（岩土工程专业论文）主应力方向旋转变化条件下饱和砂土的动力特性试验研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 土的力学行为与加载路径密切相关。与单向剪切相比，多向剪切会产生额外的塑性 体积应变，在不排水条件下孔隙水压力增长的速率较高，特别是在具有主应力轴连续旋 转特点的加载条件下，砂土抵抗液化的能力也将更低。主应力方向旋转变化是地震、波 浪等荷载作用下地基土体所受应力路径的主要特征，但目前这方面的研究成果还较少， 且在已有研究资料中，几乎所有试验都为圆形应力路径试验，对于更一般情况的椭圆形 应力路径试验，则几乎没有相关研究资料。因此有必要对此种复杂应力条件下土的力学 行为进行研究。另外，实际中海床的初始应力状态往往是各向异性的，作为海床与海洋 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。因此，本文结合国家自 然科学基金重点项目“海洋土的工程特性及其地基的变形机理研究 ( n o 5 0 6 3 9 0 1 0 ) 和国家自然科学基金项目“复杂应力状态下土的本构模型及其在海床动力学中的应用 ( n o 5 0 1 7 9 0 0 6 ) ，利用先进的“土工静力一动力液压三轴一扭转多功能剪切仪 ，针对 饱和砂土开展了考虑主应力方向旋转变化的系列椭圆应力路径试验研究。主要研究内容 和研究成果如下： 1 进行了大量主应力轴连续旋转条件下的椭圆应力路径试验，探讨了不同椭圆应力 条件下饱和砂土的变形与强度特性，其结果填补了以往仅进行圆形应力路径试验研究的 不足。结果表明，与弹性解基础上得到的偏应力保持不变的圆形应力路径相比，椭圆应 力路径条件下的饱和砂土动强度发生较大范围的变化，所得到的变形性质也更为复杂。 2 通过专门设计的对比试验，系统地研究了主应力方向旋转试验中竖向偏差应力与 剪应力幅值之比对饱和砂土动强度的影响。研究表明：当保证椭圆面积不变时，土样会 在竖向偏差应力与剪应力的幅值之比达到某一临界值时表现出最高的强度，应力幅值之 比偏离此临界值越远，土样强度越低。初始主应力方向角、固结偏应力比与初始中主应 力系数对此临界值均存在影响，文中给出了相应的取值范围。 3 研究了复杂初始应力状态下饱和砂土的动强度特性。研究表明：初始主应力方向 角与固结偏应力比对饱和砂土的动强度影响显著，而初始中主应力系数的影响不大。文 中给出了饱和砂土动强度随各因素变化的参考幅度。 4 研究了复杂初始应力状态下饱和砂土的动应变特性，分析初始主应力方向角、固 结偏应力比、初始中主应力系数以及动应力幅值等因素对饱和砂土的动应变发展的影 响。研究表明：非均等固结条件下，固结偏应力比对广义剪应变增长模式影响最为显著； 初始主应力方向角对饱和砂土应力应变关系特性影响最大。通过对大量试验数据的回 主应力方向旋转变化条件下饱和砂土的动力特性试验研究 归分析，得到一个可以描述不同固结偏应力比条件下累积广义剪应变随振次增长趋势的 统一公式。 5 分析孔隙水压力发展的时程曲线，研究饱和砂土的动孔隙水压力增长特性，分析 各种因素对动孔隙水压力增长特性的影响。研究表明：非均等固结条件下，固结偏应力 比对归一化后的孔隙水压力随振次增长模式影响最为显著；不同固结条件下的归一化孔 隙水压力随应变增长模式却基本相同。建立了复杂应力条件下饱和砂土孔隙水压力的发 展模式。 关键词：饱和砂土；动力特性；主应力方向旋转；椭圆应力路径；初始主应力方向角； 固结偏应力比；初始中主应力系数 大连理工大学博士学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d y o ne f f e c to fr o t a t i o no fp r i n c i p a ls t r e s s 0 r i e n t a t i o no ns a t u r a t e ds a n d a b s t r a c t m e c h a n i c a lb e h a v i o ro fs o i li sc l o s e l ya s s o c i a t e dw i t ht h el o a d i n gp a t t e r n s t e s tr e s u l t s h a v es h o w nt h a tl a r g e rp l a s t i cv o l u m e t r i cs t r a ma sw e l la sh i g h e rg r o w t hr a t eo fp o r ew a t e r p r e s s u r ew o u l db eg e n e r a t e di nm u l t i d i r e c t i o n a ls h e a r i n gt h a ni nas i n g l e - d i r e c t i o n a lo n e l o w e rr e s i s t a n c eo fs a n dt ol i q u e f a c t i o nw a sa l s oo b s e r v e du n d e rt h er o t a t