（岩土工程专业论文）三轴试验端部约束与高径比影响试验研究及有限元分析.pdf

摘要 摘要 粗粒土作为主要的填筑材料在土石坝工程中应用非常广泛，在工程实践中常常采用三 轴试验来分析粗粒土的强度特性和其他力学参数。但是由于试验设计的不完善，使得粗粒 的三轴试验得到的试验数据往往不能如实反映现场料的力学性能。因此对粗粒土三轴 试验方法的研究具有重要意义。 本论文进行了大量三轴试验，研究试样端部约束和高径比等对试验结采的影响；采用 a d i n a 软件模拟三轴试验，并通过编制接口程序实现在a d i n a 程序环境中进行土石坝静 力计算。主要进行了以下几方面的工作： 首先，利用中型三轴仪对双江口粗粒土料进行三轴固结排水剪试验，研究试样端部约 束对三轴试验试样变形及强度的影响。试验采取润滑试样帽措施在定程度上减轻端部约 束，研究了不同围压下粗粒土减轻端部约束情况的三轴固结排水剪试验强度规律，并与常 规固结排水剪三轴试验的强度进行对比。研究发现两者的强度随围压的增大越来越接近， 端部消除摩擦的效果越来越差。 其次，通过常规三轴固结排水剪试验，研究不同试样高径比对试样变形及强度的影响。 试验采用粗粒土和砂土两种土，粗粒土采用混合法和剔除法两种级配替代方法制样，试样 直径为6 1 8 舢和l o l 姗两种。研究了不同围压下试样高径比为3 ：l 和2 ：l 的三轴固结排 水剪试验强度规律；分析了内摩擦角的差异对两种两种离径比试样强度比值的影响，发现 随着内摩擦角的不断减小，两种高径比试样强度的差值不断减少 再次，开发a d 烈a 有限元软件巍鞠潮c 飘嬲g 县移模型模块，模拟无端部约束和有端 部约束三轴固结排水剪试验，分析端部约束对三轴固结排水剪试验强度的影响；同时，模 拟有端部约束与无端部约束三轴固结不捧承试验，研究瞧于端部约束而导致孔除水压力随 着弹性模量、泊松比、剪切速率以及渗透系数的变化呈现不均匀分布的规律。 最后，剩用f o 黼限a n 程序编制接口程序f e t a ，将其它软件生成的有限元模型转换 成可被a d 心i a 软件接受的数据流，实现a d i n a 软件环境下的建模，并进行土工结构的计 算分析；分别采用a d 粼a 软件和河海大学t d a d 软件计算两河翻土石坝位移沉降量，对 结果进行了对比，用t d a d 软件验证了新开发的d u n c 跏c h 锄g 口d 模型模块及有限元模 型转换软件在a d 烈a 中应用的可行性与可靠性。 关键词：土葛坝、糨粒土、端部约束、高径比、邓肯张模型、a d 粼a l 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果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过的研究成果。也不包含为获得河 海大学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 作的同学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 表示了谢意。 学位论文作者签名： 学位论文使用授权说明 签字日期：2 。0 8 年易月j f 妒 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，并可以采用影印、缩印或扫描等其它复制手段保存论文。本 人学位论文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致除在保密期内 的保密论文外，允许论文被查阅和借阅拳论文全部或部分内容的公布 ( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理 学位论文作者签名：签字日期： 2 。8 年6 胃，乡嚣 河海大学硕士论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 l 。l 。薹。粗粒土的定义 、石屑、石粉等糨颗粒组 成的无粘性混合土或者粘性土中含有大量粗颗粒的混合土。粗粒土的颗粒组成极为分散， 一般可按粒径的大小把粗粒土的颗粒分为两部分，习惯用固定粒经5 麟作为分界粒径， 将小于5 m m 的颗粒称为细料，大于5 蝴的颗粒称为粗料，粗料含量用p 5 表示。 粗粒土在自然界分布广泛、储量丰富。由予它具有压实性能好、透水性强、填筑密度 大、抗剪强度高、沉陷变形小、承载力高等工程特性，因此在工程建设中得到了广泛应用。 如糟于填筑土石坝、铁路路基、桥梁墩台及处理软弱地基的砂葛垫层等。随着水利水电工 程设计能力、施工技术和材料试验水平的提高，粗粒土已经成为土石坝的主要建筑材料， 一般占坝体工程量的7 秘红9 0 。 1 1 2 研究粗粒土三轴试验强度的意义 室内试验对促进土力学发展发挥了十分重要的作用。甚至有的学者认为，只有室内试 验才有可能对土的复杂特性进行研究1 3 1 。室内试验是将士样按照要求的湿度、密度、结构 和应力状态制备于一定试样容器中，然后施加不同形式和大小的静动力荷载，再量测试样 在荷载作用下的应力和应变等试验数据，从丽对土性和有关指标的变化规律作出定性和定 量的判断。