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考虑主应力方向变化的原状软粘土试验研究

作　者: 沈扬
导　师: 龚晓南；周建
学　校: 浙江大学
专　业: 岩土工程
关键词: 原状软粘土试验研究主应力方向变化空心圆柱仪影响因素
分类号: TU411
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

近年来我国东南沿海地区在交通、海洋工程项目上投入了空前的建设力度，以适应经济的高速发展，满足交通运输、海洋资源开发的不断需求。该地区工程特性复杂的软粘土层分布广泛，开展在车辆、波浪等荷载作用下软基性状的研究对合理进行设计有着十分重要的意义。主应力方向旋转变化是车辆、波浪等荷载作用下地基土体所受应力路径的主要特征，其对土体的影响与主应力轴定向剪切应力路径有着显著差别，但目前这方面的研究成果较少，急待丰富与完善。有鉴于此，本文在前人工作基础上，对杭州地区典型原状软粘土开展了考虑主应力方向变化的系列试验研究，主要工作如下：1．参与研发了浙江大学5Hz空心圆柱仪(ZJU—HCA)以及原状软粘土空心试样的制取装置及安装方法，为试验开展提供设备支持。2．基于空心圆柱仪在动态加载时围压恒定的约束条件，推导得到了一系列实用可行的主应力轴动循环旋转应力路径加载方案。3．对试样进行了考虑主应力方向变化的静态不排水试验。试验结果表明：(1)纯主应力轴旋转可导致试样产生可观的孔压积累，采用主应力全量和增量形式的亨开尔公式可以较合理地分析试样在主应力轴定向剪切与旋转过程中的孔压开展特征。(2)总应力体系下，试样破坏时的剪应力峰值及剪切带开展特征由主应力方向及中主应力参数决定，主应力轴旋转的影响很小。有效应力体系下可以采用修正的Lade-Duncan破坏准则考虑主应力轴旋转对试样破坏的影响。(3)试样在主应力轴旋转与定向剪切路径下，均表现出显著的各向异性特征。(4)主应力轴旋转使试样应力应变增量表现出明显的不共轴，但其对试样破坏时的应变值影响较小。4．进行了主应力轴循环旋转的不排水试验研究。结果表明：(1)剪应力幅值、频率、主应力轴转幅及超固结比对主应力轴循环旋转时土样性状均有显著影响。循环旋转中存在使试样发生破坏的最小剪应力，即安全极限剪应力。安全极限剪应力以上，随着剪应力提高，试样临界破坏应变上升，而破坏旋转周数急剧下降。频率提高使临界破坏应变下降，但破坏循环周数显著增加。主应力轴转幅的提高使试样各应变分量的开展由等量级急剧变为不等量级变化。超固结能使试样在循环旋转时的刚度和强度均显著提高，但超固结试样是否在旋转过程中产生负孔压，主要取决于超固结时的排水控制条件。(2)试样在主应力轴单幅旋转下的安全极限剪应力以及同幅值破坏剪应力下的应变开展、破坏旋转周数都明显高于在主应力轴双幅旋转时的相应参数值。(3)试样在主应力轴循环旋转下的破坏剪应力及破坏旋转周数还与旋转过程中各大主应力方向的最大剪应力水平密切相关。(4)低于安全极限剪应力水平主应力轴长期循环旋转，对试样后续剪切时的定向抗剪强度、孔压开展影响较小，但会引起应力应变关系硬化以及主应力增量和主应变增量之间显著的不共轴特征。