i o no fp r i n c i p a l s t r e s so r i e n t a t i o n p r i n c i p a ls t r e s sr o t a t i o ni st h et y p i c a ls t r e s sp a t hw h e ns e i s m i co rw a v el o a d i sa p p l i e do nt h es o i l b u tt h es t u d yi nt h i sa s p e c ti sl e s s a n da l m o s ta l lt h ee x i s t i n gr e s e a r c h d a t ai sa b o u tc i r c u l a rp a t h i th a sb e e nh a r d l ys t u d i e df o rm o r eg e n e r a lc o n d i t i o no fo v a lp a t h m o r e o v e r i n i t i a ls t r e s sc o n d i t i o nh a ss i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h ed y n a m i cb e h a v i o ro fs a n d a sab a s i ca n di m p o r t a n ti s s u ei nt h ee v a i u a t i o no ft h es t a b i l i t yo fs e a b e da n do c e a n e n g i n e e r i n gs t r u c t u r e s t h ec o m p l e xi n i t i a la n i s o t r o p i cs t r e s ss t a t ea sw e l ia st h ec o m p l e x v a r i a t i o np a t t e r no fc y c l i cs t r e s sm u s tb et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o ni ns t u d y i n gt h ed e f o r m a t i o n a n ds t r e n g t hp r o p e r t i e so fs a n d s f o rt h i ss a k e ，p l e n t yo fs h e a rt e s t su n d e ro v a lp a t h sw e r e d e s i g n e da n dp e r f o r m e do nf u j i a ns t a n d a r ds a n du s i n gt h es o i ls t a t i ca n dd y n a m i cu n i v e r s a l t r i a x i a la n dt o r s i o n a ls h e a ra p p a r a t u s 矶1 ep r e s e n tr e s e a r c hi ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o nk e yp r o je c to fs t u d yo ne n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so fm a r i n es o i l a n dd e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h ef o u n d a t i o n ( n o 5 0 6 3 9 0 1 0 ) a n dt h en a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o np r o j e c to fs t u d yo nc o n s t i t u t i v em o d e lo fs o i lu n d e rt h ec o m p l e xs t r e s s c o n d i t i o na n di t sa p p l i c a t i o ni ns e a b e dd y n a m i c s ( n o 5 017 9 0 0 6 ) e x p e r i m e n t a ls t u d yo n r o t a t i o no fp r i n c i p a ls t r e s so r i e n t a t i o nw a sf o c u s e do n n l em a i nc o n t e n to ft h ec u r r e n t r e s e a r c ha r ea sf o l l o w s ： 1 p l e n t yo fb i d i r e c t