由于在三轴仪上可以进行静动加荷，具有控制试样排水条件、试样中的应力相 对比较明确、能够量测孔隙水压等特点，所以应用十分广泛，是目前土工室内试验中最主 要的仪器。大部分应用于工程实际中的本构模型，其模型参数都是通过三轴试验测定的。 但是三轴试验存在的普遍闯题依然困扰着粗粒土三轴试验强度的研究。例如试样端部 的摩擦对试验结果的影响。在常规三轴试验中，因试样端部与接触的透水石或垫块之间的 摩擦或黏着作用，形成两端的死区，并使试样受压后成为鼓形( 对软黏性土丽言) ，对于 胁2 ( 阡试样高，抄试样壹径) 尺寸的试样来讲，只有中间l 3 的高度来受影响。此外， 因瓣端的变形受到限制，试样的变形及孔隙压力分布不均匀，中部的孑l 隙压力与两端的孔 隙压力有一定的差别【4 1 。孔隙压力分布不均匀可采用缓慢的轴向应变速率，以便试样中部 的孔隙压力能均匀地传输到端部。但是在三轴固结j 水剪试验中，由于变形不均匀，试样 l 第一章绪论 莽 出的水量不能精确反浃整个试样体积的变化。 然而，粗粒土三轴试验又存在其自身的问题，例如高径比对三轴试验结果的影响。研 究发现试样高度与直径的比值，对三轴试验强度值有很大的影响。当舄d 值较大时，试样 较高，在承受轴向压力后，往往发生倾斜，造成强度值偏小；当h d 较小时，试样高度较 小，由于试样两端受压板和承压板的约束，在两端附近各形成一锥状的不变形区域，致使 试样内产生不均匀变形，影响试样中部的应力分布，从而影响试验结果的准确性，甚至造 成强度值增高过多。因此高径毖童接影响着三轴试验对现场实际强度的模拟。 另外，在常规三轴实验中，试样高度h 与直径d 之比一般取值2 o 。根据摩尔库伦强 度理论矿c + 鳓卿可以看如三轴实验对试验土样有限制，例如当试样的内摩擦角伊大于3 6 8 。( t g ( 4 5 0 + 3 6 8 0 2 ) 2 ) 时破坏面将延伸到试样端部，由于端部约束的原因，在试验中将很难 看到破坏角，而且根据实验数据得到的破坏角有偏差。有研究发现，在三轴试验中可以改 变试样高度h 与直径d 的比值，以获得更加可靠的数据。因此，对高径比以及端部约柬的 研究已经成为土石坝工程一项重要的研究内容。 l 。2 。粗粒土的工程特性 1 2 1 粗粒土抗剪强度特性 1 。2 。1 。1 1 粗粒土的剪切机理 由无凝聚力的粗粒土所建造的土石坝之所以具有稳定机制，是因为在外力和自重作用 下，土石坝内部会随之产生剪阻力。一般认为，粒状体的剪阻力主要受颗粒闯的摩擦、剪 胀、颗粒重新排列和颗粒破碎这四种因素的影响【5 1 。 在整个剪切过程中，与外部荷重平衡的是作用于接触面的正应力和摩擦阻力。这说明 粗粒土的抗剪强度的基本机理在予颗粒间的摩擦现象，所以颗粒间的摩擦作用在支配抗剪 强度的诸因素中处于主要的地位。 在三轴试验中，试样伴随着剪切变形一般还会出现明显的体积变化，即发生剪胀现象。 经过体积膨胀( 或压缩) ，粗粒体的咬合状态会向更为稳定的方向发展，确保其结构能承受 更大的外力。随着剪切变形的发展，颗粒之间将发生滑动和滚动，即颗粒发生了重新排列， 不断向着新的结构状态转化，直至出现峰值强度，重新排列的结果必然是强化其承载结构， 所以在轴向应变增大的同时，主威力差也在不断上升。由于颗粒重新摊列，不仅要消耗一 部分能量于可观察到的体积变化，而且同时会产生从外部无法直接看到的结构变化。一般 把体积变化视为剪胀效应，而把羌体变的结构变化视为颗粒重新排列的效果。 2 河海大学硕士论文 如采不考虑颗粒破碎的影响，抗剪强度可看成颗粒闻的摩擦分量和重新排列以及剪胀 效应的强度分量的叠加。粗粒土处于密实状态时，大小颗粒相互填充密实，颗粒挤得很紧， 在剪切过程中，颗粒在剪切面要发生滑动和滚动，甚至翻越邻近颗粒，必然要产生剪胀交 形，克服剪胀效应的能量增大。粗粒土越密实，剪胀效应的贡献越大，而达到临界孔隙比 肘剪胀效应刘消失。相反，接近最小孔隙比时重新排列的贡献可忽略不计，当孔隙比增大 时剪胀效应的贡献也增大。颗粒间摩擦分量与孔隙比无关，被视为常量【5 l 。 粗粒土在压实和剪切过程中，即使外加的能量和周围压力不是很大，也缀容易发生颗 粒破碎。很多研究表明，颗粒破碎同颗粒的大小、形状、强度、级配、密度、受力情况等 因素有关f 渊。在研究租粒的力学性质时，颗粒破碎是不可回避的闯题。一量产生颗粒破 碎，粗粒土原先所具备的承载结构将被破坏，从而导致颗粒间接触点荷重的重新分配。由 于接触点应力集中现象被缓解，使得接触点荷重分布平均化，形成了更为稳定的结构，僵 同时颗粒间的内部联结变弱，颗粒移动变得相对容易，反而阻碍了剪胀效应的发挥，所以 会琴 起内摩擦角降低。 考虑到颗粒破碎的影响，有的学者提出粗粒土抗剪强度的基本成分是颗粒间的摩擦力， 另外再加上势胀效应、颗粒破碎以及耋新排列效应这三个强度分量。其中，剪胀效应以某 一围压为界限会出现逆转( 从体积膨胀转为体积压缩) ，颗粒破碎则产生与重新排列同样的 效采。 目前，关于抗剪强度产生的基本机理尚未建立统一的力学模型加以描述。但是，对影 响抗剪强度的基本因素有一个定性的了解，也会有助于理解粗粒土的抗剪强度与各种影响 因素的关系。剪胀和重新排列本质上都是颗粒间的相对移动，都关系到颗粒间相互约束的 强度，可合称为搿咬合效果一。