全文目录

摘要  4-6
Abstract(英文摘要)  6-8
主要符号说明  8-13
第一章绪论  13-28
  1.1 研究背景及意义  13-16
  1.2 主应力轴旋转对土体性状影响的试验研究进展  16-26
    1.2.1 引言  16-18
    1.2.2 主应力轴旋转过程中土体孔压特征  18-20
    1.2.3 主应力轴旋转对土体强度影响  20-23
    1.2.4 主应力轴旋转对于土体应力-应变关系影响  23-26
  1.3 本文研究内容、思路与方法  26-28
第二章空心圆柱仪实现主应力轴动态循环旋转应力路径能力分析  28-50
  2.1 基本应力坐标体系选择及与加载参数间的数学关系  28-32
  2.2 主应力轴循环旋转过程中p值不变条件的实现  32-34
  2.3 主应力轴循环过程中恒定b值前提下，q和p线性关系的实现  34-39
    2.3.1 b不变前提下，实现q和p线性关系可行性的分析  34-35
    2.3.2 主应力轴的转角是否能随砰单调变化的问题的分析  35-36
    2.3.3 W和M_T间的关系能否在实际中得到满足的分析  36-37
    2.3.4 从临界状态层面对加载条件进行限值的分析  37-39
  2.4 主应力轴循环过程中不考虑b值影响时保持恒定q值的实现  39-42
  2.5 主应力轴循环过程中恒定b值前提下，R和p线性关系的实现  42-45
  2.6 主应力轴循环过程中保持恒定广义剪应力q_J的实现  45-48
    2.6.1 保持恒定广义剪应力q_J的可行性分析  45
    2.6.2 从临界状态层面对加载条件进行限值的分析  45-46
    2.6.3 内外围压相等条件下轴扭组合的特例分析  46-48
  2.7 本章小结  48-50
第三章试验仪器及试验土样制备方法研发  50-73
  3.1 浙江大学5Hz空心圆柱仪(ZJU-HCA)简介  50-61
    3.1.1 引言  50
    3.1.2 ZJU-HCA主要构成体系介绍  50-52
    3.1.3 ZJU-HCA量测系统配备与特色分析  52-56
    3.1.4 ZJU-HCA试验操作类型、数据采集及分析能力简述  56-61
  3.2 原状软粘土试样性状及制备、安装方法研究  61-72
    3.2.1 原状软粘土现场取土情况及基本物理性状概述  61-63
    3.2.2 原状软粘土空心试样的制备方法  63-66
    3.2.3 原状软粘土试样的安装  66-70
    3.2.4 原状软粘土试样的饱和与固结  70-72
  3.3 本章小结  72-73
第四章静态条件下主应力方向变化时原状软粘土试验研究  73-107
  4.1 试验方案介绍  73-75
    4.1.1 主应力轴方向固定不变的定向剪切试验  73-74
    4.1.2 主应力轴发生旋转的剪切试验  74-75
  4.2 孔压发展特征与分析  75-91
    4.2.1 考虑中主应力影响时孔压系数的求解方式  75
    4.2.2 主应力轴定向剪切时的孔压特征  75-80
    4.2.3 含有主应力轴旋转时的孔压特征  80-83
    4.2.4 主应力轴旋转对孔压影响机理研究  83-91
  4.3 强度与剪切带特征与分析  91-96
    4.3.1 强度分析  91-94
    4.3.2 剪切带特征与分析  94-96
  4.4 应力应变关系特征与分析  96-106
    4.4.1 应力应变关系特征与分析  96-102
    4.4.2 主应变增量的矢量特征与分析  102-106
  4.5 本章小结  106-107
第五章主应力轴循环旋转下原状软粘土试验研究  107-142
  5.1 考虑剪应力幅值影响的主应力轴循环旋转试验研究  107-112
    5.1.1 试验方案  107-108
    5.1.2 试验成果及分析  108-111
    5.1.3 本节结论  111-112
  5.2 考虑频率影响的主应力轴循环旋转试验研究  112-115
    5.2.1 试验方案  112
    5.2.2 试验成果及分析  112-114
    5.2.3 本节结论  114-115
  5.3 考虑主应力转幅影响的主应力轴循环旋转试验研究  115-118
    5.3.1 试验方案  115
    5.3.2 试验成果及分析  115-116
    5.3.3 本节结论  116-118
  5.4 考虑超固结比影响的主应力轴循环旋转试验研究  118-122
    5.4.1 试验方案  118
    5.4.2 试验成果及分析  118-121
    5.4.3 本节结论  121-122
  5.5 考虑单、双幅路径影响的主应力轴循环旋转试验研究  122-126
    5.5.1 试验方案  122-123
    5.5.2 试验成果与分析  123-125
    5.5.3 本节结论  125-126
  5.6 主应力轴方向固定或突变的变剪应力循环剪切试验研究  126-134
    5.6.1 试验方案  126-127
    5.6.2 试验成果分析  127-133
    5.6.3 本节结论  133-134
  5.7 主应力轴循环旋转对土体后续强度的试验研究  134-140
    5.7.1 试验方案  134-135
    5.7.2 试验成果及分析  135-139
    5.7.3 本节结论  139-140
  5.8 本章小结  140-142
第六章结论与展望  142-146
  6.1 主要结论  142-144
  6.2 进一步工作建议与展望  144-146
参考文献  146-154
致谢  154

考虑主应力方向变化的原状软粘土试验研究

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