i o n a ls h e a rt e s t su n d e ro v a lp a t h sw e r ed e s i g n e da n dp e r f o r m e dt o r e s e a r c ht h ed e f o r m a t i o na n ds t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c so fs a t u r a t e ds a n d t h er e s e a r c hc a n r e m e d yt h ed e f i c i e n c yo fp r e v i o u ss t u d yo nc i r c u l a rp a t ho n l y t h er e s u l t ss h o wt h a t , w h e n c o m p a r e dt ot h er e s u l t so fc i r c u l a rp a t h st e s t s ，t h ed y n a m i ci n t e n s i t yo fs a n dg a i n e di no v a l p a t h st e s t sc h a n g e si na w i d er a n g e a n dt h ed e f o r m a t i o np r o p e r t i e sa r em o r ec o m p l i c a t e d 2 t h ee f f e c to fm a g n i t u d er a t i oo f n o r m a ls t r e s sd i f f e r e n c ea n ds h e a rs t r e s so nd y n a m i c r e s i s t a n c eo fs a t u r a t e ds a n dh a sb e e nr e s e a r c h e db ys p e c i a ld e s i g n e dc o n t r a s tt e s t s t h er e s u l t s s h o wt h a t , w h e nt h eb o u n d i n ga r e ao fo v a lp a t h si sk e p tc o n s t a n t ，ac r i t i c a lv a l u eo ft h es t r e s s m a g n i t u d er a t i oc o u l db ef o u n d ，u n d e rw h i c ht h eh i g h e s tr e s i s t a n c eo fs p e c i m e ni so b s e r v e d 1 1 1 em o r et h es t r e s sr a t i od e v i a t e sf r o mt h ec r i t i c a lv a l u e t h el o w e ri n t e n s i t yo fs a n di s 主应力方向旋转变化条件下饱和砂土的动力特性试验研究 b e h a v e d i n i t i a lo r i e n t a t i o no ft h em a j o rp r i n c i p a ls t r e s s ，c o n s o l i d a t e dd e v i a t o rs t r e s sr a t i o ， a n di n i t i a lt o e 街c i e n to fi n t e r m e d i a t ep r i n c i p a ls l l e s sa l lh a v ee f f e c t so i lt h ec r i t i c a lv a l u e t h e c o r r e s p o n d i n gc r i t i c a lv a l u er a n g e i sg i v e ni nc h a p t e r3 3 d y n a m i cs t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c so fs a t u r a t e ds a n du n d e rc o m p l e xi n i t i a l s t r e s s c o n d i t i o nh a v eb e e nr e s e a r c h e d t h er e s u l t ss h o wt h a t , t h ed y n a m i cs t r e n g t ho fs a n di s s t r o n g l yd e p e n d e do ni n i t i a lo r i e n t a t i o no f t h em a j o rp r i n c i p a ls t r e s sa n d c o n s o l i d a t e dd e