抗剪强度的大小可以看作是由颗粒间的摩擦力大小、咬合 强弱和颗粒破碎的难易程度这三者的复合作用所决定的。 1 2 1 2 抗剪强度特性的影响因素 从颗粒性质、组成、含水量角度研究其对粗粒土抗剪强度特性的影响，可得到以下几 种特征闭： ( 1 ) 粗粒土的抗剪强度由细料强度、粗料强度、粗细料之间的强度等三部分组成。当粗 料含量小于3 0 时，抗剪强度基本上决定于细料强度，随着粗料含量增大，抗剪强度增加 甚微；当粗料含量在3 0 9 红7 0 范围时，粗粒土抗剪强度决定于粗、细料的共同作用，并随 粗料含量的增加显著增大；当粗料含量大于7 0 时，粗粒土抗剪强度主要取决于粗料，并 随着租料含量增大，抗剪强度有所减小。所以，粗料含量是决定糨粒土抗剪强度的主要因 3 第一章绪论 素。 ( 2 ) 在同为饱和或干燥状态，同一粗料食量情况下，就抗翦强度的大小而吉，粗粒土石 辩颗粒坚硬，丈小颗粒檐差越大，颗粒越不均驾，颗粒形状越呈棱霸状，填筑密度越大者， 抗剪强度越高；相反，颗粒软弱，级配越均匀，浑圆状颗粒越多，土粒受风化影响越大， 填筑疏松者，抗翦强度越枣。 ( 3 ) 粗粒土的颗粒越坚硬，强度越高，稀料含量越小，水对抗剪强度的影响越小，对于 这类褪粒辩，干燥和镪离状态摭剪强度差别越大尊 ( 秽r a y l o rc o s a 印划e 通过砂试验证明【1 0 1 ，抗剪强度测定中剪切速率差l 万倍，抗剪强 度只差l 矗。巍此说甓，对透求性强的无粘性租粒主来说，嚣力其本身透永性强，剪切过 程中具有自由排水能力，孔隙水压力易消散，故抗剪强度不受剪切速率的影响。但对粘性 粗粒土丽言，因含有一定量靛粘健土粒，其透永性变小，剪切速率也会影响粗粒土的抗剪 强度的因素。 i l 。2 1 3 从应力瘦交规律研究粗粒土的抗剪强度特性 粗粒土应力应变关系雌线有应变硬化型与应变软化型两种，并隧密度、侧压力大小的 不同有如下规律： ( 1 ) 在同一种土料中，当侧压力相同时，密度大罐 实的) 的粗粒土应力应变关系蓝线强 应变软化型；密度小( 疏松的) 的粗粒土，威力应变关系曲线为应变硬化型。前者强度高， 有显著的峰值强度，在峰值点后，强度隧成交增大两减小；盛者没有峰值强度，且强度随 应变的增大略有增大。两者的终值趋于接近，此值为通常所说的残余强度。 2 巍密度耀网时，承受侧压力高( 高蓬) 酶粗粒土的应力应变关系趣线失应变硬化型， 侧压力低的( 低压) 粗粒土的应力应变关系曲线为应交软化型，前者强度高。其原因主要是： 当土体处于密实状态对，大小颗粒相互填充密安，颗粒挤得很紧，在剪切过程中颗粒 问的摩擦力大。在剪切破坏的过程中，颗粒在剪切面或剪切带要发生移动或滚动，甚至翻 越邻近颗粒，必然发生劈胀变形，克服剪胀变形作功的咬合力增大，形成应力值增高，至 峰点达到最大值；但在峰点后，因剪胀变形的增大，结构变松，剪胀变形引起的咬合力逐 渐降低以至于消失，形成应力减小现象，这是应力鏖变关系呈软化型酶原因。 相反，土体疏松、密度小时，剪切中呈减缩变形，使密度增加，成力值相应增高，应 力应变魏线为应变硬他型，没有明显峰篷强度，与密实性的土体穗毙，强度较夺。侧笨力 越大，在剪切破坏过程中对土体颗粒的约柬力越大，应力达最大值时的应变越大，并且应 力应交关系为应交硬纯型；相反，侧压力越小，对颗粒移动的阻力越小，显易发生剪胀变 4 河海大学硕士论文 形，在较小应变下应力达最大值，应力应变关系呈应变软化型，有显著的峰值。所以，粗 粒土密度大的粗粒土强度高，侧压力大的粗粒土强度高，相反，密度小的粗粒土强度低， 侧压力小的强度低。 1 2 1 4 印咕，关系的变化规律 通过分析总结粗粒土三轴剪切试验的有关资料，可得到粗粒土p 广fi 关系的变化规 律，如下所示： ( 1 ) 在排水剪中，土料的体积也随应力应变的变化而变化。体应变p v 分体胀( 剪胀) 和体 缩( 剪缩) 两类。 ( 2 ) 当试料、密度相同时，侧压力越大，剪缩变形越大；相反，侧压力越小，剪胀性越 大。当试料、侧压力一定时，土体的密度越小，剪缩变形越大；土体的密度越大，剪胀变 形越大。在一般情况下，剪切一开始，土体多是先呈剪缩变形，土体由松变密，当密实至 一定程度后，随应力应变的增大，反而出现剪切变形当土体处于大密度、小侧压力状态 时，剪缩变形小，甚至有的一开始就呈剪胀变形；当土体处于小密度、大侧压力状态时， 剪切过程中始终为剪缩变形，只是剪缩变形的增长率趋于减小。 1 2 1 5 从卜8 ，和8 ，8 。对应关系分析研究粗粒土的抗剪强度特性 土体的变形和强度有着密切关系。在一般情况下的排水剪中，剪切初期先是呈体缩变 形，后又为体胀变形。将体缩与体胀变形的交点称为拐点，该点切线的斜率为零，即 d v l ：o ，拐点前曲线向下，斜率为负，拐点以上曲线向上，斜率为正。以此为基础， 分析( 口i 一口3 卜占l 和占广fl 对应关系，得到如下特点： ( 1 ) p 厂f l 关系曲线上dpv p l = 0 的拐点，对应到( 口i 口3 卜l 关系曲线上，得到的点 相当于屈服点，由该点的应力确定的强度为屈服强度( 口l 一口3 k 。 ( 2 ) f 广pi 关系曲线斜率( df p1 ) 最大点对应到( 口l 一口3 卜fl 关系曲线上得到的点相 当于峰点，此点应力最大，即破坏强度( 口l 一口3 ) ，o ( 3 ) 对( 口l 一口3 k 与( 口l 一口3 驴强度指标比较可得到：在同一试料中，两种标准确定的强 度指标，都是随土样密度的增大而增大，相比之下，峰点强度的增长率较大；在同一密度 下，强度值随侧压力的增大而增高，峰点亦大于拐点；以( 口l 口3 ) g 确定的强度指标中，c 值多为零。 1 2 1 6 粗粒土的剪胀效应对孔隙压力以及有效强度的影响 一般在细粒土的剪切中，除超压密土外土体多属剪缩变形，不排水剪中测得的孔隙水 压力往往为正值，有效主应力差的关系式为( 口l 口3 户( 口l - 口3 ) 2 ，使得摩尔圆的圆心 s 第一章绪论 商左移值，这样常给人们形成的印象是有效强度高于总强度。但是，在粗粒土的剪切中， 因该类土属颗粒间粘结力甚小的粒状材料，一般充填得较为密实，有显著的剪胀性，剪胀 变形的结果必然是体变松，孔隙增大，零| 起孔隙压力交小，甚至在剪切破坏中有时为负 值，这时u 值为负值，它的( 口l 仃3 ) = ( 盯1 口3 心，则有效强度低于总强度，这时粗粒 土的另一特征。当然，疏松的粗粒土，剪缩变形较大，孔隙水压力为正值。 1 2 1 7 粗粒土颗粒的剪碎性对强度特性的影响 在剪切过程中，一般接触点的局部压力较高，颗粒容易发生剪碎现象。压力水平越高， 这种现象越显著。可见剪碎性是影响粗粒土强度变化、强度包线呈曲线型的因素之一。实 践证明，粗粒土颗粒组成越均匀，受风化影响越大，颗粒本身越软弱，越呈棱角状，压力 水平越高，越容易破碎，对强度的影响越大；反之，影响越小。 1 2 1 8 强度包线的类型 由于粗粒土在剪切中受到剪胀性和颗粒破碎性的影响，引起强度特性及强度包线发生 变化，归纳起来，强度包线形成如下凡类： ( 1 ) 摩尔强度包线近于直线关系，强度参数关系符合库伦方程规律。 ( 2 ) 摩尔强度包线的前段基本上为直线，但是压力增大到某值以后，包线发生弯曲，此 时强度参数关系不符合库伦方程。 ( 3 ) 强度包线前端弯曲较大，后端比较平缓。 ( 4 ) 强度包线呈曲线型，具有( 2 ) ( 3 ) 的特征。 1 2 2 粗粒土的强度准则 l 。2 。2 。粗粒土常用的非线性本构模型 实际工程中土的应力一应变关系是非常复杂的，具有高度非线性，弹性模型中研究最 多、最广的是菲线性弹性模型。非线性弹性模型假定材料符合弹性力学基本撬律，用改变 弹性常数的方法来反映材料的非线性特性。目前，在众多的非线性模型中，用于堆石料的 主要有邓肯双曲线模型( 嚣拶嗍，互。雪【4 冷及改进邓肯双曲线模型( 广义置。嚣模型3 1 ) ， k 。g 【1 4 】模型等。其中邓肯双曲线模型模型应用最为广泛，理论最为成熟，下面就邓肯双 蓝线模型进行描述。 ( 1 ) 邓肯e p 模型 1 9 6 3 年，康德纳( k o 删等人发现在土石料常规三轴试验中，不同围蕊下土体的轴 向应力g = q 一码与轴向应变岛具有较好的双曲线关系，即 6 一 麴塑奎兰堡兰堡墨 一 _ _ _ - - _ l _ _ _ - _ l _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - _ _ _ _ 一一 拶t 一万，= i i i g ) 式中，口，易为试验常数。琰瓣c a n i m 和c i h 瓢g 。c y 1 1 6 】根据上述关系式定义切线弹性模量 互拦a ( q 一鸲) 归毛，最后得到： e = 瓴吲t 一矧2 m 2 ， 式中， 足，栉，彤为材料试验参数；砖为破坏比，足，= 吕 吾鲁，( q q ) ，为破坏 剪应力，( 吼一q l 为剪应力的极限值；c ，妒为土体的粘聚力和内摩擦角，以为大气压 力。其中，c 、9 、瓢嚣、母可通过常规三辍| 试验求得 由m o h r _ c 0 u l o n l b 强度破坏准则得 ( 吼一码) ，= 塑挚 ( 1 - 3 ) 对予卸载情况，该模型采用也回弹模量，即当拶l 吻砸l 嘲x ，且挚嫱时为如，否则为式 ( 1 2 ) 中的科1 7 1 。其中1 c r 3 ) o 代表历史上曾经达到的最大轴向应力，岛为历史上曾经达到的 最大应力水平，回弹模量蜀矿计算式为： b = 如见l 詈j o q 式中，如为卸载模量系数，为卸载模量指数 邓肯模型的泊松院由库哈威黜掰鑫力1 懿予耋9 转年提出。拖假定体的侧囱应变岛与 轴向应变曩也存在双曲线关系，由此可推导出切线泊松比表达式为： g fl gr 垒、1 旷群 o 5 ) 肚一 ( 1 - 6 ) 式中，g ，羁d 均为材料的试验参数，可透过常规三轴试验求得 由式( 1 5 ) 和( 1 6 ) 可以看出，q 随着应力水平而增加的。于是丹尼尔( d a n i e l ) 1 9 1 提出了一 7 第一章绪论 种较简单的假定配随应力水平直线变化的公式 崦一谚) 黯 小乃 式中，墉为初始切线泊松比，可按下式计算 ”g 圳g m 8 ， 式( 1 7 ) 中为破坏时的切线泊松比，可按试验结果建立类似于式( 1 - 8 ) 的公式作近似处理， 也可取o 。4 9 。 ( 2 ) 邓肯e 一刀模型 1 9 7 8 年邓肯嘲船鼗) 阁提出麓体积模量墨代替切线泊松比麓。体积模量是平均法向应 力p 与体积应变q 之比，其表达式为： 一p 口鲥 m 卿 式中，勃为体积模量系数；掰为体积模量指数，是为土的材料参数，可由常规三轴试 验求德。