（工程力学专业论文）动荷载作用下土体破坏的突变理论应用.pdf

摘要 摘要 本文针对饱和松砂，进行了大量的各种复杂应力条件下的试验研究，进而对于 循环剪切荷载作用下饱和松砂的变形与强度特性进行了比较全面而系统的分析。本 文利用突变理论建立了饱和松砂的本构模型，用尖点突变模型来模拟了其剪切破坏 的发展过程。通过对试验资料的回判，认为这一方法可以用来判断饱和松砂的破坏。 试验主要为循环扭剪试验，此试验重点是模拟饱和松砂在地震荷载作用下的破 坏过程。在试验中，针对应力一应变发展模式和孔隙水压力发展特性，探讨了初始 大主应力方向、中主应力系数等的影响。试验表明，初始主应力方向角对应力一应 变模式的影响十分显著。在非均等固结条件下，当大主应力方向与竖向之间的夹角 为0 0 、9 0 0 时，土体发生破坏时变形以正应力偏差引起的轴向变形为主。相反，在非 均等条件下，当大主应力方向与竖向之间的夹角为3 0 0 、4 5 0 、6 0 0 时，试样发生破坏 时剪切变形的分量很大。而且这种规律似乎与中主应力系数没有必然的联系。因此 认为初始剪应力的作用不容忽视。而在均等固结条件下，试样固结时没有剪应力的 预剪作用，此时剪应变的循环效应和累积效应均十分显著。由于在均等固结条件下 强度随循环振次的增加而逐渐降低，导致了试样的残余累积变形发展较快。 对饱和砂土的初始2 5 种状态下的孔隙水压力和广义剪应变的发展时程进行了 分析。试验结果表明，三向非均等固结应力条件下，孔隙水压力始终达不到初始固 结有效平均应力，因此无法按照通常的初始液化定义( 即孔压达到初始固结有效应 力) 作为破坏标准。实际中发现，在振动过程中，即使孔隙水压力未达到有效平均 固结压力而稳定在某一水平附近，变形将仍然发展非常迅速。这种变形同时包括了 轴向变形和剪切变形，因此这里选用以广义剪应变达到5 作为破坏标准。 以往利用突变理论建立土的本构模型多以孔压比作为状态变量，对土的液化进 行判断。本文在试验分析的基础上，将广义剪应变引入作为状态变量，弥补了以往 利用孔压比作为判断依据的不足。根据试验数据以及砂土特性建立其物理边界条件， 并对模型中的有关参数进行了确定，完善了本构模型公式。还根据试验数据，对振 能因子系数进行了修正，增加了此本构模型灵活性和准确性。最后通过对试验数据 的回判，可以看出此模型有较高的准确性。因此认为将突变理论应用到复杂应力作 用下饱和砂土的破坏中是可行的。 关键词：复杂应力状态；孔隙水压力；广义剪应变；饱和砂土破坏；尖点突变模型 摘要 a b s t r a c t al a r g ev a r i e t yo fe x p e r i m e n t sa b o u ts a t u r a t e dl o o s es a n du n d e rc o m p l e xs t r e s s c o n d i t i o n sw e r e d o n ei nt h i st h e s i s t h e nc o m p r e h e n s i v ea n ds y s t e m a t i c a n a l y s i so n d 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 dl o o s es a n d ，w h i c hi su n d e rt h e m o n o t o n o u sa n dc y c l i cs h e a rl o a d ，w a sd o n e b yu s i n gm u t a t i o nt h e o r y ，ac o n s t i t u t i v em o d e o fs a t u r a t e dl o o s es a n dw a sb u i l d ，a n ds h a r pp o i n tm u t a t i o nm o d e lw a su s e dt os i m u l a t et h e d e v e l o p m e n tp r o c e s so fi t ss h e a rf a i l u r e t h r o u g ht h ej u d g eo f t h et e s td a t a ，i ti sb e l i e v e dt h a t t h i sm e t h o dc a nb eu s e dt od e t e r m i n et h ed a m a g eo fs a t u r a t e dl o o s es a n d t h ee x p e r i m e n tw a sm a i n l yd o n et h r o