（岩土工程专业论文）主应力轴旋转情况下原状软粘土应力应变试验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着我国经济建设的发展，交通、海洋工程等项目不管在数量上还是规模上 都在不断增大，因此研究交通、波浪和地震荷载对土体的影响变得尤其重要，主 应力轴方向的旋转变化是车辆、波浪等荷载作用下地基土所受应力路径的主要特 征，这种复杂的应力路径与主应力轴定向剪切的应力路径相比而言，对土体性状 的影响存在显著差异，但以往开展考虑主应力轴方向变化的试验研究成果较少， 尤其针对原状软粘土的试验资料更急待丰富与完善。有鉴于此，本文对杭州地区 典型原状软粘土开展了考虑主应力轴方向变化的应力应变关系试验研究。 本文工作和主要研究成果如下： 1 对试样进行了主应力轴方向不变的不排水静态应力路径试验。试验结果表 明：( 1 ) 4 个应变分量中径向应变受到中主应力参数的影响较大，而中主应力参 数和主应力轴方向都对扭剪应变有较大影响。相比较而言，轴向应变和切向应变 在数值上变化幅度不大，受到中主应力参数和主应力轴方向的影响较小。 ( 2 ) 就整体而言，6 = o ( 6 为中主应力参数) 系列试验的八面体应变要大于b = 0 5 的系列， 其破坏临界值基本在8 1 5 之间，而b = 0 5 系列基本在3 7 之间。( 3 ) 试验 中可以较明显的看到应力应变增量的不共轴现象，随着角度的增大，不共轴现象 越明显，甚至在试样临界破坏时应变增量方向仍然大于应力增量方向一定角度。 2 对试样进行了包含主应力轴旋转的不排水静态应力路径试验。试验得到 以下结论：( 1 ) 主应力旋转的应力路径从整体上并没有对轴向应变、切向应变、 径向应变、扭剪应变的破坏临界值产生显著影响。( 2 ) 主应力轴旋转后，八面体 应变曲线仍然与定向剪切试验曲线保持一致。主应力轴方向旋转的应力路径同样 未对八面体应变产生明显影响。同时也验证了沈扬博士以及s y i l l e s 等的结论。( 3 ) 主应力轴旋转的旋转方向对于应变变化具有显著影响，当应变往增加方向变化 时，其值与定向剪切试验所得值较为接近；而往减小方向变化时，其值则要明显 大于定向剪切试验所得值。( 4 ) 主应力轴旋转时主应力增量方向和主应变增量方 向都会产生突变，应力应变增量方向始终存在一定差异，且主应力增量方向受到 影响较主应变增量方向要显著。 关键词：原状软粘土；主应力轴方向变化；空心圆柱仪；应力应变关系 i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h ec o n s t r u c t i o no ft r a f f i ca n do c e a l l e n g i n e e r i n gi so na l lu n p r e c e d e n t e ds c a l e s ot h er e s e a r c ho nt h ee f f e c to fv e h i c l ea n d w a v el o a d so ns o f tc l a yh a sav e r yi m p o r t a n tr e a l i s t i c s i g n i f i c a n c e t h ep r i n c i p a l s t r e s sr o t a t i o ni sat y p i c a ls t r e s sp a t hw h e nv e h i c l ea n dw a v el o a d sa r ea p p l i e do nt h e f o u n d a t i o n , w h i c hh a sq u i t ed i f f e r e n ti n f l u e n c eo ns o i l sc h a r a c t e r i s t i c sf r o mt h ef i x e d p r i n c i p a ls t r e s so r i e n t a t i o ns h e a rp a t hi nm a n ya s p e c t s b u tt h es t u d ya b o u tt h e i n f l u e n c eo fp r i n c i p a ls t r e s sr o t a t i o no ns o i l sn e e de n r i c h g r e a t l y , e s p e c i a l l yt h e e x p e r i m e n t a ld a t ao ni n t a c ts o f tc l a ya r ev e r yf e w t h ed i s s e r t a t i o nw a sf o c u s e do nt h e e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h es t r e s s - s t r a i nr e l a t i o n s h i pw h i l ep r i n c i p a