浅论复杂应力条件下饱和砂土剪切特性及本构模型的试验研究

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1、大连理工大学博士学位论文复杂应力条件下饱和砂土剪切特性及本构模型的试验研究姓名：许成顺申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：栾茂田20060301摘要液化和剪切破坏是在海浪作用下砂质海床失稳的两种主要形式，与循环波浪荷载所引起的超孔隙水压力的上升、发展、扩散与消散过程密切相关。而实际中天然海床土体是原生各向异性的，同时初始应力往往也处于各向非均等状态，进而遭受波浪荷载等所引起的动应力的瞬时或循环作用。饱和弹性孔隙介质理论分析表明：波浪荷载在海床中所产生的循环应力的主要特点之一是正应力偏差与剪应力所形成的循环偏

2、应力的幅值保持不变，而主应力方向发生了连续旋转。另外，海洋建筑物下地基内各部位处土单元的应力状态是各不相同的。例如，沿着某一潜在滑动面上各点的初始主应力方向随其位置而改变。因此，在海庆与海洋建筑物地基稳定性评价中，必须考虑各向非均等初始应力状态和复杂的循环应力变化模式对砂土变形与强度特性的影响。然而，由于土工实验技术的限制，三轴剪切试验和扭转剪切试验等传统的土工试验方法无法实现上述的复杂初始应力条件和加载模式。为此，大连理工大学于2001年起对于自日本诚研舍株式会社引进的“土工静力一动力液压三轴一扭转多功能剪切仪

3、”进行了不断的开发与完善。这套新的土工实验系统可以同时施加和独立地控制轴向压力矿、扭矩坼、外室压力如与内室压力P．及其组合，由此可重现土在不同复杂应力条件下的固结与剪切加载路径。以此为基础，本文针对饱和松砂，通过大量的各种复杂应力条件下的土工试验，对单调、循环剪切条件下饱和松砂的变形与强度特性进行了比较全面而系统的探讨，进而以现代弹塑性理论为基础，将通过试验所得到的一般性经验模式与弹塑性模型相结合．发展了能够考虑初始物理状态与应力状态联合效应的砂土弹塑性本构模型，并提出了相应的本构模型参数实用确定方法。为了探讨初

4、始固结主应力方向、中主应力系数和初始偏应力比及相对密度等初始应力状态和物理状态对饱和松砂工程特性的影响，同时为了对单调与循环加载条件下砂土的剪切特性进行对比分析，针对均等固结和三向非均等固结等不同的围结条件，分别进行了单调或循环的扭剪试验、轴向一扭转双向耦合剪切试验。在单调剪切试验中，分别针对给定的初始主应力方向角、中主应力系数、平均主应力，改变其它初始应力状态参数，通过试验探讨了各种因素对饱和松砂单调剪切特性的单独影响。通过试验考察了初始主应力方向、中主应力系数及相对密度等各种因素对有效应力路径、应力一应变关系

5、、有效内摩擦角的影响，并基于推广的SMP准则、广义Mises准则和广义双剪应力准则等各种强度理论，对不同中主应力条件下饱和松砂的抗剪强度进行了理论分析。试验研究表明，饱和松砂在不排水条件下的有效应力路径及应力一应变关系等剪切特性似乎不依赖于初始中主应力系数，而初始大主应力方向与相对密度对饱和松砂的不排水剪切特性具有显著的影响。在不排水条件下，大主应力方向与轴向之间的夹角。越大，相对密度越小，应力一应变关系显示出更明显的剪缩特性或应变软化特性。当初始大主应力方向角为cr=O。时，最大孔隙水压力仅能达到平均固结压力的

6、21％，而当a=90。时，孔隙水压力可上升到平均固结压力的61％。大主应力方向的影响可能与制样时由于重力作用而形成的土层结构有关。中主应力系数对有效内摩擦角具有显著的放大效应和区间效应，且在三轴拉伸条件下的内摩擦角明显大于在三轴压缩条件下的内摩擦角。利用三轴拉伸和压缩条件下内摩擦角之比，并适当选取中剪应力权重系数Wo的情况下，广义双剪应力准则能够较好地模拟中主应力系数对强度参数的放大效应和区间效应。针对不同的初始应力状态，通过循环扭剪试验、轴向一扭转双向耦合循环剪切试验，探讨了初始主应力方向、中主应力系数等参数对

7、应力一应变关系和孔隙水压力发展模式的影响。并引入相对有效偏应力比峰值，建立了归一化的孔隙水压力与广义剪应变之间的经验关系。试验研究表明，饱和松砂的应力一应变关系紧密地依赖于初始主应力方向角。无论单向的循环扭剪试验还是轴向与扭转双向耦合循环剪切试验一致性地表明：在初始大主应力方向与轴向之间夹角为a=oo与90。的非均等固结条件下，此时预剪应力是由初始正应力偏差所引起的，而没有纯剪应力作用，因此砂土的剪应变以循环效应为主，累积的残余变形较小，而轴向应变的发展呈现出显著的单向累积特征。因此土体发生破坏时变形以正应力偏差

8、引起的轴向变形为主。相反地，在初始大主应力方向与轴向之间夹角为a,=300、cF--45。、a,=600的非均等固结条件下，由于在动应力作用平面上由剪应力所引起的预剪应力作用，与循环效应相比，剪应变的累积效应十分显著，剪应变的单向累积残余变形较大，因此试样发生破坏时剪切变形的分量较大。并且初始中主应力系数似乎对这种规律没有影响。因此可以认为初始剪应力的作用是不容忽视的。而