u g hc y c l i cs h e a f i n g ，a n dt h ek e yp o i n ti st h e s i m u l a t i o no fd a m a g ep r o c e s so fs a t u r a t e dl o o s es a n du n d e re a r t h q u a k ec o n d i t i o n w h e n d o i n g t h ee x p e r i m e n t ，a g a i n s ts t r e s s c o n t i n g e n c ym o d eo fd e v e l o p m e n ta n dt h ed e v e l o p m e n t o ft h ep o r ew a t e rp r e s s u r e ，t h ei m p a c to ft h ep r i n c i p a ls t r e s so nt h ei n i t i a ld i r e c t i o nw a s d i s c u s s e d t e s t ss h o w e dt h a tt h ei m p a c to fi n i t i a lp r i n c i p a ls t r e s sd i r e c t i o na n g l eo nt h es t r e s s c o n t i n g e n c ym o d ei sv e r ys i g n i f i c a n t u n d e rn o n e q u a lc o n d i t i o n s ，w h e nt h ec o n s o l i d a t i o na t t h el e v e lo fs t r e s s s h e a rs t r e s st h a ti s0 0a n d9 0 。，t h ep r i n c i p a ld e f o r m a t i o ni sm a i n l yi na x i a l d i r e c t i o nw h i c hi sc a u s e db ys t r a i g h ts t r e s sd e v i a t i o n o nt h ec o n t r a r y ，i n n o n e q u a l c o n d i t i o n s ，w h e nt h ea n g l eb e t w e e ns t r a i g h ts t r e s sd i r e c t i o na n dt h ev e r t i c a li s3 0 0 ，4 5 0 a n d 6 0 0 ， t h ec u m u l a t i v ee f f e c to ft h ec y c l ee f f e c ti sv e r ys i g n i f i c a n t a n dt h i sl a wa p p e a r st ob et h a t t h e r ei sn on e c e s s a r i l yl i n k 、析t l lt h ep r i n c i p a ls t r e s sf a c t o r t h u st h ei n i t i a ls h e a rs t r e s st h a tt h e r o l ec a nn o tb ei g n o r e d c o n s o l i d a t i o ni ne q u a lc o n d i t i o n s ，t h ec o n s o l i d a t i o no ft h es a m p l ed i d n o ts h e a rs t r e s st h er o l eo fp r e c u t a tt h i st i m es h e a rs t r a i no ft h ec y c l ea n dt h ec u m u l a t i v e e f f e c t sa r ev e r ys i g n i f i c a n t ，a n dt h ec u m u l a t i v ee f f e c to ft h i si ss y m m e t r i c a l ，n o tao n e - w a y a st h ec o n s o l i d a t i o nu n d e rt h ec o n d i t i o n so fe q u a ls t r e n g t h 、析t 