ls t r e s so r i e n t a t i o n w a sv a r i e di nd i f f e r e n tm o d eo nh a n g z h o u t y p i c a li n t a c ts o f tc l a y t h em a j o rs t u d i e sa n da c h i e v e m e n t si nt h i st h e s i sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 u n d r a i n e ds h e a re x p e r i r n e n t sw i t h 丘x e dp r i n c i p a ls t r e s so r i e n t a t i o nh a db e e n d o n e ，a n di tw a sf o u n dt h a t ( 1 ) t h eb - v a l u eh a db i gi n f l u e n c eo nt o r s i o n a ls t r a i n , w h i l eh a dl i t t l ei n f l u e n c eo nt h ea x i a ls t r a i na n dt a n g e n t i a ls t r a i n , w h i c hm e a n st h e b - v a l u ea n dt h ep r i n c i p a ls t r e s sd i r e c t i o nh a v el i t t l e i m p a c t o nt h e m ( 2 ) t h e o c t a h e d r a ls h e a rs t r a i ni n 萨0 t e s t s ，m a i n l yb e t w e e n8 - - , 15 ，w a sm u c hl a r g e rt h a n t h a to fi n6 = 0 5t e s t s ( t h eo c t a h e d r a ls h e a rw a sa b o u t3 一7 ) ( 3 ) t h ed i r e c t i o no f i n c r e m e n t a ls t r e s sd i dn o tm a t c ht h ed i r e c t i o no fi n c r e m e n t a ls t r a i n t h i sp h e n o m e n o n w a sm u c hr e m a r k a b l ew h e nt h ea n g l eo f p r i n c i p a ls t r e s si n c r e a s e d 2 u n d r a i n e dp r i n c i p a ls t r e s sr o t a t i o n e x p e r i m e n t s h a db e e nd o n e t h e c o n c l u s i o n sw e r e ：( 1 ) t h ev a l u eo fa x i a ls t r a i n , r a d i a l s t r a i n ，t o r s i o n a ls t a i n 趾d t a n g e n t i a ls t r a i nw e r en o ts t r o n g l ya f f e c t e da f t e rp r i n c i p a ls t r e s sr o t a t i o n ( 2 ) a f t e r p r i n c i p a ls t r e s sr o t a t i o n ，t h eo c t a h e d r a ls h e a rs t r a i nc o i n c i d e dw i t ht h o s eo ff i x e d p r i n c i p a ls t r e s s ( 3 ) t h em a g n i t u d eo ft h es t r a i nd e v e l o p e da f t e rp r i n c i p a ls t r e s s r o t a t i o nw a sf o u n dt o d e p e n do nt h ed i r e c t i o no fr o t a t i o n ( 4 ) t h ed i r e c t i o n so f i n c r e m e n t a ls t r e s sa n ds t r a i ns u d d e n l yc h a n g e dw i t ha l a r g em a g n i t u d ea sp r i n c i p a l s t r e s sr o t a t i o nb e g a n ，a n dt h ed e v i a t i o ns t i l le x i s t e di nt h ee n do ft e s t s k e yw o r d s ：i n t a c ts o f tc l a y ；p r i n c i p a ls t r e s so r i e n t a t i o n ；h o l l o wc y l i n d e ra p p a r a t u s ； s t r e s s 。