主应力方向变化下软粘土各向异性和非共轴特性试验研究

摘要

在实际工程中（边坡工程、交通工程和海洋工程等），地基土体单元在固结和受力过程中不仅主应力大小会发生改变，主应力方向也会发生偏转，主应力方向发生变化就涉及到土体在不同方向上的力学特性。由于沉积条件、颗粒取向以及加载条件等差异，土体在不同的方向上的应力应变关系、强度等力学特征都会表现出一定的各向异性。在主应力轴旋转过程中，土体的另一个重要特性就是塑性应变增量方向与主应力方向不共轴，即应力应变非共轴现象。在实际工程中，如果忽略土体非共轴特性的影响可能会低估土体的变形而使工程设计偏于不安全。考虑主应力方向变化的土体各向异性和非共轴特性研究，旨在更加全面地还原土体更真实的受力状态，了解和探究土体在实际工程受力条件下的服役性能。
　　我国东部沿海地区是交通工程、海洋工程等大型工程的密集分布区，这一区域广泛分布着深厚的软粘土层。而目前考虑主应力轴方向变化的土体各向异性和非共轴特性的研究中，粘性土的研究还是偏少。除此之外，考虑排水条件对非共轴特性的影响和偏应力大小与主应力方向耦合变化的试验研究也偏少。所以需要开展考虑主应力轴方向变化（旋转）条件下软粘土的各向异性和非共轴特性试验研究，这对准确预测主应力轴旋转条件下土体的变形、探究软粘土地基灾变发展机理以及灾变控制等至关重要。
　　本文以温州软粘土为研究对象，通过一系列的室内单元体试验探究考虑主应力方向变化（旋转）条件下软粘土的各向异性和非共轴特性。本文的主要研究工作和研究成果如下:
　　1.利用泥浆加压固结法的原理，研发了一套新型的K0条件下制备大直径软粘土试样的试验装置和制样方法。该制样设备可以实现在最高达到800kPa的高压力条件下比较快速地制得均匀的大直径软粘土试样，为土工试验提供试样。在制样完成之后，利用含水率试验、密度试验和固结试验对该设备所制得的试样进行了均匀性检验和可重复性检验，结果表明通过该制样设备制得的软粘土试样具有良好的均匀性和可重复性。
　　2.通过在与沉积方向呈不同夹角的方向上进行取样，对这些试样进行固结、渗透和三轴试验，以探索软粘土的压缩、渗透、孔压、强度和应力应变关系等特性随着取样方向的变化关系。试验结果表明:软粘土压缩特性的各向异性是不可忽视的，越接近沉积方向取样，孔隙比变化越小，即压缩性相对较差;相反，越远离沉积方向取样，试样的压缩性越好。对于渗透系数，越接近平行和垂直方向取样的软粘土渗透系数越大，越接近于45°方向上取样的软粘土渗透系数越小。软粘土在沉积方向的强度最大;越偏离沉积方向，强度越小;垂直于沉积方向取样的软粘土试样强度最小。不同取样方向试样偏应力峰值的连线为一条过原点的直线，其斜率为1.17，温州软粘土的有效内摩擦角为29.3°。
　　3.利用GDS空心圆柱系统在不排水和排水条件下，对软粘土进行不同大主应力方向的剪切试验，从孔压发展、应力应变关系和应力应变非共轴现象等角度研究软粘土的各向异性，同时分析了中主应力系数对于软粘土的上述特性的影响和排水条件对于软粘土非共轴特性的影响。试验结果表明:大主应力方向角对于应力应变关系、有效应力路径和孔压发展有着明显的影响。软粘土在主应力方向固定的剪切过程中，当大主应力方向角在0°、45°和90°时（纯压、纯扭和“纯拉”状态），基本不体现应力应变非共轴特性。当大主应力方向角小于45°，大主应变增量方向角大于大主应力方向角;当大主应力方向角大于45°，大主应变增量方向角小于大主应力方向角，即大主应变增量的方向总向45°方向偏离。排水条件对于软粘土非共轴特性有一定的影响，不排水条件下的非共轴现象相对于排水条件更加显著。
　　4.利用GDS空心圆柱系统在不排水条件下，对饱和软粘土进行了主应力轴连续旋转和偏应力大小与主应力方向耦合变化的试验研究。在试验过程中设定了不同的偏应力值和不同的中主应力系数，在试验结果中分析了在主应力轴连续旋转条件下偏应力值、中主应力系数和旋转圈数对于软粘土孔压发展、应力应变关系和应力应变非共轴等特性的影响。试验结果表明:主应力轴的旋转会引起土样内孔隙水压力的增大，同时土体单元轴向应变、径向应变、切向应变和剪切应变都呈现出一定的周期性。在主应力轴旋转过程中，大主应力方向角与大主应变增量方向角之间存在着非常显著的非共轴现象。在主应力轴旋转过程中，大主应变增量的方向角至始至终都是大于大主应力方向角的。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 土体各向异性研究现状

1．2．2 土体非共轴特性研究现状

1．3 研究现状总结

1．4 本文主要工作

第2章 试验仪器及土样制备

2．1 前言

2．2 试验仪器

2．2．1 固结仪

2．2．2 渗透仪

2．2．3 动三轴试验系统

2．2．4 动态空心圆柱系统

2．3 试验土样

2．3．1 制样背景

2．3．2 K0条件下软粘土制样设备简介

2．3．3 K0条件下软粘土制样步骤简介

2．3．4 试样的均匀性和可重复性检验

2．3．5 试验所用土样参数

2．4 试样的制作、饱和和固结

2．4．1 试样的制作

2．4．2 试样的饱和

2．4．3 试样的固结

2．5 本章小结

第3章 软粘土各向异性试验研究

3．1 前言

3．2 制样方法

3．3 试验方案

3．4 试验过程

3．4．1 固结试验

3．4．2 渗透试验

3．4．3 三轴试验

3．5 试验结果及其分析

3．5．1 固结试验

3．5．2 渗透试验

3．5．3 三轴试验

3．6 本章小结

第4章 软粘土主应力方向固定的剪切试验研究

4．1 前言

4．2 试验原理

4．3 试验方案

4．4 试验结果及其分析

4．4．1 应力路径

4．4．2 孔压发展规律

4．4．3 典型应变发展规律

4．4．4 应力应交关系

4．4．5 应力应变非共轴

4．5 本章小结

第5章 软粘土主应力轴旋转试验研究

5．1 前言

5．2 试验原理

5．3 试验方案

5．4 试验结果及其分析

5．4．1 应力路径

5．4．2 孔压发展规律

5．4．3 典型应变发展规律

5．4．4 偏应力幅值与中主应力系数的影响

5．4．5 应力应交非共轴

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 本文主要结论

6．2 进一步研究建议

参考文献

作者简历及论文发表