体积模量x 也可用雪表示，这时称为邓肯嚣哪模型。 该模型中的切线弹性模量互和回弹模量同嚣一u 模型中表达式( 1 - 2 ) 、( 1 川。 。2 。2 。2 。强度准剥 围压是影响粗粒土抗剪强度的支配因索，剪胀与颗粒破碎对抗剪强度的影响通过围压 的变化褥到反映，所以抗剪强度隧围压交化，是固噩斡垂数。在土力学中，库仑公式应用 最为广泛，也是粗粒土抗剪强度计算的主要公式，其公式为 f = o + 嘞f l l 即破坏剪应力与法向应力呈线性关系。但是大量的粗粒土试验资料表明，在高围压时强度 迭线并不是直线，面是向下弯曲的曲线。由此可见，线性强度公式对予粗粒土并不完全适 用，所以一些学者提出了非线性的抗剪强度表达式。 ( 1 ) 陈梁生( 1 9 6 4 ) 削等提出强度包线为非线性，可按工程计算的实际压力大小，将强度 包线分段，在该段平均法向应力与强度线的交点处作切线，该切线在下轴的截距为c 值， 切线与拶轴的夹角为爹，这样露可求得该段平均法惫应力范褥内的抗剪强度参数。当法囊 应力不同时，则按同样方法通过不同的切线得到不同的c 、伊强度参数，而抗剪强度仍沿 用库仑线性方程芗= e 电铆，只不过c 、妒不是常数，是随平均法向斑力变化的变量。 河海大学硕士论文 ( 2 ) d em e l l o ( 1 9 7 7 ) 【l 川提出了非线性强度关系式为 f ，= 彳 ( 1 1 1 ) 后来殷家瑜等人将( 1 1 1 ) 改进为： 。吨( ) 口 m 埘 式中_ r ，为抗剪强度，l 【p a ；吒为法向应力，k p a ；彳、艿为强度参数；见为大气压力，取值 为1 0 0 k p a 。上述抗剪强度的表示形式在堆石料数值计算分析中也有较为广泛的应用。 ( 3 ) d u n c 觚等人( 1 9 8 0 ) 【2 2 埘】提出了非线性强度参数关系式为 垆= 伊。一吨( ) m 埘 0 = 嘲 ( 1 - 1 4 ) 式中，见为大气压力；，伊为参数。此中不同于传统的摩擦角伊，而是包含了强度 另一参数c 的成分，以体现粗粒土中咬合力对抗剪强度的贡献。 1 3 三轴试验的研究现状 端部约束会造成三轴试样内的应变和应力的不均匀性，进而影响到试样的应力应变特 性，孔隙压力或体积变化和强度特性【2 5 ，2 6 j 。端部约束的直接作用增加了试样的抗剪强度， 或导致了试样较大的膨胀体积变化【2 7 1 。端部约束效应受端部约束条件、应力和应变水平、 试验材料特性和试样密度等因素影响。这些影响在本世纪初已有人注意到，并在6 0 年代受 到广泛的关注【2 1 1 。不少学者提出有多种方法试图减小端部约束的影响，但只有l b w e 【冽提 出的润滑试样帽( 1 u b r i c a t e de n dp l a t 锄) 才可有效地减少这种端部约束。润滑试样帽是由一橡 皮膜隔一层润滑剂覆盖在常规试样帽上构成，加大橡皮膜和润滑剂的厚度可更为有效地减 少端部约束，但可能会带来大的孔隙比误差【3 2 】。 1 9 4 1 年，泰勒【3 3 】曾用较大高径比的试样来研究末端约束的影响。他发现，当高径比等 于或者大于2 时，末端约束对强度的影响就可以忽略不计。所以，在常规三轴试验中都规 定试样的高径比在2 到2 5 之间。 1 9 6 4 年，罗威和巴登例首先在三轴试验中成功地使用了无约束作用的试样帽( 底座) 。 这种试样帽由压力板、润滑剂和橡皮膜组成，由于它构造简单、使用方便、功效显著，所 以很快被人们所采纳，并且不断得到改进。无约束作用的试样帽( 底座) 性态，可用改装好 的直剪仪进行测定。它实际上是用润滑装置取代了直剪仪的下盒，如图1 1 所示。 9 第一章绪论 图1 1 改装后的直剪仪 l 粥5 年，布莱脱瑟s 】麓以试祥相同的土块作为过渡性垫块，在垫块中心开一细孔，以便 通过此细孔量测试样中的孔隙水压力。在垫块的表面浸泡一层乳胶橡皮膜，以消除垫块本 身的体积变化或孔隙水压力斡影响。这种方法等效于测量高径比较大的试样两侧中闯部分 的孔隙水压力。 李和西特【3 搦认为，在消除端部约束的兰轴试验中，采用涂有润滑剂的橡皮膜作为端部 延伸的垫片，而采用润滑剂对橡皮膜本身的强度难免会引起一些约束力。他认为对于中细 砂来说，0 o 翻嚏嫩厚的橡皮膜的润滑效果并不好；厚度为o 。翻越l 的橡皮膜效果最好；如果 再增加膜的厚度，则效果又降低。这可能是太薄的橡皮膜容易被砂粒戳穿，而太厚的橡皮 膜在大应变下会弓l 起较大的约束力。部分学者研究了多层橡皮膜与单层橡皮膜的效果好 坏。毕肖普和格林【3 刀认为对于中砂来说，两层厚度备为o 2 n 姗的橡皮膜要比厚度为0 2 姗 的单层好。如果再增加层次，效果没有明显改善。 2 0 0 0 年，陈春霖【3 8 】认为减小端部约束效应的有效途径有两种：一是制备较低密度的试 样进行剪切试验；另一是使用润滑试样帽。润滑试样帽是由试样帽、润滑剂和橡皮膜构成。 润滑剂和橡皮膜的厚度愈大，端部的摩擦阻力愈小。但使用过多的润滑剂会令其在固结和剪 切过程中被挤出而产生较大的试验误差【斓。太厚的橡皮膜也会因为其本身的高压缩性而在 计算试样的孔隙比时出现较大的误差。 