不排水循環(huán)三軸剪切條件下的應力—應變發(fā)展模式以及各應變分量的發(fā)展均具有較為顯著的影

8、響。 為了探討飽和砂土未發(fā)生液化條件下的循環(huán)預剪作用對飽和砂土液化強度的影響，分別針對實心圓柱狀試樣和空心圓柱狀試樣進行了循環(huán)三軸剪切試驗和考慮主應力軸連續(xù)旋轉的軸向—扭轉雙向耦合剪切試驗。試驗研究表明，循環(huán)預剪作用對孔隙比的影響并不大，在循環(huán)三軸試驗中，孔隙比的變化幅度不超過0.2％，而在循環(huán)耦合試驗中，其變化幅度也未超過0.3％。因此，較小的孔隙比變化不足以引起飽和砂土液化強度的較大改變。另外，無論是循環(huán)三軸試驗還是循環(huán)耦合

9、試驗，無論是均等固結條件還是非均等固結條件，在未發(fā)生液化條件下，循環(huán)預剪作用對土體的應變發(fā)展特性和孔隙水壓力發(fā)展模式影響較小，而對飽和砂土二次加載液化強度卻有較為顯著的提高，尤其當循環(huán)預剪應力幅值較大時，砂土液化強度提高的更為顯著。分析其原因，主要是由于砂土孔隙的均勻化以及砂土顆粒間咬合作用的增強使飽和砂土形成了更為穩(wěn)定的結構。 為了探討靜力預剪作用與循環(huán)預剪作用對飽和砂土單調剪切特性的影響，針對實心圓柱狀試樣進行了循環(huán)預剪后固

10、結排水的不排水單調剪切試驗與循環(huán)預剪后不固結排水的不排水單調剪切試驗，針對空心圓柱狀試樣進行了考慮不同初始固結狀態(tài)與加載方式的單調剪切試驗。試驗研究表明，飽和砂土在經(jīng)受循環(huán)預剪作用后，無論是固結排水后再進行單調剪切加載，還是不固結排水，在存在殘余孔隙水壓力的條件下直接進行單調剪切加載試驗，當預剪過程中試樣未發(fā)生液化破壞時，循環(huán)預剪作用對飽和砂土后期的單調剪切特性影響并不顯著。發(fā)展過程都是在剪切加載的初期飽和砂土發(fā)生剪縮，而后發(fā)生剪脹，整

11、體上呈現(xiàn)硬化變形的特征，并最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。而當飽和砂土在循環(huán)預剪過程中發(fā)生液化破壞時，其對后期的單調剪切加載特性具有十分顯著的影響。在剪切過程中，試樣均呈現(xiàn)出十分明顯的剪脹特性，孔隙水壓力以下降為主。 另外試驗結果表明，當飽和砂土試樣具有水平沉積面時，初始固結主應力方向與剪切方向的不同組合形成了單調剪切過程中總的主應力方向的不同，從而顯著地影響著飽和砂土不排水單調剪切特性。當總的主應力方向不斷發(fā)生變化時，剪切過程中任意時刻飽和

12、砂土所表現(xiàn)出的單調剪切特性也不相同。 為了能夠考慮初始固結主應力方向與單調剪切方向的各種組合所產(chǎn)生的剪切過程中變化的總主應力方向對飽和砂土單調剪切特性的影響，根據(jù)現(xiàn)有的試驗結果建立起相關參數(shù)與主應力方向角之間的函數(shù)關系，并將其重新應用到亞塑性邊界面模型之中，進而與部分試驗實測所得到的結果進行了對比分析，由此論證了所改進的亞塑性邊界面模型的適用性。對比分析表明所改進和推廣的本構模型能夠合理地反映出不同初始固結主應力方向和單調剪切方