s t r a i nr e l a t i o n s h i p i i i 浙江大学硕士学位论文 主要符号说明 试验中的加载力系及实测应力参数及变形参数 日空心圆柱仪系统中空心圆柱试样高度 m r空心圆柱仪系统中扭矩传感器读数 形空心圆柱仪系统中轴力传感器读数 p 。空心圆柱仪对空心试样外壁施加的围压( 简称外围压) a空心圆柱仪对空心试样内壁施加的围压( 简称内围压) u 孔隙水压力 0空心试样转角变形( 即转台转角) z空心试样轴向变形 试验中间接求解的应力及变形参数 b 中主应力参数 g s 试样比重 p空心试样单元体所受球应力 空心试样单元体的大小主应力之差的半值 空心试样的内半径 空心试样的外半径 空心试样单元体的大小主应力之比 空心试样单元体的大小有效主应力之比 空心试样的内壁变形 空心试样的外壁变形 空心圆柱仪系统反压控制器体积 空心圆柱仪系统内压控制器体积 空心圆柱仪系统空心试样的体积 空心试样单元体所受平均大主应力 空心试样单元体所受平均中主应力 空心试样单元体所受平均小主应力 空心试样单元体所受平均径向正应力 空心试样单元体所受平均轴向正应力 空心试样单元体所受平均环向正应力 空心试样单元体所受瞬时平均轴向正应力增量 空心试样单元体所受瞬时平均切向正应力增量 空心试样单元体所受平均扭剪应力 空心试样单元体的瞬时平均扭剪应力增 空心试样单元体的大主应力轴方向角 空心试样单元体的大主应力增量方向角 i v g nr嘶k圪以眈毋西昵卯吒纫口 浙江大学硕士学位论文 空心试样单元体的大主应变方向角 空心试样单元体的大主应变增量方向角 空心试样单元体的平均大主应变 空心试样单元体的平均中主应变 空心试样单元体的平均小主应变 空心试样单元体的平均径向应变 空心试样单元体的平均轴向应变 空心试样单元体的平均切向应变 空心试样单元体的平均扭剪应变 空心试样单元体的平均八面体剪应变 空心试样单元体的瞬时平均轴向应变增量 空心试样单元体的瞬时平均切向应变增量 试验成果分析所采用的相关符号 o c r w w l w p 缈 9 伽 司开普敦临界孔压系数 亨开尔临界孔压系数 反压饱和系数 直剪固快试验所得试样天然粘聚力 三轴压缩试验所得试样天然粘聚力 土样孔隙比 主应力轴循环旋转频率 修正l a d e d u n c a n 模型的强度参数 超固结比 土样天然含水量 土样液限 土样塑限 直剪固快试验所得土样天然内摩擦角 三轴压缩试验所得土样天然内摩擦角 v 研q句屏乞晶伽t岛 母以cp厂辟 浙江大学研究生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。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，也不包含为获得堑鎏盘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己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，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适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月 日 签字日期：年月 日 致谢 本文是在导师周建副教授的悉心指导下完成的。周老师治学严谨、实事求 是、富于开拓创新的治学作风、对工作一丝不苟的精神以及为人正直的处事原则 给学生留下了深刻的印象，使学生受益匪浅、终生难忘! 值此论文完成之际，谨 向周老师致以由衷的感谢和敬意! 作者在浙江大学求学过程中，在学识上得到了龚晓南教授、温晓贵副教授 等热心指导和帮助，在此表示诚挚的谢意! 本文在撰写过程中，得到了沈扬、张金良、柯海鳌、李瑛、管林波、张勋 等同学和朋友的极大帮助，在此表示由衷的感谢! 最后，感谢评阅、评议论文及出席硕士学位论文答辩的各位专家、教授， 感谢他们在百忙中给予的指导。 浙江大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 动荷载作用下饱和软粘土的特性是设计和分析不同实际工程中所要考虑的 问题，在我国沿海地区及内陆地区广泛分布着深厚的软土层。近几年在这些地区 修建了大量的高速公路、铁路、机场等，要求工程人员对循环荷载作用下软粘土 的工作性状要有更好的了解。长三角地区历史上就是我国经济发达的地区之一。 改革开放以来，长三角地区经济持续快速增长，随着长三角区域经济一体化进程 的不断加快，交通流量迅猛增长，迫切需要交通工程的建设。 公路桥梁是国民经济的重要命脉，由于其特有的优越性和灵活性，发挥着其 他运输方式所不可替代的作用。