2 0 0 0 年，张惠明湖1 通过试验指出端部的约束条件对径向应变的影响很大，有端部润滑 的径向应变比没有端部润滑的大一倍以上，但仍比无边界约柬条件下的径向应变小得多。 端部约束条件对剪切结果也有很大的影响。通过不同程度的摩擦条件试验，他指出在相同 试样密度条件下，试样帽和试样之间的摩擦阻力愈大，试样发挥出来的抗剪强度愈大，而 产生的孔隙水压力则愈低。 2 0 0 3 年，王助贫【4 1 】认为，三轴试样的端部约束导致靠近试样端部土体的径向应交和轴 1 0 河海大学硕士论文 向应变均偏夺，传统测量方法嵩估了三轴试样士体的剪切强度。他采用数字图像测量技术 直接测量试样中部土体的变形，即可以避开试样端部约束对土体变形的影响，又可以把三 轴试样的端部区域排除在外，避免试样端部接触以及端部样藏水区弦对变形测量结采的影 响。 2 0 聪年，刘继雷陶采用f l ，a c 3 d 限元手段模攒了端部约束对试样的剪切带的影响，对 高宽比为3 ：l 、2 ：1 和1 ：1 的平面应变模型分别进行土体应变局部化的模拟，分三种情 况进行：( 1 ) 样的上下两端膏压力扳的情况；( 2 ) 土样的上下两端无压力摄的情况，上下端 部侧向位移自由；( 3 ) 体的上下两端无压力板的情况，上下端部侧向位移约束。通过模拟 得到了满意的局部仡剪切带图案。端部约束对剪切带图案的影响较大，在不同的端部约束 情况下，试样会以不同的方式产生应变局部化。 在三轴试验中，当拉伸试验用于石坝心墙开裂闻题、公路路基的裂缝变形等结构物 或地基的设计时，需要对土体尤其是击实黏土的抗拉强度有一定程度的了解。近十多年来， 我国高土石坝发展迅速，对水力劈裂的判定提漱了更高要求。裂缝或水力劈裂不仅可能引 起渗漏，影响工程的正常运行，甚至可能危及大坝安全。因此，对土体抗拉特性的认识和 抗拉强度的研究具有重要意义。 土体的抗拉强度试验主要分为直接试验和间接试验薅大类【4 引直接试验包括直接拉伸 试验( 包括兰轴拉伸试验) 和侧向拉伸试验2 种；间接试验则包括土梁弯曲试验、轴向压裂 试验、径向压裂试验( 巴西劈裂法洲) 和气压劈裂试验4 种【4 5 1 。到目前为止，对土的抗拉强 度试验的研究相对不是很成熟，抗拉强度试验仪器也无标准可依。目前虽有一些学者对土 体抗拉强度进行过相关研究，采用多种试验方法来实现三轴拉伸试验的功能。但总体来说 对土体抗拉强度的认识还不很成熟，抗拉强度的试验设备也不够完善。 直接拉伸法是最早发展的拉伸试验方法。1 9 5 0 年r h f e l i i 拍】用冻结端头的方法做了饱 和粘性土的直接拉伸试验，研究了饱和粘性不同围压下的抗拉强度和试样的破坏形式。 1 9 6 0 年，r h 。gp a 弼7 】在三轴仪上做了一系列粘性土的抗拉试验。试验表明土的应力应 交特性与超固结比、外部压力的改变以及排水条件有十分密切的关系。 1 9 6 8 年，y o 誊n d e f 和戳如a r df 4 8 】进行了有关粘土在三轴条件下和平丽应变条件下特性 对比试验。试验结果表明，在相同的应力路径下，平面应变得到的强度值较高，应力应变 关系更大。1 9 6 4 年，a w b i s h o p 【4 9 】在三轴仪上用围压力产生轴向伸长变形方法对伦敦粘土 做了排水伸长试验，试验表明其抗拉强度与h o e k 修正的g r i 街m 理论良好吻合。 1 9 7 0 年，j - n 戤妇和e c 。r 辐随【蚓使用径向压裂法，并与无侧限压缩试验进行了对比， 第一章绪论 试验表明，随着含水量的增大粘性土的抗拉强度降低，土的柔性增大。1 9 7 2 年，v d a 姥f 5 1 l 用粘结端头的方法做了土的拉伸试验，提供了试件的破坏形式和应力应变曲线，试验表明 饱和固结粘土的抗拉强度随固结围压力的增加和含水量的减小丽增大，这一关系是菲线性 的：拉伸强度随粘粒含量的增加而线形增大，试件突然断裂，断面垂直于加载轴线。 1 9 7 2 年，f a n g 和c h 强g 圈提出用轴向压裂法进行土的抗拉试验，提出了一些影响试验 成果的因素，如试样的尺寸、加荷速率、士的类型等。1 9 7 3 年，清华大学【5 3 洲用化学粘 合剂粘结试件端部的方法，以矩形等截面试件对粘性土做了抗拉特性试验，阐时傲了土梁 弯曲试验进行结果比较。对比结果发现，前者的可靠性高于后者；前者的抗拉强度、破坏 拉应变相对略小：变形模量两者接近。 1 9 7 4 年，蹦s h n a y y a 和e i s e l l s t e i l l 【5 5 1 在径向压裂试验中设计一种特殊的电测工具，使 径向聪裂法不仅可以测出粘性土的抗拉强度，还可以测出其应力应交关系曲线。试验结果 表明粘性土的抗拉强度很低，特别是对于中塑状态的土，其抗拉强度在设计中可视为零。 当含水量超过最优含水率时，应变有显著增长，而抗拉强度将会大大降低。低塑性土因含 水量增大而产生的抗拉强度降低远大于同等条件下的高塑性。 1 9 7 4 年，k c z d i a 【5 6 】做了单轴拉伸试验和土梁弯曲试验以测定不同相组成的粘性土的 抗拉强度和临界( 开裂) 剪应变。1 9 7 5 年，a 简配和p a 玎y 【瑚傲了直接拉伸、土梁弯逝翔无 侧限压缩试验，他们研究了从较低含水量到最优含水量区间两种粘性土的抗拉强度和应力 应变特性，两种的试验结果都显示出应力应变曲线在低荷载段为线性，在较高荷载段为 非线性；拉伸时的割线模量明显大于压缩割线模量。 