v i a t o r s t l e s sr a t i o b u tl e s sa s s o c i a t e dw i t hi n i t i a lc o e f f i c i e n to fi n t e r m e d i a t ep r i n c i p a ls t r e s s t h e r e f e r e n c ev a r i a t i o nr a n g eo fr e s i s t a n c eo fs a n dc h a n g i n gw i t l lt h ei n f l u e n c ef a c t o r si sg i v e n 4 d y n a m i cs t r a i nr e s p o n s eo fs a t u r a t e ds a n du n d e rc o m p l e xi n i t i a ls t r e s sc o n d i t i o nh a s b e e nr e s e a r c h e d f a c t o r si n f l u e n c et h ed e v e l o p m e n to fd y n a m i cs t r a i na r ea n a l y z e ds u c ha s i n i t i a lo r i e n t a t i o no ft h em a j o rp r i n c i p a ls t r e s s ，c o n s o l i d a t e dd e v i m o rs t r e s sr a t i o ，i n i t i a l t o e 伍c i e n to fi n t e r m e d i a t ep r i n c i p a ls t r e s sa n da m p l i t u d eo fc y c l i cs t r e s s e s au n i f i e d d e v e l o p m e n tm o d e lo fd y n a m i cs t r a i nf o rd i f f e r e n tc o n s o l i d a m dd e v i a t o rs t r e s sr a t i oh a sb e e n p u tf o r w a r d 5 t h ed e v e l o p m e n tc h a r a c t e r i s t i co fd y n a m i cp o r ew a t e rp r e s s u r ei si n v e s t i g a t e db y a n a l y z i n gt h et i m e h i s t o r yc u r v eo fp o r ew a t e rp r e s s u r ea n dc o n s i d e r i n gv a r i o u si n f l u e n c e f a c t o r s n l er e s u l t ss h o wt h a t c o n s o l i d a t e dd e v i a t o rs t r e s sr a t i oh a st h em o s ts i g n i f i c a n te f f e c t o nn o r m a l i z e dp o r ew a t e rp r e s s u r ed e v e l o p e dw i t hn u m b e ro fc y c l e s a n dt h en o r m a l i z e dp o r e w a t e rp r e s s u r ed e v e l o p e dw i t hg e n e r a l i z e ds h e a rs t r a i ni si n d e p e n d e n to fv a r i o u si n i t i a ls t r e s s c o n d i t i o n t h e nt h ed e v e l o p m e n tm o d e lo fr e s i d u a lp o r ew a t e rp r e s s u r ew i t hc y c l i cn u m b e r s a n dg e n e r a l i z e ds h e a rs t r a i na r eb o t he s t a b l i s h e d k e yw o r d s ：s a t u r a t e ds a n d ；d y n a m i cb e h a v i o r ；r o t a t i o no fp r i n c i p a ls t r e s so r i e n t a t i o n ；o v a l p a t h ；o r i e n t a t i o no ft h em a j o rp r i n c i p a ls t r e s s ；c o n s o l