1 1t h ec y c l eo fv i b r a t i o n t h e i n c r e a s eg r a d u a l l yd e c r e a s e d ，r e s u l t i n gi nac u m u l a t i v es a m p l eo ft h er e s i d u a ld e f o r m a t i o n d e v e l o p e d f a s t e r s o m ea n a l y s i sd o n ef o rt h ei n i t i a l2 5s t a t e so fs a t u r a t e ds a n dw i t ht h ep o r ew a t e rp r e s s u r e a n dt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fg e n e r a l i z e ds h e a rs t r a i n t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h e c o n d i t i o n s 晰t l lt h r e en o n e q u a lt oc o n s o l i d a t i o ns t r e s s ，t h ep o r ew a t e rp r e s s u r eh a sa l w a y s b e e nl e s st h a nt h ei n i t i a lc o n s o l i d a t i o no fa l le f f e c t i v em e a ns t r e s s i sn o ti na c c o r d a n c ew i t l l t h eu s u a ld e f i n i t i o no ft h ei n i t i a ll i q u e f i e d ( t h a ti s ，p o r ep r e s s u r et oa c h i e v et h ei n i t i a l c o n s o l i d a t i o no fe f f e c t i v es t r e s s ) a st h ed e s t r u c t i o no fs t a n d a r d s f o u n di np r a c t i c e ，t h ep r o c e s s o fv i b r a t i o n ，e v e ni ft h ep o r ew a t e rp r e s s u r ed i dn o ta c h i e v ea l le f f e c t i v ea n ds t a b l ea v e r a g e c o n s o l i d a t i o np r e s s u r ei nt h ev i c i n i t yo fac e r t a i nl e v e l ，t h ed e f o r m a t i o no ft h ed e v e l o p m e n t w i l lr e m a i nv e r y q u i c k l y t h i sd e f o r m a t i o ni n c l u d st h e a x i a ld e f o r m a t i o na n ds h e a r i i i 大连交通大学t 学硕十学位论文 d e f o r m a t i o na tt h es a m et i m e ，s oc h o o s et h eg e n e r a l i z e ds h e a rs t r a i nt o5p e r c e n tt ot h e s t a n d a r do fd e s t r u c t i o n i nt h ep a s t ，t h es o i lc o n s t i t u t i v em o d e lb u i l tb ym u t a t i o nt h e o r ym a i n l yu s e dp o r e p r e s s u r ea st h es t a t ev a r i a b l e st oj u d g et h el i q u e f a c t i o no ft h es o i l b a s e do nt h ee x p e r i m e n t ， t h i sp a p e ri n t r o d u