沈新慧【5 8 】通过对一种红粘性土的单轴拉伸、径向压裂、空心瑟柱拉伸和无侧限压缩试 验，对压实粘性土的抗拉强度特性进行了研究。研究在含水量范围内，保持含水量不变， 于容重的变化对抗拉强度的影噙，及保持予容重不变，含水量变化对抗拉强发的影噙。实 心圆柱拉伸试验表明，在研究压力范围内，有效应力抗拉强度与总应力抗拉强度之间强度 较为接近。该土样的直接拉伸强度、闯接拉伸强度、无侧限抗压强度之间的比值均为常数。 试验表明，摩尔库仑强度理论对土的抗拉是不适合的，而对总应力抗拉强度是否适合还有 待研究。 1 9 8 4 年，周鸿逵【5 9 】做了粘性土的三轴拉伸试验，结果表明，试样的破坏表现为纯拉断、 先剪切伸长后拉断、纯剪切三种形式。当作用于试样魏围压力不同，褥到的断裂强度也不 同。1 9 9 0 年，v n g 哂锄o n 等【删做了粘性土的不排水三轴压缩和拉伸试验，试验结 果表明，随着粘粒含量的提高，不接水抗拉强度和极限拉伸应变都甓显增加。1 9 鳄年，李 1 2 河海大学硕士论文 广信等【6 1 】研制了一套简单的单向水平控伸试验装置，荷载通过砝码逐级施加，试样为长方 体。 l 鳕7 年，张小江等【6 2 l 研制了一套单轴静动力拉压试验仪，通过应力控制来加载，试祥 为长方体。马芹刹6 3 1 和贾坚【删介绍了种日本单轴拉伸试验仪，试样为圆柱体。1 9 9 9 年， 邢义川等两】设计了一套简单的单轴抗投试验仅，通过砝码逐级加载来测定原状黄土和扰动 黄土的抗拉强度，试样为长方体。 2 1 年，党进谦等嘲【镧在原有直剪仪的基磷上研制了一套卧式单轴土工应变挝伸仪， 仪器通过手轮转动来控制施加荷载的速率，试样为长方体。这些学者所研究的土料为纤维 加筋土、冻土、黄等。 2 0 0 6 年，张辉嘲】对3 种砾质土进行击实试样的抗剪强度试验，研究抗拉强度随试样干 密度、前期固结压力和含水率等的变化规律。实验结果表明，击实砾质土抗拉强度随着于 密度的增加而增加，增加幅度显著；随着前期固结压力的增加，它的抗剪强度增加。随着 含水率的增加，抗剪强度稍有减少。 蔷 2 0 0 7 年，朱俊高【叫设计了一套能进行土体单轴拉伸试验的夹具，夹具安装于万能试验 枫上，通过控制万能试验机进行应力或应变控制加载。出于夹具与试样之间可能会打滑， 因此只适用于研究抗拉强度的大小，不宜用于研究抗拉变形性质。文献【6 9 】通过对黏土以及 砾质黏土进行拉伸试验，研究不同击实功、试样饱和度、含水率的抗拉强度。结果表明， 黏性土的抗拉强度随着击实功的增大而增大；试样随着饱和度的增加，抗拉强度降低；同 击实功下抗剪强度随制样含水率的增加而减少。 土体的逐渐破损理论是当今力学界和岩土力学界的焦点问题之一，应变软化关系在三 轴试验这一边值问题中，就会出现剪切带。各国学者都非常重视对剪切带的研究，瑚e f 殉、 删7 、v i 删7 2 】等分别研究了c l l ! i c a g o 冰川土、l 喇c c a 硬粘土的剪切带对土体力学 形状的影响。h i c h 0 7 3 】等研究了压实粘土剪切带形成的边界条件、试样尺寸等影响因素。 & 埘a n d 【州等对天然粘土三轴试验的剪切带特性作了分析。k h a l i d 【7 5 1 等采用数字图像技术 研究了砂土试样剪切带的厚度。 沈珠江【7 6 】等人在对结构性粘土三轴试样的微观结果进行分析瑶认为：只有在土体团粒 ( 颗粒) 间有足够的结构强度，并当围压小于结构强度时，进行三轴剪切试验，才会形成剪 切带。推广上述牯性土结构强度的概念，从广义上讲，垂常压密土、超压密、欠压密土 都可能具有结构强度，砂性土也可具有结构性。从不同密度不同围压条件下的粉煤灰三轴 试验中可以雩导出相同的结论：只有试样的装样密度足够大，并且在剪切过程中试样受到的 1 3 第一章绪论 周围压力又相对较小的时候，才可能在三轴试样内部形成剪切带。 姜景山掣7 7 l 对粗粒土进行二维模型试验，二维模型试验过程中可以清楚地观察到颗粒 的运动，能定性地分析试样的受力变形特征。在试验中，可以清晰看到粗粒土剪切破坏时， 有较明显的剪切带。 1 4 本文的主要研究工作 从前面的总结分析可以看出，研究粗粒土三轴试验方法在理论和工程应用上都有一定 的意义，鉴于此，本文主要做了一下几个方面的工作： ( 1 ) 介绍了粗粒土的抗剪强度特性以及应力应变、强度特性，阐述了目前三轴试验中减 轻端部约束和高径比对试验影响的研究进展。 ( 2 ) 对双江口土石坝的粗粒土采用混合法和剔除法确定替代级配料，用直径为1 0 l m m 试样进行中三轴压缩试验，设计润滑试样帽研究端部约束对三轴试验强度的影响。 ( 3 ) 对双江口土石坝的粗粒土进行了直径为1 0 1 衄不同高径比试样的中三轴压缩试验 和拉伸试验，以及直径为6 1 8 m m 不同高径比试样的小三轴压缩试验。试样高径比为2 ：l 和3 ：1 ，重点研究试样高径比对三轴试验强度的影响；并采用直径为6 1 8 m m 的砂土小三轴 压缩试验进行平行试验，以验证摩擦角在高径比试验强度折减中的作用。 ( 4 ) 在a d a 有限元程序环境下，编写d 蚰啪c l 啪g 尽d 模型模块，用该模块模拟土 样端部约束对三轴试验强度的影响；并模拟在固结不排水剪试验中由于端部约束的影响， 孔隙水压力分布随着弹性模量、泊松比、渗透系数以及剪切速度等的变化规律。 ( 5 ) 针对a d i n a 软件前处理功能较弱的缺陷，以两河口土石坝为例，用f o r t r a n 程 序编写了河海大学岩土所研制的有限元前处理软件与a d i n a 前处理文件接口程序f e t a ， 将土石坝模型导入a d i n a 软件，实现土石坝静力计算；并将计算结果与河海大学岩土所 t d a d 程序的计算结果进行比较，用t i ) a d 软件验证了新开发的d u n c a n c h 狮g 尽d 模型 模块及有限元模型转换软件f e t a 在a d 矾a 中应用的可行性与可靠性。 1 4 河海大学硕士论文 第二章粗粒土三轴试样端部约束影响研究 2 1 引言 三轴试样在受力变形的过程中，由于端部刚性试样帽( 底座) 的约束作用，导致试样剪切 过程中出现较为明显的不均匀变形，变形后的试样一般里鼓形，这是因为试样端部与接触 的透水石或垫块之闻的摩擦或者黏着作用，形成两端的死区，并使试样受压后成了鼓形。 这种不均匀的鼓形变形很早就引起了研究者的注意，并且一宜尝试着从试验测试手段 方薅来减少或者消除试样端部约束对试样强度的影响，提出了多种方案，例如采用锥形或 抛物线形的试样帽、增加过渡性垫块、采用润滑试样帽等。但是采用锥形或抛物线形的试 样帽碾：座) 虽然能促使试样的端部沿侧匈扩张，但是不能获得均匀的应力穰应变。过渡性 垫块曾被用来消除混凝土立方试样的末端约束，但是橡皮块本身在各级轴向荷载下出现的 侧向变形，必须与试样在相应的轴向荷载下的侧向变形相同，才能大大地消除末端约束。 由此看来，只有采用与试样相同的土块作为垫块，才属有效。因此，这种这种方法有很大 的局限性。所以大量的研究广泛采用的方法是润滑试样帽法。 目前，国内外许多学者对砂土等兰轴试验的端部约束做了大量的研究，提出了相应的 修蓬方案，但是对予粗粒土的研究还处于起步阶段。本文透过三轴试验润滑试样帽法对粗 粒土的端部约束影响进行强度研究，以修正端部约束由三轴试验得到的试样强度值。 2 。2 。端部约束影响试验方案 2 2 1 。试验土料的制各 处于坝壳部位的粗粒料渗透系数较大，排水性强。一般来说，粗粒料在施工填筑期就 可以完成摊水固结。根据对某土石坝的坝壳砂砾石、石渣等实际观测资料显示，这些粗粒 土的沉陷变形在几个月的时间已经基本稳定，而施工期一般相应较长，所以对于透水性较 强的坝壳粗粒料，宣采用三轴固结排水剪试验来进行研究。 试验采用双江口土石坝的坝壳粗粒料，粗粒料的原始级配如图2 1 所示，各粒组的含 量如下表所示。 表2 1粗粒土土料各粒组含量表 粒径范围6 弧4 0 0 一3 0 0 2 0 0 l 6 肚4 2 0 l o 55 2 2 ( 勰) 4 3 2 l 6 0豹2 0l o 含量( ) 1 5 581 2 51 71 1 581 0 56560 1 5 第二章粗粒土三轴试样端部约束影响研究 1 0 0 9 0 8 0 邑7 0 墓6 0 器5 0 螟4 0 3 0 2 0 1 0 0 - - 粗粒土上包线- - - - - 粗粒土平均线- 粗粒土下包线 -_ - 1-一一j 乞 - 一1i 一。一 - 】l - _ r 一1 _ j |i f _ _ 一一 l il l 一1 t 一- 一 f -_ - 一 、 一1l ，一一一 _ r -。_ l 一j一 _-_ - r 一 - l - i ll - 1 - 粒径湎) 图2 1 粗粒土粒径分布曲线 本章采用直径为1 0 l 衄的试样进行中三轴试验，研究端部约束影响。按照土工试验规 程，试样直径为1 0 l m m 时，允许土料最大粒径d 为2 0 n m 。而现场土样中含有大量的超粒 径颗粒，为了使得室内试验尽量模拟现场情况，规范中提出四种处理方法来处理超粒径颗 粒：剔除法、等量替代法、相似级配法、混合法。这四种方法根据需要选择，本文采用混 合法以及剔除法两种替代方法来研究端部约束对三轴试验的影响。 混合法【1 1 是先用适当的比尺缩小，使小于5 衄粒径土的质量不大于总质量的3 0 ，如 果仍然有超粒径，则根据原级配曲线的粒径，分别按照几何相似条件等比例地将原样粒径 缩小至仪器允许的粒径。缩小后的土样级配应保持不均匀系数不变。剔除法【1 1 是直接将超 粒径颗粒剔除。通过对土样的筛选和分析，可得出剔除法和混合法的计算级配，如表2 2 所示。 表2 2 剔除法、混合法的计算级配 历髦 2 嘶m 10 i n ml i m m 一5 m m 5 m m 剔除法( ) 3 5 2 92 9 4 l3 5 2 9 混合法( ) 5 6 6 43 2 3 61 1 0 0 按照剔除法、混合法两种替代方法得出的计算级配分别配料，进行相对密度试验。首 先进行的是最大干密度试验，该试验由最大干密度试验装置来完成，该装置由振动台、试 样筒、套筒、加重盖板及加重物组成。试样简直径为3 ，加重物为4 5 k g ，振动台的 振动频率为4 5 h z ，试样装载后振动8 i n i l l 。振动结束后，分别从不同的角度测量试样的高 度l o 次，取其平均值。然后进行最小干