i d a t e dd e v i a t o rs t r e s sr a t i o ；c o e f f i c i e n to f t h ei n t e r m e d i a t ep r i n c i p a ls t r e s s i v 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：兰避 曰期：趋晕2 ：兰i z 大连理工大学博士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交 学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理王 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名： 尘生年l 月丑日 大连理工大学博士学位论文 1绪论 土是人类最早接触的物质，也是古代人类最早使用的工具和武器。“水来土掩”、“兴 人徒以傅土 、“载四时，以开九州，通九道，陂九泽，度九山”等说的都是大兴土方工 程。与人类有如此密切关系的土，必将成为人类哲学的载体，人类与万物“生发于土， 归藏于土”，土也就成为哲学的物质基础。岩土是自然地质历史的产物，充满了独特性 和变异性，造成岩土中的强度、变形和渗透三大工程问题，引发相应的地质灾害和工程 事故。岩土材料所表现出的极大的不可确知性，使岩土工程充满了风险与挑战i l l 。随着 2 0 世纪2 0 年代太沙基的土力学专著问世，几十年来，土力学得到了突飞猛进的发 展，在各类工程建设中起到了重要的作用。到目前为止，如果仅从技术上来讲，土力学 已经有能力应付一切复杂的建筑环境，但作为一门科学，土力学还很年轻，而它所工作 的对象却是那么复杂而多变。因此，土力学仍然面临着人类未曾有过的新挑战，工程规 模、工程条件的新变化，给土力学提出了一系列亟待解决或需要合理解决的新课题【2 】。 现代土力学包括四个分支，即理论土力学、计算土力学、实验力学和应用土力学 【3 】。理论土力学是土力学学科发展的龙头，其主要活动对象之便是土动力学。土动力 学是研究地震、波浪及机器基础等动荷载作用下土体的动变形、动强度和稳定的一门学 科【4 1 。如何把土在受上述复杂动荷载以后所表现出来的应力、变形、强度和稳定以及时 间因素的影响等特征作为一个整体来研究其本构关系则是现代土力学阶段的重点【5 】。土 的本构关系的研究也对土性的测试技术及其精度提出了更高的要求。而土力学是一门试 验性很强的学科，实验土力学是基础。室内土工测试测定土体特性，由于具有土样受力 状态比较明确和试验条件易于控制的优点，在科研和生产实践中得到广泛应用。 土的动力特性研究和土体动力反应分析是土动力学的核心内容。近2 0 多年来，许 多土动力学学者以动荷作用下反应敏感的饱和砂土为研究对象，针对饱和砂土在动荷作 用下孔压随时间逐渐发展、强度随时间逐渐发挥、变形随时间不断增大直至破坏的动力 失稳过程，就饱和砂土的动本构特性、动强度特性和动孔隙水压力的发展变化机理取得 了一系列有意义的成果，但是，由于所涉及问题的复杂性和认识上的不足，使得现有的 研究成果和反应分析原理尚存在许多不足。其中，存在的突出问题就是考虑复杂应力条 件下土的动力特性及其本构关系1 6 j 。为了探讨复杂初始应力状态和循环荷载模式下土的 应力一应变关系、孔隙水压力与残余变形发展规律、液化强度等性质，研制高精度多功 能现代土工试验设备是十分必要的。土工试验必须能够再现和模拟现场应力状态【| 7 1 。 1 1 研究背景 主应力方向旋转变化条件下饱和砂土的动力特性试验研究 中国位于世界两大地震活动带( 环太平洋及喜马拉雅构造带) 之间，地震区域广阔而 分散，地震频繁而强烈。据历史记载，几乎中国各省都曾发生过破坏性地震。2 0 世纪以 来全球发生的7 级以上强震中，中国占3 5 ，有3 次震级为8 5 级以上的巨大地震，8 次震级为8 o 级以上的特大地震发生在中引8 9 j 。中国是世界上地震灾害最为严重的国家 之一。地震使城市房屋、工业厂房与设备、城市建设、交通运输、水电设施及临近的水 利工程遭受严重破坏。同时随着社会的进步，科技和经济的迅猛发展，世界各国对各种 不可再生类资源的需求越来越大。我国大陆海岸线长达1 8 0 0 0 多公里，海洋石油资源量 约2 4 0 亿吨，天然气资源量1 4 万亿立方米，滨海砂矿资源量3 1 亿吨，在国际海底区域 还拥有7 5 万平方公里多金属结核矿区i lo j 。为使我国在2 1 世纪中叶进入中等发达国家 水平，解决人口、资源和环境问题的一条重要出路就是有效地开发、利用和保护海洋资 源l l 。海洋资源与海洋空间的开发与利用极大地促进了海洋工程的发展，一些大型的海 洋结构物与设施，如海底管线、防波堤、海洋石油平台、超大型浮式海洋结构物以及海 上发射平台等不断得以修造。然而由于海工建筑物与设施的地基所经受的应力历史以及 受力情况均十分复杂，除了承受建筑物自重长期作用以外，还经常遭受暴风波浪、冰荷 载、水流、风与地震荷载的瞬时或循环作用，海洋环境与动力荷载条件极端恶劣，与陆 地上情况相比，这些海洋工程结构与地基的动力响应、变形及破坏存在显著差别。