c e db r o a ds h e a rs t r a i ni n t ot h em o d e la sas t a t ev a r i a b l e ，m a k i n gu pt h e i n a d e q u a t eo fp o r ep r e s s u r ea saj u d g m e n t a c c o r d i n g t ot e s td a t aa n dc h a r a c t e r i s t i c so fs a n d ， t h ep h y s i c a lb o u n d a r yc o n d i t i o n sw e r ee s t a b l i s h e d ，a n dm o d e lo ft h er e l e v a n tp a r a m e t e r sa r e d e t e r m i n e dt oi m p r o v et h ec o n s t i t u t i v em o d e lf o r m u l a b a s e do nt e s td a t a , t h ev i b r a t i o nc a l l f a c t o rc o e f f i c i e n tw a sa m e n d e d a l li n c r e a s eo ft h ec o n s t i t u t i v em o d e lf l e x i b i l i t ya n da c c u r a c y f i n a l l y ，o nt h eb a c k t e s td a t a , w e c a l ls e et h a tt h i sm o d e lh a sh i g ha c c u r a c y s ot h a tw i l lb e a p p l i e dt ot h em u t a t i o nt h e o r yo fc o m p l e xs a t u r a t e ds a n du n d e rt h es t r e s so ft h ed a m a g ei s f e a s i b l e k e yw o r d s ：c o m p l e xs t r e s ss t a t e ；p o r ew a t e rs t r e s s ；s h e a rs t r a i n g e n e r a l i z e d ：t h e d e s t r u c t i o no ft h es a t u r a t e ds a n d ；c u s pc a t a s t r o p h em o d e l i v 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太董褒通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蔓銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太蔓褒通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太蔓塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：形t 】、丰龟一 日期：) 湖年厂月10e 7 剥币掺秒 日期：w 年6 月p 日 学位论文作者毕业后去向： j 工作单位：为豫司船世俘嚣饱产干筻甭碹公司电话： 侈罗夕秽4 护，毋刀二 通讯地址：邮编： lf 占o 。f 电子信箱：畔p 9 秒k 枥- c 咖 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整交通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 倒、犯 日期：加谬年多月1 0 日 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀 了匕 1 1 研究背景 土动力学问题是土工基础的一项重要内容。多年来，世界各国学者在土石坝、挡土 结构物、地下结构物、地铁和隧道、高层建筑物的抗震稳定方面取得了大量的研究结果， 推动了土动力学及地震工程学的研究和发展。除地震作用下土及土结构物动力特性的研 究之外，地基土在其它动力荷载作用下的强度及变性问题也得到极大的重视，如机器基 础的振动，近海结构物在波浪荷载作用下的响应分析，输电线路基础、高层建筑物基础、 大型桥梁基础在风荷载作用下的稳定问题，软基上路堤在交通荷载作用下的变形问题， 油罐地基在充水、排水的反复加卸荷载作用下的稳定和变形问题等。 