公路桥梁建设又是国家最主要的基础产业之一， 公路桥梁交通事业的迅速发展，为经济的持续发展注入了强大的活力。至2 0 0 6 年中期，浙江省内现役桥梁数量相当可观，总计大小桥梁2 0 7 1 6 座，其中特大桥 7 8 座、大桥1 5 5 0 座，中桥4 6 7 3 座、小桥1 4 4 1 5 座，公路桥梁平均密度全国最高。 改革开放以来，浙江省兴建了大量公路桥梁，先后在钱塘江、瓯江、曹蛾江、飞 云江、甬江、灵江上建成了数十座大桥，杭州湾跨海大桥和舟山连岛工程，更为 世人瞩目。而江苏省，2 0 0 7 年的宁常、镇溧高速公路的建成通车使江苏省高速公 路通车总里程突破3 5 0 0 公里，达到3 5 6 2 公里。沪宁高速扩建工程建成通车后，随 即进行京沪( 江苏段) 、宁启、苏嘉杭高速的扩建工程，2 0 0 7 年，三条高速的扩 建工程也全面展开。 对于长三角地区发达城市，其人1 2 众多、房屋密集、街道狭窄、车辆拥挤， 建设立体交通网络是解决交通拥挤状况的重要途径，而地铁建设就是其中的一个 重要组成部分，根据上海十一五城市最新的规划，2 0 1 0 年运营线路长度达到 4 0 0 k m 。而根据杭州地铁总体规划，杭州轨道交通网络体系由8 条线路组成，总 长为2 7 8 公里，到2 0 5 0 年杭州地铁网有8 条线路，估算总投资在l o 0 0 4 l 元。根据南 京市目前城市规划，至, j 2 0 5 0 年南京市的轨道交通线网将由1 0 条地铁线、四条轻轨 线构成共计4 3 3 公里的网络。同时为了应对海浪，台风等自然灾害的侵袭，沿海 地区的堤防工程也在不断兴建。 软土广泛分布在我国东南沿海、环渤海和部分内陆地区，这些地区的许多工 浙江大学硕士学位论文 业与民用建筑、公路、铁路、港口码头和水利等工程常常不得不兴建在软粘土地 基上。以杭州、上海为代表的长三角地区属于饱和软粘土地区，其土层性状复杂、 强度低、渗透性差、结构性强的软粘土占了很大比例。因此，在进行路桥，地铁 等交通设施建设以及海洋工程等项目的建设过程中，动荷载对饱和软粘土的结 构、强度等性状的影响成为对上述这些关乎国计民生的重大工程项目进行规范、 安全、经济设计和施工所需要解决的关键问题。国内外都有公路软基在车辆荷载 作用下产生过量变形，甚至开裂、沉陷；海洋建( 构) 筑物局部软基由于风暴潮 侵袭引起软化导致倾斜偏移的事故发生。 因此，为了国家经济建设的稳固性和安全性，为了考虑各种复杂应力路径组 合情况对地基基础以及上部结构的影响，针对软粘土开展主应力轴旋转条件下性 状的分析研究日益显示出重要性和迫切性，这些研究不仅能为软土在复杂条件下 的本构模型的建立和完善提供必要的参数支持和实践证明，更能为我国软土地区 基础建设提供有力的设计依据和技术保证。 1 2 研究方法 1 2 1 动荷载主要应力路径特征 各种动荷载( 交通、波浪、地震等) 最主要的应力路径特性就是主应力轴的 旋转变化，图1 1 为三种典型动荷载对于土体单元的作用应力示意图。因此，要 研究动荷载对于土体性状的影响，最重要的就是能够在试验中模拟出主应力轴连 续旋转变化的应力路径，并且能够实现主应力轴方向在任意角度的控制。 j (习、- 一 ( 口一云 ，t 、一。 厂 一1 一 啐j l 研一云 2 ( a ) 交通荷载( b ) 波浪荷载( c ) 地震荷载 图1 1 三种典型动荷载作用下土体单元所受应力图 2 浙江大学硕士学位论文 目前的土动力学研究中，室内的各种土动力学试验设备主要有常规振动三轴 仪、双向振动三轴仪、动直( 单) 剪仪、动真三轴仪等，但是这些仪器都有其明 显的适用范围，并受到其模拟应力路径的能力所限，如常规的循环三轴仪仅仅靠 施加循环的偏差正应力来模拟动力剪切荷载，循环扭剪仪则只通过施加循环扭矩 模拟纯剪应力状态，所以都难以满足模拟主应力轴旋转对于土体作用的要求。因 此，研制出能够模拟动荷载应力路径、实现主应力轴旋转的仪器是进行动荷载对 于土体性状研究的关键所在。1 9 7 7 年，a t h u r ，c h u a & d u n s t a n 发明了直剪盒( d s c ) 可以实现主应力轴的旋转。d s c 仪类似平面应变仪，可是其无法控制中主应力， 并且d s c 仪只能采用x 轴或外部测量，这使得其在破坏点或小应变的测量上存在 不足。另一种试验室模拟主应力轴旋转的仪器就是空心圆柱仪( h c a ) 。 h c a 是h o l l o wc y l i n d e ra p p a r a t u s 的简称，中文简称空心圆柱仪，因试样为 薄壁空心圆柱形而得名。由于空心圆柱仪能够对试样提供独立控制的轴力职扭 龇，内压功与外压肌，从而将主应力轴在试样中的旋转从可能转变为现实，故 而成为能研究各种土体在车辆、波浪、地震等动力荷载作用下性状的首选试验设 备之一，也是目前国际上最适合进行主应力轴旋转应力路径模拟研究的岩土试验 仪器。 1 2 2 空心圆柱仪的发展和现状 1 2 2 1 空心圆柱仪的历史简介 空心圆柱仪的英文全名为h o l l o wc y l i n d e r a p p a r a t u s ，简称h c a ，因试样为 薄壁空心圆柱形而得名。