在海 洋开发与工程建设中，海床或海洋地基的失稳往往造成巨大的生命和财产的损失。例如： 风暴过后的埋设管线浮起1 1 2 1 、密西西比三角洲现场监测设施的沉陷【l 引、我国渤海地区发 生的平台滑移与倾斜【1 4 j 以及南海莺歌海盆地砂土液化i l5 j 等。因此，在暴风波浪或强烈地 震等复杂振动或循环荷载作用下海洋土的强度与变形特性以及本构模型的研究成为了 土力学与岩土地震工程研究中至关重要的基本课题。 如图1 1 所示，在海洋工程中波浪荷载是最重要的基本荷载，海洋表面波浪的周期 性运动在海床表面产生了往复的波压力，在这种循环波压力作用下，正应力的偏差与剪 应力及其组合而成的总偏差应力均在循环的变化着，海床中土体的主应力轴发生了持续 不断的旋转1 16 1 7 】。已有试验研究表明，主应力轴连续旋转将会使砂土的液化强度显著降 低，且孔隙水压力升长速率加快 1 配1 1 。与波浪荷载相类似，地震荷载以及在公路和铁路 的路基中由交通荷载所产生的剪应力也同样以主应力方向旋转为特征。另外，在抗震设 计或分析中，通常认为水平地震动的作用大于竖向地震动，故往往只考虑水平地震动的 影响。随着国内外数字化强震动台网的建设、地震破坏现象以及地震数据的进一步积累， 使得越来越多的学者意识到应该充分重视竖向地震动的作用，仅仅考虑水平向地震动作 用是不够的。2 0 0 1 年我国滦县地震，2 0 0 8 年汶川大地震，在近场地震中或发震断层附 近均记录到了较强的竖向地震动，一些场点记录到的竖向地震动峰值甚至超过水平向地 大连理工大学博士学位论文 口l d 图1 1 波浪荷载作用下海床土体中的动主应力轴连续旋转 f i g 1 1r o t a t i o no fc y c l i cp r i n c i p a ls t r e s sa x e su n d e rw a v el o a d i n g 震动峰值一，2 2 j 。 因此根据建筑物地基的受力特点，在试验中采用能够考虑各种复杂应力条件( 例如 主应力轴的连续旋转) 的试验设备，比较真实地反映如波浪荷载作用下海洋建筑物地基 的实际应力状态，并以此开展饱和砂土的变形与强度特性和本构模型、建筑物地基的动 力响应分析方法、建筑物地基现代设计理论等方面的研究是十分必要的，具有极其重要 的学术意义与工程实用价值，不仅会推动土力学学科的发展，而且将为如海洋的开发与 利用提供技术支持，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。 1 2 国内外研究现状及发展动态 1 2 1 土的动力特性室内试验设备的发展 土体的室内试验是指室内对土体，及土体原型或模型的测试理论、测试设备和测试 技术的研究，由于具有土样受力状态比较明确和试验条件易于控制的优点，在科研和生 产实践中得到广泛应用。它直接影响着土力学的发展，起着正确揭示固有规律和完善计 算分析的重要作用，是土力学发展的基础。动力试验研究地震作用时通常将地震波看作 是循环荷载作用于土上，在实验室中以等幅等周期的循环荷载模拟地震动荷载。土动力 问题研究的应变范围很大，需要用不同的测试方法确定土体动力稳定计算中所用的参 数。在室内可以做从小应变到大应变的试验：动强度与液化试验研究试样大应变时的动 力性质，动模量阻尼比试验研究试样小应变时的动力性质。土动力学室内试验，从低应 力水平、简单应力状态下的动三轴试验、动单剪试验、动扭剪试验发展到较高应力水平、 复杂应力状态下的真三轴试验、空心圆柱三轴一扭剪耦合试验，另外还有室内大型振动 主应力方向旋转变化条件下饱和砂土的动力特性试验研究 台试验和离心模型试验等，为了合理地进行土体和土一结构相互作用体系的动力分析和 抗震设计，必须通过试验很好的了解土材料本身在静力和循环荷载作用下的变形和强度 特性。因此，要弄清楚土体的应力一应变关系特性，需要不断地进行新型设备的研制与 开发，不断提高试验设备的测试精度，并在此基础上开展大量的土工试验研究。表1 1 给出了各种土动力学试验设备都有其明显的适用范围。 表1 1 室内土动力学仪器介绍简表 t a b l e1 1s u m m a r y o fl n d o o rs o i ld y n a m i c sa p p a r a t u s 符号说明：q 、吒、分别代表试样单元体所受的大、中、小主应力，a o - 。、a a 3 分别代表单元 体所受大、小主应力增量 采用振动三轴仪进行土的动力特性试验研究的思路最早是由我国学者黄文熙教授 提出来的，以后在国内外发展很快，很多学者利用振动三轴仪进行了大量的试验研究并 取得了可喜的研究成果。日本龙岗文夫等旧j 对无粘性土动力特性三轴试验研究进展进行 了比较全面的总结，指出尽管三轴仪不能模拟土体单元中主应力方向连续旋转等特点， 但是在测定土的强度与变形特性方面仍不失为一种有效的试验方法。目前关于土的动力 特性的试验研究，振动三轴仪仍然是比较主要的试验设备 2 4 - 2 9 。然而，振动三轴仪在进 行较复杂应力条件下的土动力特性试验研究上具有较大的局限性，不能反映不同初始主 应力方向和不同的初始中主应力系数，也无法实现振动过程中主应力方向的连续旋转。 4 大连理工大学博士学位论文 因此，又先后研制出了各种振动扭剪三轴仪。