复杂应力状态下土的动力特性及其本构模型是当前土动力学研究中的热点问题之 一。在动荷载作用下，饱和可液化土壤可能会发生液化。根据研究发现，可液化土壤涉 及到砾石土、粉砂、细砂、中粗砂以及粉土等土类，这些土类在地震荷载、爆炸荷载或 者机械荷载等的作用下，均有可能产生液化，并造成严重的危害；含饱和砂土层的软土 中由于地铁列车振动而引起的振陷及接缝开裂会造成损害；地震引起的地基失效约5 0 起因于液化，而液化所引起的大变形造成建、构筑物的破坏问题也逐渐为人们所关注；爆 炸引起地震并使砂土液化而产生破坏，早在第二次世界大战时就引起了人们的注意，目 前，我国东南沿海地区许多建筑物、人防结构和地铁隧道结构都构筑在饱和可液化土层 之中或之上，具有一定的受爆炸荷载作用潜在发生液化的危险性。而且随着发展许多的 海洋工程在不断建立中，这些海洋工程的地基大部分为砂土层，因此对于饱和砂土的液 化破坏的研究迫在眉睫。 因此根据动荷载下砂土的受力特点，开展砂土的液化与强度特性和本构模型、含饱 和可液化土层地基现代设计理论等方面的研究是十分必要的，具有重要的学术意义与工 程实用价值，不仅对促进土动力学与岩土地震工程学科发展具有很强的理论意义，同时 对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 近几十年来，由于世界范围内地震活动的频繁，砂土地基失效造成的结构物的大规 模破坏引起了世界各国学者的重视。这就促使人们去研究土壤液化的问题及建立能够适 用于复杂应力条件下的本构模型。迄今，人们已在土壤地震液化的机制分析、判别方法、 试验设备、室内试验和试验技术等多方面开展了大量的研究工作。以下与论文的研究内 大连交通大学工学硕十学位论文 容相结合，对近年来国内外土力学试验中的主要研究成果及本构模型的发展过程加以综 述。 1 2 1 液化机理及其影响因素方面的研究 液化机理及其影响因素是地震液化研究中的一个重点和难点，国内外的许多学者对此 都做出过深入的研究。 c a s a g r a n d e ( 1 9 3 6 ) 5 】试图用临界孔隙比的概念去解释砂土的液化现象。其出发点是砂 土在受剪时，密实砂土体积膨胀，而松砂在同样条件下体积却减小，因此，其间必然存 在一个临界孔隙比。他认为如果砂土层的孔隙比大于临界孔隙比，那么在地震作用下， 砂土层的体积将减小，在不排水条件下孔隙水压力就会增高，则可能发生液化。1 9 7 5 年，他和c a s t r o 进一步提出了“稳态抗剪强度”( s t e a d y s t a t es h e a rs t r e n g t h ) 的概念。 s e e d 和l e e ( 1 9 6 6 ) 6 】在研究中以孔压值作为判断砂土是否液化的依据，并提出了“初 始液化的概念。 m a r t i n 等【7 1 ( 1 9 7 5 ) 根据排水和不排水的室内试验结果，给出了体应变在循环荷载作用 下的增量公式，进一步研究了饱和砂土孔隙水压力增长的机理。 b e r r i l l & d a v i s 引( 1 9 8 5 ) 讨论了动荷载作用下能量消散和砂土液化的关系，从能量的 角度研究了砂土液化。 z e g h a l 等【9 ( 1 9 9 9 ) 利用离心模型试验对液化土的液化进行了研究，他们依据试验重 现了液化发生的过程，并且分析了土的侧向变形、强度和刚度的衰减以及液化后的稠化作 用和硬度恢复三个方面的机制。 国内门福录( 1 9 8 0 、1 9 8 6 ) 、汪闻韶( 1 9 9 3 ) 等曾对土壤液化做过深入的研究。 门福录【1 0 1 ( 1 9 8 0 ) 把液化区分为水力液化与剪切液化两种形式。认为水力液化可能是 由于在水力波的作用下在地下水或其它与地下水力通道联系的水系上引起孔隙水压升 高所致；剪切液化是饱和土体在剪切波作用下，由于土骨架的体变势使孔隙水压力不断增 高而引起的，这一观点为大多数所认同。1 9 8 6 年他从两相介质动力学观点分析了砂土液 化的物理机制【1 1 】。 汪闻韶【1 2 1 ( 1 9 9 3 ) 在总结砂土液化的国内外研究成果的基础上，把饱和液化土( 砂土) 的液化机理归纳为循环活动性、流滑和砂沸三种类型，其中循环活动性存在于相对密度 较大的饱和砂土的固结不排水循环三轴或循环单剪或扭剪试验中，流滑发生在疏松而排 水不畅的饱和砂土中，而砂沸是当饱和砂土层中的孔隙水压力由于地下水头变化而上升 到等于或超过上覆压力时的现象。l i 和m i n g 1 2 1 ( 2 0 0 0 ) 给出了流滑和循环活动性的统一 模型。 