早在1 9 3 6 年，c o o l i n g & s m i t h 就第一次采用了空心土体 试样进行扭剪试验以研究土体性状，然而，由于受到当时技术条件的限制，仍然 没能研发出能够实现主应力轴旋转的试验仪器。此后，国内外一大批科研机构与 仪器厂家以及专家学者都相继致力于空心圆柱仪的研发工作，研发出多种不同功 能特色的h c a 仪，着手从事关于主应力轴旋转条件下土体性状的研究。 空心圆柱仪是从上世纪八十年代才开始逐步发展起来。b r o m s & c a s b r i a n 和 l a d e ( 1 9 7 5 ) 第一次使用空心圆柱仪实现了主应力轴发生旋转的定向剪切试验。 b r o m s i 均研究反映了主应力轴方向旋转和中主应力大小对粘土抗剪强度的影响， l a d e 通过固定轴力、内外围压的条件下增大扭矩进行等向及不等向固结土的剪切 浙大# 硕学位论文 强度，其试验证明了主应力轴方向旋转对砂土应力应变特性的影响。在这些试验 中，大小主应力及其方位角已同时发生了变化。 1 9 8 3 年，h i g h t ，g e m s y m e s 种l 了一种新型空心圆柱仪，专门研究土体主 应力轴旋转效应。i s h i h a r a 等( 1 9 8 3 ) ；v a i d 等( 1 9 9 0 ) ；沈瑞福等( 1 9 9 6 ) ；栾茂田等 ( 2 0 0 3 ) ；h a n l i n ( 2 0 0 5 ) 又分别研制或改进了空心圆柱仪相关试验设备，为试验室 模拟主应力轴旋转条件下土体的性状研究创造了极为有利的条件，使研究的可行 性和深入性向前迈进了一大步。 1 2 2 2 目前主要空心圆柱仪的性能对比 目前在主应力旋转条件下的土体性状研究还具有较大空间，国内外一些科研 机构与仪器厂家相继研发出多种不同功能特色h c a 仪。 英国帝国理工学院( 简称i c ) 是最早研发h c a 仪的科研机构之一，从8 0 年代 到现在已开发了三代h c a 产品，一直致力于此试验研究，研究水平世界一流。其 研制的h c a 仪试样尺寸大，能够较大程度地克服尺寸效应和端部效应，传感器先 进，测量精度高。但其一直进行静力试验研究，仪器刚开始增加动荷载，目前仅 能施加一个动态参数，即动扭矩；输出波形也只有一个一s i n 波形，数据输出和 处理没有成熟的应用软件，尚来开始任何动力试验。 2 英国帝国理工大学h c a 仪( 引自张金良 浙江大学硕士学位论文 美国g c t s 仪器公司的空心圆柱仪可用于非饱和土( 吸力达1 5 0 0 k p a ) 研究， 电水激振的压力体积控制泵加压方式先进；但是试样的高径比小，尺寸效应明 显。 加拿大哥伦比亚大学( c o l u m b i au n i v e r s i t y ) v a i d 教授等研发的空心圆柱仪， 加载能力稳定，在克服试验中的尺寸效应，端部效应等方面做了大量的研究，但 主要试验路径仍局限在静态或拟静态。 日本也是从事主应力轴研究起步较早的国家，近年来与我国科研单位也联合 研发了一些空心圆柱仪的试验设备。如河海大学与日本圆井株式会社共同研发的 振动扭剪全自动多功能三轴仪输出波形类型较多，可进行空心和实心两种试样试 验；配有两套双出力传感器和微应变传感器，压力和加载系统由油泵、空压机和 伺服电机三部分构成，散热要求高，主要采用气压式加载方式。大连理工大学和 日本诚研舍联合开发的土工静力一动力液压三轴一扭转多功能剪切仪为双量程 变形测量系统；亦采用轴向力和扭矩集成的双出力传感器；静力或动力加载时均 可选用荷载控制与位移控制两种控制方式；目前动力加载的稳定工作频率是 1 h z ，频率高时无荷载补偿。 英国g d s 仪器设备有限公司和w f i 仪器公司的空心圆柱仪测试精度较高，伺 服系统输出波形多，在中国均有代理处。另j i g d s 公司的空心圆柱仪稳定工作频 率可达5 1 0h z ，且持续工作时间久，并可应用于非饱和土的研究。本文试验所 用仪器为浙江大学岩土所与英国g d s 仪器设备有限公司联合研发的浙江大学 5 h z 空心圆柱仪( z j u h c a ) 。 1 2 3 本文试验使用仪器 空心圆柱仪上实现主应力轴循环旋转的关键技术取决于轴力和扭矩的动态 变载能力，而总体上目前国内外大多数空心圆柱仪的轴力或扭矩变载的速率缓 慢，变载波形单一，因此多针对基坑开挖、堤坝填筑等静态或准静态施工工况下 的土性研究，而对交通、波浪等动态荷载的模拟分析较少。在测量精度上，一些 仪器的数据采集转换系统或传感器在动态测试状态下的反应速度较慢，从而出现 输出与反馈不同步的情况，影响数据控制和采集的可靠性。 本文试验所采用的浙江大学5 h z 空心圆柱仪( z j u h c a ) ，是由浙江大学 5 浙江大学硕士学位论文 岩土所与英国g d s 仪器设备有限公司联合研发的新型空心圆柱仪，能进行中高频 主应力轴循环旋转试验，可进行轴力、扭矩中高频率下共同变载。该设备在静态 试验环境下，内外围压、轴力、扭矩均可独立控制；动态试验环境下轴力、扭矩 可作任意波形周期变化，且变载频率可达5h z 。传感器工作性能稳定，测量精度 高，有多重校合，并配备了非接触式水下应变传感器。