在国外，早在1 9 3 6 年，c o o l i n g 等p u j 就对 空心圆柱土样进行了扭剪试验；i s h i h a r a 等 3 l 】利用振动扭剪仪进行了砂土的动力试验， 并探讨了非规则循环荷载对砂土动力特性的影响【3 2 】；l a d e 3 3 】通过试验表明了主应力方向 旋转对砂土应力一应变特性的影响；h i g h t 等【3 4 j 发展了一种新的空心圆柱试验设备，对 土中主应力方向连续旋转的影响进行了专门研究，研究表明：在空心圆柱状试样壁上， 通过联合施加轴向荷载、扭矩和内外侧压力，可以同时控制试样体的大主应力与小主应 力的大小和方向及中主应力的大小，并阐述了该设备的试验操作方法和原理，试样体上 的应力与应变计算和减少试样体应力不均匀性的途径。i s h i h a r a 等l l6 ，2 1 j 在日本诚研舍制 造的空心扭转剪切仪的基础上进行了改造，增加了竖向加载系统，在均等固结条件下研 究了循环三轴、循环扭剪和主应力方向连续旋转三种不同循环应力路径下的砂土液化特 性。但是在试验中将波浪荷载当作静力非常缓慢地施加于试样上而无法考虑动力效应。 国内，在类似设备的研制与开发方面起步较晚，清华大学率先在由美国引进的拟静 扭剪共振柱仪的基础上进行了一系列的改造工作 3 5 3 8 】，西安理工大学从1 9 9 1 年与中国 水利水电科学研究院仪器所合作研制加工了拉压一扭剪耦合的新型振动三轴仪，为进行 考虑中主应力影响和主应力轴旋转影响的振动模拟试验提供了条件【3 9 ，4 0 | 。大连理工大学 全面提出了“土工静力一动力液压三轴一扭转剪切仪 的技术参数以及详尽的功能要求， 与日本诚研舍株式会社共同研制开发了该设备，并在此基础上针对福建标准砂进行了大 量的考虑初始主应力方向和中主应力系数等复杂应力条件下的循环扭剪、循环三轴、轴 向一扭转双向耦合剪切试验f 4 卜4 3 1 。在“2 1 1 工程”项目的支持下，河海大学也完成了类 似设备的研制和相关的试验研究工作【4 4 删。李作勤4 7 1 在对国内外类似设备进行综合分析 的基础上阐述了静力扭转剪切三轴仪的特点及其基本设计原则，讨论了试验中的应力状 态和应力路径的控制方法。 1 2 2 复杂应力条件下土的剪切特性试验研究 1 2 2 1 主应力轴连续旋转的影响 m a d s e n 等、i s h i h a r a 等【l6 】、y a m a m o t o 掣4 8 1 探讨了波浪荷载在海床中引起的应力 变化。其中，i s h i h a r a 与t o w h a t a 等将其海床假设为半无限弹性体，波浪荷载假设为正 弦波来探讨波浪荷载在海床中引起的应力变化，如图1 2 所示。按照m a d s e n 等l l7 j 提出 的弹性解，在一个线性波作用过程中，无限深度的弹性海床中一点的总偏差应力 ( q a 3 ) 2 保持不变，而主应力轴连续旋转1 8 0 。由于海床通常是具有一定厚度的非弹 性体，实际条件下的主应力轴旋转不会与上述弹性解完全吻合，但可以定性判断：不规 则的循环或瞬时波浪荷载使海床土体单元产生多向振动，三个主应力轴方向发生一定范 主应力方向旋转变化条件下饱和砂土的动力特性试验研究 围的连续偏转，中主应力系数也不断循环交变。这种主应力方向的连续旋转或反复转动 不仅受波浪荷载时出现，受地震或交通荷载时也会出现。 早在2 0 世纪8 0 年代i s h i h a r a 等【1 6 1 、t o w h a t a 等【4 9 】相继利用空心圆柱状试样对日本 标准砂进行了不排水剪切试验。结果表明，总偏差应力f 吼一仃，) 2 大小不变的情况下， 仅大主应力方向的连续旋转就能在试样体内引起超孔隙水压力，导致较大塑性变形的产 生和强度的降低。中田幸男【5 0 】采用自动控制式空心圆柱扭剪仪进行了应力控制式、应变 控制式扭剪试验，探讨了主应力方向固定、主应力方向连续旋转、主应力方向不同程度 往复变化时的砂土不排水剪切特性。指出主应力方向的变动对砂土的动力特性影响较 大。 国内沈瑞福等【2 0 】将共振柱动扭剪仪改造成为双向振动扭剪仪并针对砂土进行了常 规动扭剪、常规动三轴和动主应力轴连续旋转条件下的不排水剪切试验，着重研究了孔 隙水压力的发展规律。分析结果表明，当动主应力轴旋转时，土的强度明显降低，降低 幅度可达到1 5 ，破坏次数大为减小，指出了实际工程中应予以慎重考虑。 王平安等【5 l j 利用标准砂分别对主应力轴旋转和主应力方向固定不变两种条件下的 不排水剪切特性进行了试验研究。试验研究表明主应力轴从9 0 。变化至u + 9 0 0 过程中产生 了较明显的孔隙水压力，其动强度与主应力轴固定不变的情况相比约降低2 0 ，并提出 了动强度比和振动次数之间的经验关系。 姚仰平等【5 2 】利用国内首创的振动拉压扭剪三轴仪，对圆柱型饱和砂土试样进行了大 量的动力试验，揭示了中主应力系数、主应力轴连续旋转及剪切胀缩性对土变形与强度 特性的重要影响，并在此基础上建立了能够反映主应力轴旋转、中主应力系数及剪切胀 缩性等对砂土动力特性影响的土动力非线性本构模型。 郭莹等【4 3 】针对福建标准砂进行了循环扭剪、动三轴、轴向一扭转双向耦合剪切试验。 