何广讷等【1 3 , 1 4 】分析了应力状态对界限孔隙水压力的影响后，从能量方面研究了饱和 土壤中的孔隙水压力问题。 2 第一章绪论 邓荣贵掣”1 ( 2 0 0 1 ) 根据饱和砂土地层地震液化现象及饱和砂土动力学试验所观察到 的现象，从砂粒- 孑l 隙水两相介质相互作用的角度出发，研究了饱和砂土在振动荷载作 用下的液化过程和机制，并根据下沉砂粒与向上渗流孔隙水之间相对运动过程中的动力 作用特征，建立了描述饱和砂土液化过程的模型。 牛琪瑛和张素娇1 1 6 1 7 ( 2 0 0 2 ) 通过室内扫描电镜试验对可液化土进行了试验研究，并 做出了微观分析，对土壤液化的机理做出了微观解释。 佘跃心、刘汉龙等【l 剐( 2 0 0 2 ) 从微观结构角度研究了黄土液化的机理，认为未湿陷饱 和黄土结构是一种介稳结构，在地震作用下，介稳结构遭到破坏，塌陷和剪缩共同作用 造成黄土较大的收缩体积应变并引起孔隙水压力迅速上升，进而引起黄土液化。 影响土壤液化的因素很多，陈文化等【l9 j 在查阅大量资料后认为，在地震荷载的作用 下，饱和砂土是否发生液化和发生液化的程度，取决于砂土体自身的物理属性和环境条 件。颗粒的粒径、密度、粘粒成分含量、土层形成的地质年代、地震历史、饱和程度及 现场条件( 如土层厚度、地下水位埋藏条件、排水条件、渗透能力等) 都会影响砂土液化。 g a l l a g h e r & m i t c h e l l l 2 0 j 通过动三轴试验研究了胶状硅土水泥浆对松砂的液化势的影 响。e r t e n & m a i l e r i 列j 和x e n a k i & a t h a n a s o p o u l o s l 2 2 j 通过实验室循环三轴试验研究了砂土 中细粒含量对孔隙水压力的影响。 牛琪瑛和张素娇【l ”刀通过室内动三轴试验和扫描电镜试验对不同级配、不同粘土矿 物成分、不同粘粒质量分数、不同干容重的重塑土进行了系统的试验研究与微观分析， 得出如下结论：随着粘粒质量分数的增加，土颗粒间连接形式、排列方式及孔隙大小 发生变化。当粘粒质量分数小于9 时，粘粒分布在粗颗粒周围，以接触式胶结着粗粒， 在力的作用下，粗粒沿着粘粒发生滑移，粘粒起润滑作用；当粘粒质量分数大于9 时， 粉粒周围有足够厚的粘粒层，此时的粘粒不但胶结粗粒，也有自身固结的作用，随粘粒 质量分数的增加，粘粒对粗粒的胶结和自身结构调整也在增强，粘粒主要起稳定、镶嵌 作用。颗粒级配对土壤的抗液化能力的影响，随颗粒粒径的变小，土壤的抗液化能力 逐渐降低。粘粒成分不同，则土壤的抗液化性能也有所不同，表现为：蒙脱石 伊利 石 0 。即势能取极小时，系 统状态稳定；而a 2 兀0 2 x 0 ，所以在 0 x 上分枝上由势函数- ( x ) = x 3 + , x 控制的系统平衡状态稳定；在图2 1 中折迭突变模型平 衡路径的下分枝上笺箬：6 x o 时，由于总有芒孕 o 即系统总势能刀关于x 取极 o x 出。 小值，系统处于稳定状态。当u 0 ，系统总势能刀关于x 取极小值。 出。 系统处于稳定状态；在中叶( 含x - - - - o 的一叶) 上有霎；：1 2 x z + 2 z ， 0 4 5 m 时为细长杆，经计算，相同材质、相同截面的短粗杆承载力为5 3 4 3 8 k n 。 当，= 0 5 m 时， 口= o 1 5 m ，= 0 0 5 0 6 2 5 ，因为只有微小的侧向干扰力就可导致细长杆发生屈曲， 可以设q = o 1 k n 表2 1 本例细长杆方程检验结果 ! 垒垒! 皇兰：! 尘皇垦曼! 望! ! ! q ! 坐皇生q 望g ：曼9 坠箜i 旦翌! 曼坠 ，万p f ( 6 ，q ，p ) 如表2 1 所示，将实验数据代入细长杆尖点模型本构方程式中，可见突变模型推导 的细长杆的本构方程式与实测值吻合的较好。此方法也可以用于中点位移的确定。 本章小结 本章主要对突变理论进行了介绍，分析了突变理论的特性。根据突变理论的特性分 析了压杆稳定问题，通过此例子说明了突变理论在分析物质状态的突然变化的可行性。 为论文中将要展开的复杂应力状态下砂土突然破坏问题做好了铺垫作用。 2 1 第三章试验设备简介及试验过程 第三章试验设备简介及试验过程 3 1 概述 电子计算机及数值计算技术飞速发展的今天，研究和应用考虑多因素的本构关系已 成为可能。而土力学是- f l 试验性很强的学科，离开了试验和测试就无法发展，土力学 的发展必须将理论和实验紧密结合起来【5 9 - 6 0 。因此，开发研制先进的土工设备，实现各 种实际的初始应力状态和复杂的循环应力模式，日益受到人们的关注。这是深入研究复 杂荷载条件下土工建筑物与地基的静、动力响应与稳定性分析的基础与前提。这一问题 不仅是土力学与岩土地震工程研究中至关重要的基本课题，也是海洋平台等重大工程设 施设计中首要解决的实际问题。 