实践操作表明，浙江大学 5 h z 空心圆柱仪( z j u h c a ) 在静、动复杂应力路径的实现能力，控制系统的 数据采集分析速度，传感器的感应精度、稳定工作性能，以及试验试样的种类、 尺寸均达到了同类设备相关性能指标的国际领先水平，为本文试验研究的开展提 供了设备保证。关于浙江大学5 h z 空心圆柱仪( z j u h c a ) 的仪器介绍以及试 样的制取方法将在第二章中予以说明。 1 3 研究现状 1 3 1 试验研究进展 国内外进行了一些关于各种土体在主应力轴旋转条件下性状的试验研究，其 中以重塑砂土和粉土作为研究对象的居多，而以粘土( 特别是原状粘土) 作为研 究对象的很少，原因主要在于受到仪器功能限制以及制样难度较大。本节就目前 国内外主应力轴旋转条件( 包括单向旋转和循环旋转) 下土体性状研究的室内试 验的主要研究成果进行分类分析和总结。 ( 1 ) 砂土 t o w h a t a 等( 1 9 8 5 ) 对饱和日本东京砂进行了排水条件下主应力轴循环旋转 的试验，试验的结论中指出，循环旋转下应力应变关系形成了滞回圈，说明在主 应力轴循环旋转下土体表现的塑性特性，而体应变在三个循环中一直增加。在排 水条件下，试样的剪切会导致体积应变的产生；不排水条件下则导致孔压的累积。 2 0 0 2 年，s i v a t h a y a l a n 等通过试验发现，主应力轴旋转能导致重塑中砂的应 变软化。文中还指出，在排水条件下试样在先旋转主应力轴后定向剪切的情况下， 与起初就经历定向剪切的情况对比，无法实现最终的体应变重合，而且在排水条 件下，高剪应力水平下主应力轴逆转以后试样的剪胀特性也受到削弱，这在不排 水试验中并没有出现。 6 浙江大学硕士学位论文 1 9 9 3 年，w i j e w i e k r e m e 等对饱和中砂进行主应力轴单向旋转排水剪切试验 ( 图1 3 所示为试验应力路径) 。试验结论指出当应力状态在r 2 并且0 0 口“5 0 的时候( 其中r 为应力比，r = a ；c r ：，口为主应力轴方向) ，试样产生的应变不 受之前的应力路径影响，并且随着主应力轴的旋转，其表现出来的应变特性都与 其应力历史无关。r 2 并且0 。 4 5 。时所进行的试验，应变就 会受到之前的应力路径历史影响。如图1 4 所为w i j e w i c k r e m e 试验的主应力、 主应变增量方向关系图，当主应力增量方向小于4 5 。时候，主应力增量方向与主 应变增量方向一致。而当大于4 5 。时候，主应变增量方向在r 值增加或者主应力 轴旋转的时候，向主应力轴方向口偏转。换句话说，当主应力增量方向接近其土 质的沉积方向时候，主应变增量方向基本是由主应力增量方向决定，并与其一致。 而当方向接近地层方向的时候，则不单由主应力增量方向决定，还取决于主应力 轴方向口和r 。 n m z 5 0 a 4 0 0 1 c c d 2 o o a 3 0 0 2 一 1 6 s 寸 a 2 c 0 1 i ij i 3 5 a 1 c 0 1 _ 。o45s ， yj n 、 、1 c 0 1 a 2 0 0 1 、“口一。 i 3 0 0 2 a 4 0 01 1 3 饱和中砂的主应力轴旋转试验应力路径( 引自w i j e w i c k r e m e 等，1 9 9 3 ) 7 浙江大学硕士学位论文 ，、 o 、， 司 o h o b q o ( 3 1 口( 。， 1 4 主应力增量，主应变增量关系图( 引自w i j e w i c k r e m e 等，1 9 9 3 ) 此外，国内外的学者还就主应力轴旋转结束后土体后续加载过程中的应力应 变关系做了大量研究。s a y a o ( 1 9 8 9 ) 通过对细砂的排水循环试验发现，当连续 两次进行主应力轴旋转，并且两次主应力轴的旋转方向一致时，土体表现出很明 显的硬化特性，在同等应力水平下体应变以及剪应变增量都会减小；而当两次主 应力轴的旋转方向向相反时，土性没有明显受到主应力轴旋转的应力历史影响， 在同等应力水平下不论是体应变还是剪应变增量都与第一次旋转产生的差不多。 w o n g 等( 1 9 8 6 ) 对砂土的研究中表明，在排水条件下对试样进行主应力轴旋转 后，试样会产生一定的累积应变，而此后的加载过程中应力应变关系会明显受到 较大影响。 ( 2 ) 粉土 z d r a v k o v i c 等( 2 0 0 1 ) 对紧密粉土( h p f 4 ) 进行了试验，试样在固结中就进 行了主应力轴旋转。试验结果表明，在排水条件下进行主应力轴旋转的剪应变峰 浙江大学硕士学位论文 值较剪应力峰值滞后了2 5 。；此外虽然主应力轴发生了旋转，但是试样的轴向应 变并没有产生太大的变化。相比较而言，沈扬博士所进行的粘土试验中认为，试 验在排水条件下主应力轴旋转带来的并不是对土体整体强度而是对土体原生各 向异性的影响，具体说就是伴随主应力轴单向旋转发生的固结将使得试样的原生 各向异性轴也发生旋转，该轴与排水旋转结束时的最终主应力轴方向基本重合。 ( 3 ) 粘土 。 a k a g i 等( 1 9 9 7 ) 关于原状粘土进行主应力轴旋转的排水剪切试验中指出， 在进行主应力轴旋转时土体的体积应变取决于原状粘土的微观结构，而在保持恒 定平均主应力p 和剪切应力q 进行主应力轴旋转时能明显观察到土体有体积应变 产生。