指出在动主应力轴连续旋转的轴向一扭转双向耦合剪切条件下，砂土的动强度明显降 低，与单向循环扭剪条件下的动强度相比约降低1 0 - 3 0 。 沈扬【5 3 】采用空心圆柱仪，针对杭州典型原状黏土进行了主应力轴方向突变与连续旋 转条件下的单调、循环剪切试验，深入探讨了主应力方向的变化对原状黏土强度和孔压 等剪切特性的影响。 聂影 5 4 1 采用土工静力动力液压三轴扭转多功能剪切仪，系统地探讨了不同试验因 素对重塑黏土在主应力轴连续旋转条件下剪切特性的影响，通过引入应力洛德参数和中 主应力系数来描述土体应力状态的循环变形特性，揭示了循环三轴扭转耦合试验中不仅 主应力轴方向在连续旋转，应力洛德参数和中主应力系数也在1 和+ 1 之间不断连续变 化。 大连理工大学博士学位论文 1 2 2 - 2 主应力方向、固结偏应力比、中主应力系数及初始物理状态的影响 地基上的附加应力很容易引起主应力方向偏转等地基内应力状态的改变。这种受动 荷载之前的初始应力状态的不同对砂土的强度和变形均有很大的影响。又比如在真三轴 动应力条件下，主应力仉、仃，、以的大小和方向在不断变化，因此中主应力系数b 也 在不断地变化，而这种变化将直接影响土的强度和变形的发展。这里主要阐述主应力方 向偏转角、固结偏应力比、中主应力系数、相对密度的影响等研究成果。 y o s h i m i n e 等f 5 5 】利用自动控制式空心圆柱扭剪仪，针对不同密度、不同固结压力情 况进行了单调剪切试验，主要研究了中主应力系数、主应力方向角、相对密度对有效应 力路径、应力一应变曲线的影响。试验指出对于任一密度，当主应力方向角越大、中主 应力系数越大，砂土产生更大的超孔隙水压力。认为主应力方向角的影响是由于试样的 各向异性所造成，其影响程度取决于制样方法。同时指出在三轴拉伸条件下的不排水剪 切特性比三轴压缩状态下的剪切特性具有更显著的应变软化特性或具有更大的流动势， 这可能与大主应力方向的偏转或中主应力系数的增大有关。认为实际工程中应十分重视 野外实际应力条件。s a t o 等【5 6 】经过一系列不排水扭剪试验，也指出了主应力方向对强度 和变形的影响，当主应力方向与竖轴之间的夹角为6 0 。时，循环强度最低，超孔隙水压 力和剪应变的发展最为显著，此时潜在滑动面几乎与水平结构面平行。 m u t h a y a k u m a r 等l y 7 】对多轴加载条件下的静态液化进行了研究。试验中固定主应力 方向角和中主应力系数不变，针对不同密度、不同固结压力时的剪切特性进行了探讨。 指出了中主应力系数、主应力方向角均对有效应力路径、应力一应变关系具有不同程度 的影响。 y u k i on a k a t a 等【5 8 】对两种不同中密砂试样进行了主应力方向固定的单调剪切试验。 试验指出，主应力方向偏转角对应力一应变关系，有效应力路径具有不容忽视的影响。 试验发现，秋惠砂始终呈现硬化现象，而丰浦砂则出现了应变软化现象，且主应力方向 角越大，应变软化现象越明显。指出对于不同性质的砂土，应变软化现象在较高的密度 条件下仍有可能出现。中田幸男【5 0 】还特别探讨了主应力轴往复转动时的转动中心角的影 响，也就是试样初始主应力偏转角的影响，以初始主应力偏转角= 0 。、3 0 。、9 0 。为例 进行了一系列实验。试验结果表明，初始主应力偏转角不同，广义剪应变的发展模式也 不同。例如，针对= 0 9 情况，第5 次循环时广义剪应变y 开始迅速增长，而口。= 9 0 。情 况，第2 次循环时广义剪应变已开始出现显著的增长。 h u i m i n gz h a n g ，l o dk 等1 5 9 】，p vl a d e 等1 6 针对具有不同密度的砂土进行了多组 单调剪切试验，从而研究了静态液化。试验结果均表明相对密度对有效应力路径、应力 主应力方向旋转变化条件下饱和砂土的动力特性试验研究 一应变关系的影响十分显著。相对密度越高的砂土在不排水条件下不易出现应变软化现 象。 国内王洪瑾等人f 6 1 ，6 2 】利用空心圆柱动扭剪仪，进行了复杂应力状态下初始主应力偏 转角和中主应力系数b 值对动强度与变形特性影响的实验研究，表明随着a 。的增加 动强度明显降低，当b = 0 2 5 时，a 。= 7 0 。时的动强度比口。= 0 。时降低了3 0 ，但b 值对 动强度的影响相对较小，b = 0 5 时的动强度比b = 0 2 5 时的动强度降低不超过9 。王洪 瑾1 6 2 】等人在动三轴扭剪仪上还进行了变相位、变幅值的双向振动试验，试验结果发现， 双向振动与水平单向振动相比，动强度也有明显的降低，且其降低程度与动应力的相位 差和振幅有关，与振前应力状态无关。 李万明等1 3 5 ，3 6 通过拟静扭剪共振柱仪进行改造后，在非均等条件下施加初始剪应 力，使初始主应力轴发生不同程度的偏转，研究了初始大主应力方向与水平面的夹角对 少粘性土的抗液化强度的影响，李万明等进一步阐述了初始主应力方向角对粉土动力特 性的影响，指出了初始主应力轴的偏转反映了初始应力洛德角、各向异性以及动应力效 应的综合影响，并给出了不同初始主应力轴偏转角对动强度及振动孔隙水压力增长规 律、振动残余应变发展规律的影响。 姚仰平等【5 2 , 6 3 】在论文中还着重探讨了中主应力系数、各向异性固结条件等对动力剪 切特性的