由于本文中所要研究是关于岩土在动荷载作用下的动力响应问题，为了使理论和实 验更好的结合，在大连理工大学的师姐及其同学的帮助下，特别利用了大连理工大学土 木水利学院岩土工程研究所的“土工静力一动力液压三轴一扭转剪切仪 ，去完成有关 动力试验方面数据的收集问题，为论文做了试验方面的准备工作。 3 2 试验设备介绍 3 2 1 设备功能介绍 “土工静力一动力液压三轴一扭转多功能剪切仪主要功能包括：( 1 ) 独立进行静 力和动力竖向三轴实验；( 2 ) 独立进行静力和动力扭剪实验；( 3 ) 同时施加静力或动力 竖向荷载和扭矩，在静力加荷时可控制加荷速率；在动力加荷时可任意地控制竖向荷载 与扭矩的幅值、频率及两者的相位差；( 4 ) 试样形状有用于普通三轴实验的实心圆柱试 样和用于普通扭剪和竖向一扭转双向耦合剪切的空心圆柱试样，每一种形状的试样均有 两种不同的尺寸及与之相配套的系统，可进行无粘性土或扰动土和粘性土或原状土的实 验研究，具有广泛的适用性；( 5 ) 可实现各向均等固结、偏压固结、硒固结、针对空心 圆柱状试样的内多 i - n 压不等固结以及任意改变初始主应力方向角和中主应力系数等各 种参数组合的复杂三向非均等固结等各种固结状态；( 6 ) 静力或动力加荷时均可选用荷 载控制与位移控制两种控制方式，在试验过程中进行闭环反馈控制，并可在试验过程中 进行切换；( 7 ) 具有较完善的体变测量系统，可同时测量试样本身的体变、空心圆柱试 样的空心内腔室体变及硒固结条件下试样外部圆筒的体变；( 8 ) 对于竖向变形和转角的 测量，设置了两套测量系统：一套为内置式的非接触竖向位移计和转角计用于测量微小 变形，另一套是普通的接触式位移及转角传感器；( 9 ) 对于实心圆柱试样可以通过计算 大连交通大学工学硕士学位论文 机自动控制完成平均主应力为常量或主应力比为常量等特殊应力路径实验以及三轴伸 展实验：( 1 0 ) 单独控制内外室压力、竖向荷载及扭矩，可以实现中主应力系数、主应力 方向角、平均主应力均保持不变的单调剪切试验。 利用“土工静力一动力液压三轴一扭转多功能剪切仪”，控制作用在土体上的外室 压力、内室压力及静力扭剪应力、静力轴向应力可以模拟复杂的初始固结状态。 3 2 2 技术参数指标 “土工静力一动力液压三轴一扭转多功能剪切仪”技术指标如表3 1 所示。共有1 1 个传感器测出1 2 个参数指标。其中，小竖向位移和小角位移传感器为内置非接触式传 感器，主要用于微小变形试验的小应变范围量测，小竖向位移可精确到0 0 1 m m ，小角 位移可精确到0 0 0 1 0 ，其精度很高。大竖向位移和大角位移传感器为普通的接触式传感 器，主要用于强度破坏试验的大应变范围量测。表3 2 给出了试验尺寸及加载频率范围。 表3 1 设备主要技术指标 t a b l e3 1m a i np a r a m e t e r so f t h ea p p a r a t u s 振动频率h z实心圆柱试样尺寸m m 空心圆柱试样尺寸m m 0 0 1 1 0 d 10 0 x 眈0 0 瞒1 8 x h l 5 0 d 10 0 x d 6 0 x h l5 0 所0 x d 3 0 x h lo o 2 4 第三章试验设备简介及试验过程 3 2 3 试验设备图及加荷系统立面图 设备由加荷系统、气水转换系统、模拟控制系统、计算机采集控制系统、液压源等 5 部分组成，如图3 1 所示。 ( a ) 加荷系统 3 3 试验过程 t 一 ： ： t 。 陬i 蔓 i t ； 蒿d 警 备蛔警 i 口。o 囊 ：囊o 氇 m r l 舞剧 e 厂 i - i 。咎甘嘎 i圄乒嗵 努 =i；i日， ( b ) 气水转化系统( c ) 模拟控制系统( d ) 采集、计算机控制系统( e ) 液压源 图3 1 设备构成图 f i g 3 1t h em a i nc o m p o n e n t so f t h ea p p a r a t u s 3 3 1 试验砂料与土样的制备 本文试验采用福建标准砂如图3 2 ，经室内试验测定该砂土的物理指标，比重为 g 。- 2 6 4 3 ；颗粒尺寸为d s 0 = 0 3 4 m m ；不均匀系数与曲率系数分别为c u - 1 5 4 2 ，c u _ 1 1 0 4 ； 最大、最小孔隙比分别为e m a x = 0 8 4 8 ，e m i n = 0 5 1 9 。试验中采用的空心圆柱状试样的外径 与内径及高度分别为d = 1 0 0 n u n 、d = 6 0 m m 、h = 1 5 0 m m 。采用干装法制备成空心圆柱状 试样。所有砂样均采用通c 0 2 、通无气水与施加反压2 0 0 k