在相同的主应力轴旋转条件下，原状粘土产生的体积应变增量要大于重塑 粘土。原状粘土随着主应力轴的旋转，体应变不断增加，可以达n 2o a ( 如图1 5 所示) 。不过此试验中剪应变在旋转过程中有一个先增加后减小的过程。而重塑 粘土在主应力轴旋转下，应变也会有显著的增加。对比两者可以发现，在相同应 力水平的条件下，原状土的累计体应变要大于重塑土，后者的体应变只有0 5 ( 如图1 6 所示) 。 1 5 原状粘土在主应力轴旋转条件下体积应变变化关系图( 引自a k a g i 等，1 9 9 7 ) 9 浙江大学硕士学位论文 1 6 重塑粘土在主应力轴旋转条件下体积应变变化关系图( 引自m a g i 等，1 9 9 7 ) 1 3 2 理论研究现状 关于动荷载对土体的影响，很早以前就为人们所重视，也做过大量的研究工 作，取得了很多成果，对后来工程建设有很大的指导借鉴意义。前人曾研究认为 含主应力轴旋转的情况下，应力与应变主轴存在差异。弹性力学中也存在主应力 轴旋转问题，但它不会导致不共主轴现象。原因是弹性应变增量的大小、方向只 与应力增量一一对应( 二者方向一致，大小成比例) ，故其应力应变主轴的旋转 是同步的。然而土体变形受应力历史的影响( 其应变增量的大小、方向不仅与应 力增量的大小、方向有关，而且受应力大小、方向的影响) 。故应变增量随应力 增量的旋转存在滞后现象，从而导致应力应变不共主轴。 目前在理论研究上，大部分学者基本从各向异性的本构模型方向进行研究， 而从力学角度研究主应力轴旋转的较少。国内目前在这方面只有刘元雪( 1 9 9 6 ) 等人研究得较为深入，他认为可以把应力增量分解为一个共轴分量和一个旋转分 量。其文章结论中指出，主应力大小的变化与主应力轴方向旋转是两种不同应力 增量作用的结果。二维情况下应力增量d o 可以分解为一个共轴分量d o c 和一个旋 转分量d o r 。 对任意应力增量d o 进行坐标转换，得到： d 盯= t i b t i r _ - 正( 鲁乏) 正r + 互( 乏繁 五r c - ， 其中互= ( 1 一2 ) ，l 和：分别为仃的主值盯。、仃：所对应的方向。b 为作 浙江大学硕士学位论文 者任命值，b = 互r d 啊，b 为对称常量，则： 丑= 嚆剐乏0m 0k 芝)l k 2 局l k 2ji3j 因此可得到式子1 1 ，再对d 和d 西进行分解可以得到： d o 。 d o ， 等1 跏r 0 d o ( i t l - - 0 ，) 卯缸0 飞p：)广 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 由此可以推出，当d o l = k l ，d o 2 = k 3 ，d o = k 2 ( q 一仃2 ) ，则： 心加 r m l m a i ：； 5 ， lc l b lm 3 f ，m l 0 0 鼢f2 1 ：乞2 驴 a 6 d o i = m 1 ，d o 2 = m 2 ，d o 3 = m 3 d 仃1 = 丁 丢 吾 三丁r c - 7 ， d o ，1 表示绕第三主轴旋转，旋转角为： d o , = a i ( q 一0 2 ) f ，o 0 0 、 d o ，2 钉10 0 b 1 l t r ( 1 8 ) l 0b l0 d o r 2 表示绕第一主轴旋转，旋转角为： 浙江大学硕士学位论文 d 仃= 可兰曼专 丁r c ，9 ， 性分量如。、塑性共轴分量蝉与三个旋转分量d 、d 占：、出：叠加而得，如下 一d 6 = d e e + d s ：+ d 丢+ d s 乏+ d 乏 ( 、1 0 ) 1 4 本文研究内容 目前的主应力轴试验研究土样以砂土和粉土居多，因为受到试验条件的限制 以及实际工程的需求问题，以粘土作为研究对象的较少，因此就土样而言在粘土 这方面还有较大的研究空间，特别针对原状粘土。主应力轴旋转也会产生应变累 积，应变累积的方式受到土体原生各向异性的影响，其中一个重要的方面在于主 应变增量与主应力增量或主应力轴方向之间的不共轴关系上，因而在应力应变关 系的预测上仍然缺少实质性的指导建议。通过进行包含各种应变水平在内的试验 来探求大主应变增量方向随应力应变变化的关系将是今后研究的一个重点。此外 关于主应力轴旋转对于土体后续的应力应变特性的影响目前的试验数据以及结 果仍然较少，特别对于土体直接在主应力轴单向旋转条件下发生破坏的情况，然 而在实际工程中此类情况的确有发生。因此本文将采用杭州地区典型的原状软粘 土，进行考虑主应力轴方向变化的有关试验研究，试验内容包括： 1 、对原状粘土进行不同主应力轴方向的定向剪切试验，主应力轴角度分别 浙江大学硕士学位论文 为5 0 、2 0 。、3 5 0 、5 0 0 、6 5 0 、8 0 0 。 2 、对原状粘土进行连续主应力轴旋转的静态剪切试验，进行了由小角度转 向大角度试验( 5 。n 3 5 。) ，以及由大角度转向小角度试验( 3 5 。到5 。) 并 对比主应力轴定向剪切试验结果。 本文主要通过上述两类试验进行了以下的工作： 1 、分析了试样在试验过程中四个应变分量( 轴向应变，径向应变，径向应 变，扭剪应变) 的发展情况及发展规律。 