高围压不同应力路径下砂土变形和孔压特征试验研究

摘要

本论文旨在研究高围压条件下不同应力路径对饱和砂土变形和孔隙水压力特性的影响，为此主要进行了4种不同应力路径下的高压三轴剪切试验，包括：等p'压缩剪切试验、等卸载比剪切试验、等主应力比剪切试验和循环加卸载剪切试验；对高压三轴剪切试验完成后砂土试样利用CT断层扫描图像的三维重建进行了微观分析。论文的主要认识如下：
　　(1)在高压三轴剪切试验中，应力路径对砂土的力学性质影响较大。等p'压缩剪切应力路径的内摩擦角φ>等卸载比应力路径的φ>等主应力比应力路径的φ；以上三种应力路径下的所得到的粘聚力相差不大；相同围压条件下，等p'压缩应力路径的峰值应力>等卸载比应力路径的峰值应力>等主应力比应力路径的峰值应力。
　　(2)等p'压缩剪切试验、等卸载比剪切试验、等主应力比剪切试验下的砂土试样的q~εa曲线均为双曲线型，循环加卸载应力路径下的q~εa曲线呈现幂函数型。
　　(3)等p'压缩剪切应力路径下的q~εa曲线在p'≥2MPa时，呈现应变软化型，在p'≤1MPa时，呈现应变硬化型，峰值偏应力会随着p'的增大而增大；等卸载比剪切应力路径的q~εa曲线在σ≥3MPa时呈现应变软化型，卸载比的变化对偏应力峰值影响较小；等主应力比应力路径的q~εa关系曲线呈现应变硬化型，应力比只影响偏应力的大小；循环加卸载应力路径下，q会随着ε的增大而迅速增大，q~εa曲线的斜率随着加卸载级数的增大而减小。
　　(4)不同应力路径下砂土试样的孔隙水压力特性不同，等p'压缩剪切应力路径下砂土试样的孔隙水压力会随着p'的增大而逐渐增大；等卸载比应力路径下，围压相同时，卸载比k越大，孔隙水压力越大，卸载比k相同时，围压越大，孔隙水压力越大；等主应力比应力路径下，主应力比 f越大，孔隙水压力也越大；循环加卸载应力路径下，孔隙水压力会随着加载级数的增多而增大。
　　(5)从等p'压缩剪切应力路径的u~εa关系曲线可以发现，当p'=1MPa时，孔隙水压力随应变增大而减小，p'≥2MPa时，孔隙水压力随应变的增大而增大，因此，存在临界点p'f，使得砂土试样的p'小于此值时，孔隙水压力随应变增加而减小，大于此值时，孔隙水压力随应变的增大而增大；等卸载比剪切应力路径下，孔隙水压力会随应变的增大先下降达到最小值然后再升高，表明该应力路径易发生孔隙水压力升高和卸载体缩，且孔隙水压力值在整个剪切过程中均为负值；等主应力比应力路径下的u~εa关系曲线为双曲线；循环加卸载应力路径下的u~εa关系曲线为对数函数曲线。
　　(6)通过对三轴剪切试验结束后的砂土试样的CT扫描重建三维图像分析，可以发现，经过高压三轴剪切试验的砂土试样产生了鼓胀变形，其内部产生了剪切带。不同应力路径下的剪切带形态不同，循环加卸载应力路径下砂土内部会产生多条剪切带，且剪切带有主次之分，主剪切带导致砂土试样的破坏；单一卸载路径下砂土试样内部其剪切带发育不完全，不会贯通整个试样；且同一应力路径不同围压下的砂土试样，其剪切带的数量和大小会随着应力的增大而增大。

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变量注释表

1 绪论

1.1问题的提出（Proposeof Problem）

1.2 研究背景及意义（Research Background and Significance）

1.3国内外研究现状（Research Status at Home and Abroad）

1.4目前研究中的不足（Existing Problem）

1.5研究内容（Research Contents）

1.6研究方法和技术路线（Research Approach and Technology Roadmap）

2试验过程与试验方案

2.1试样的制备（Preparation of Samples）

2.2仪器简介（Introduction of Instrument）

2.3单轴抗压试验方案（The Plan of High PressureUnconfined Compressive Test）

2.4高压三轴剪切试验方案（The Plan of High Pressure Triaxial Shear Test）

2.5 本章小结（Summar y）

3无侧限抗压强度试验结果与分析

3.1砂土的高压固结试验（Sand’s Consolidation Testunder the High Pressure）

3.2砂土的无侧限抗压强度试验（Unconfined Compressive Test of Sands）

3.3 本章小结（Summar y）

4不同应力路径高压三轴剪切试验结果与分析

4.1等p'压缩剪切试验（Compressive Shear Test under Constant p' ）

4.2 等卸载比剪切试验（ Compressive Shear Test under the Constant Unloading StressRatio）

4.3 等主应力比剪切试验（Compressive Shear Test under the Constant Principal Stress Ratio）

4.4循环加卸载剪切试验（Compressive Shear Testunder Circulation of Loading and Unloading Stress）

4.5不同应力路径下的试验结果分析（Results and Analysis under Different Stress Paths）

4.6 本章小结（Summar y）

5 高压剪切试验后砂样的微观结构

5.1微观结构研究设备（Equipment of Microstructure Research）

5.2 微观图像处理方法（Microscopic Image Processing）

5.3重建三维图像结果分析（Analysis of 3D Reconstruction）

5.4 本章小结（Summar y）

6 结论与展望

6.1 结论（Concl usions）

6.2展望（Further Studies）

参考文献

作者简历

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