2 、分析试样的综合应变量( 主要以八面体应变为主) 的发展情况分析； 3 、试图提出以八面体作为应变破坏准则。 4 、对剪切过程中试样的主应力增量方向、主应变增量方向、主应力轴方向 以及增量方向的共轴性进行分析。 5 、对沈扬博士进行的试验进行了补充，并进一步论证了其试验的正确性。 浙江大学硕士学位论文 第二章试验仪器、试样制备方法和试验方案 2 1 试验仪器介绍 2 1 1 浙江大学5 h z 空心圆柱仪( z j u h c a ) 介绍 随着我国经济的发展，我国交通工程，海洋工程项目不管是数量还是规模上 都在不断增大，开展车辆、波浪等荷载对软土体性状影响的研究有着十分重要的 现实意义，主应力轴方向旋转变化是车辆、波浪等荷载作用下地基土所受应力路 径的主要特征，而传统的土工试验仪器如直剪仪、常规三轴仪、真三轴仪无法全 面模拟主应力轴旋转。国际上较为理想的模拟此种应力路径的仪器主要是空心圆 柱仪( 简称h c a ) 。h c a 英文全称h o l l o wc y l i n d e ra p p a r a t u s ，因试样为薄壁空 心圆柱形而得名。h i g h t ，g e n s & s y m e s 等在1 9 8 3 年研制了一种新型空心圆柱仪专 门研究土体主应力轴旋转效应。其后，i s h i h a r a 等( 1 9 8 3 ) ；v a i d 等( 1 9 9 0 ) ；沈瑞福 等( 1 9 9 6 ) ；栾茂田等( 2 0 0 3 ) ；h a n l i n 等( 2 0 0 5 ) 都为试验室模拟主应力轴旋转，对空 心圆柱仪进行了改进，使研究的可行性和深入性向前迈进了一大步。 普通的三轴仪或平面扭剪仪通常只具备两个试验加载参数，而h c a 仪具有四 个加载参数以及内外围压四个应力加载参数；并且h c a 仪可提供更高的应力应变 测量精度。本文试验采用由浙江大学和英国g d s 公司联合开发的5 h z 空心圆柱仪 ( z j u h c a ) ，其在应力路径的模拟能力、数据分析能力、测量精度、性能稳 定性等上面都达到了国际先进水平，完全具备了研究包括主应力轴旋转在内的复 杂应力路径试验的可行性。 2 1 1 1z j u h c a 组成部分 由浙江大学和英国g d s 公司联合开发的5 h z 空心圆柱仪主要由压力室及伺 服主机系统，水压伺服控制加载系统，模拟信号与数字信号控制及转换系统，计 算机控制系统4 部分组成。z j u h c a 仪系统的构成及相互关系如图( 图2 1 ) 所 示。 1 4 浙江大学硕士学位论文 图2 1 空心圆柱仪系统构成 ( 1 ) 压力室及伺服主机系统 压力室及伺服主机系统包含一体化的压力室和平衡锤( 压力室顶盖采用大的 矩形连接杆，从而获得较高的旋转刚度) ，与压力室顶盖连接的内置水下轴力 扭矩传感器( 负责轴力和扭矩值的读取) ，轴向和旋转双驱动基座( 负责轴力和 扭矩的施加以及轴向、扭剪应变的量测) ，以及1 6 通道1 6 位高速数据采集和信号 调节器，2 个内置编码控制器。 ( 2 ) 水压伺服控制加载系统 水压伺服控制加载系统为三个独立的数字式压力体积控制器，提供独立的 或电脑控制的外压，内压，反压调节及相应体变量测，具有过压过电自动保护功 能。加载时通过控制器的步进马达推进，引起控制器水腔体变，从而产生必要的 荷载。水压加载方式避免了气压加载的不稳定性和油压加载可能带来的散热，喷 油等问题。 ( 3 ) 模拟信号与数字信号控制及转换系统 模拟信号与数字信号控制及转换系统功能强大，运行速率快，且鉴于以往计 浙江大学硕士学位论文 算机主机q c p u 的传输速率还无法满足试验中( 特别是高频下) 庞大数据的输出 和采集要求，z j u h c a 系统在计算机主板上加配了- 9 w i n d o w s 操作系统兼容的 硬件设备i e e e 卡，用以缓存数据和部分替代c p u 在试验中控制数据输入输出的作 用。 ( 4 ) 计算机控制系统 计算机控制系统采用g d s 专用模块化软件，包含了数据采集的核心模块，标 准静态和低频循环控制模块，主应力轴旋转应力路径模块，动态轴扭变载控制模 块等，试验的所有操作均通过计算机控制实现。 2 1 1 2z j u h c a 性能介绍 ( 1 ) 基本假设 本文试验所采用的浙江大学5 h z 空心圆柱仪设备的加载体系与应力参数间 的换算关系基于几个基本前提：( 1 ) 试样为轴对称的横观各向同性体；( 2 ) 试 样轴向应力沿试样横截面均布，且沿高度方向无变化；( 3 ) 环向应力沿试样轴 向和环向无变化；( 4 ) 垂直于试样径向的切平面上无剪应力产生；( 5 ) 试样横 截面上之扭剪应力沿横截面均匀分布。 ( 2 ) 适用试验类型 浙江大学5 h z 空心圆柱仪( z j u h c a ) 可独立控制的参数主要有：轴力、 扭矩、反压、内部围压、外部围压、轴向应力、轴向位移及扭转角。因此可实现 应力控制、位移( 转角) 控制和应变控制，从而进行常规三轴试验及各种静动扭 剪试验。浙江大学5 h z 空心圆柱仪进行动态试验的最高稳定工作频率为5 h z ，与 同类产品相比，其动态工作性能十分突出，