（岩土工程专业论文）主应力轴旋转对原状软粘土宏观变形和微观结构影响的试验研究.pdf

主应力轴旋转对原状软粘土宏观变形和 微观结构影响的试验研究 摘要 主应力方向变化是车辆、波浪等荷载作用下地基土体所受应力路径的主要特 征，其对饱和软粘土变形特性的影响更是关乎国家基础建设的经济性和安全性的 重难点技术问题长江三角洲地区分布有大面积的软土地基，同时也是我国经济 发达的地区之一开展在车辆、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，但目前这方面的研究成果较少，急待深入与完善有鉴 于此，本文在前人的工作基础上，采用空心圆柱扭剪仪、扫描电子显微镜等试验 仪器，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， 重点研究了粘土试样宏观变形特性和微观结构特点主要工作和成果如下： 1 分别开展了主应力方向不同和中主应力系数不同的不排水定向剪切试验 以及主应力轴旋转变化的不排水试验结果表明：( 1 ) 主应力作用方向的变化对 原状粘土的宏观变形特性无明显影响；中主应力系数b 值的变化对原状粘土的宏 观变形特性有显著影响( 2 ) 在应力作用下，粘土试样通常都存在明显的非共轴 现象，即主应变方向与主应力方向不一致在定向加载的应力状态下，随着应力 的加载，非共轴现象会逐渐消失；在主应力轴纯旋转的过程中非共轴现象基本上 一直存在( 3 ) 当中主应力系数为0 5 时，粘土体在主应力轴纯旋转过程中，若 忽略剪应力的影响，轴向应变和扭剪应交可近似为2 倍主应力方向角的正弦函 数；而环向应变则与轴向应变近似大小相等、方向相反；径向应变在整个旋转过 程中变化不大，基本为零 2 考虑应力的大小和方向两种作用效应，推导出主应力轴旋转的应力路径下 各应变增量的计算式，再结合试验的部分结论得到各应变的半理论计算式 3 对主应力方向不同的定向剪切试验、中主应力系数不同的定向剪切试验以 及主应力轴旋转试验中的粘土试样展开微观结构试验研究结果表明：( 1 ) 原状 粘土的颗粒单元主要呈薄片状，颗粒之间以点与面、面与面的纤维状胶结为主， 颗粒组合整体呈蜂窝状结构，也像花瓣结构；土体微观结构的复杂程度较高，在 各方向上土体孔隙排列的有序性都很差，但由于沉积的作用，竖直方向上有序性 n l i 略高于水平方向( 2 ) 在粘土试样的三个观测面中，r o 面( 即沉积面) 的微观结 构对试样宏观变形特性的控制作用最弱，z 口面和刀面( 相互垂直的两个竖直面) 的微观结构对试样宏观变形特性的控制作用相对较强，其中，粘土试样z 口面的 孔隙比对粘土宏观变形特性有较显著的控制作用 关键词：原状软粘土；空心圆柱扭剪仪；扫描电镜；主应力轴旋转；主应力方向； 主应变方向；微观结构 i e x p e r i m e n t a ls t u d yo ne f f e c t o fp r i n c i p a ls t r e s s a x i sr o t a t i o no nt h em a c r o d e f o r m a t i o na n d m i c r o s t r u c t u r eo fi n t a c tc l a y a b s t r a c t p r i n c i p a ls t r e s sr o t a t i o ni so n eo fm a i nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es t r e s sp a t h so f v e h i c u l a ro rw a v el o a d n l ei n f l u e n c eo ns o i lf o u n d a t i o ni so n eo ft h ek e yi s s u e si n i n f r a s t r u c t u r e s ，a n di sv e r yi m p o r t a n ti ne c o n o m ya n ds a f e t ya s s e s s m e n t s o f tc l a yi s w i d e l ys p r e a di ny a n g t z er i v e rd e l t a , t h em o s tp r o s p e r o u sa r e ai nc h i n a s ot h es t u d y o nt h ee f f e c to fv e h i c u l a ro rw a v el o a do ns o f tc l a yf o u n d a t i o nh a ss i g n i f i c a n t i m p o r t a n c e0 1 1r a t i o n a ld e s i g n h o w e v e r , f e wa c h i e v e m e n t sh a v eb e e nr e p o r t e d b a s e d o l lt h ef o r m e rr e s e a r c h , as e r i e so fe x p e r i m e n t a ls t u d i e so np r i n c i p a ls t r e s sr o t a t i o no n h a n g z h o ui n t a c ts o f tc l a yw e r ec a r r i e do u tb yh o l l o wc y l i n d e ra p p a r a t u s ，s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p ya n do t h e ri n s t r u m e n t s 田bs t u d y0 1 1s o i ld e f o r m a t i o na n d m i c r o s t r u c t u r ew e r eh i g h l yf o c u s e da n dt h em a i na c h i e v e m e n t sw e r ea sf o l l o w s ： 1 as e r i e so fu n d r a i n e dt e s t sh a db e e nc o n d u c t e d , i nw h i c ht h ep r i c i p a ls t r e s s d i r e c t i o nw e r ef i x e da n dr o t a t e dw i t hd i f f e r e n tc o e f f i c i e n to fi n t e r m e d i a t ep r i n c i p a l s t r e s s e x p e r i m e n t a lr e s u l t sr e v e a l e dt h a t ( 1 ) s o i ld e f o r m a t i o nw e r eh a r d l ya f f e c t e db y p r i n c i p a ls t r e s sd i r e c t i o n , h o w e v e ri tg r e a t l ya f f e c t e db yt h ec o e f f i c i e n to fi n t e r m e d i a t e p r i n c i p a ls t r e s s ( 2 ) n o n - c o a x i a l i t y , n a m e l yt h ed i r e c t i o no ft h ei n c r e m e n t a lp r i c i p a l s t r a i nd o e sn o tf o l l o wt h es a m ed i r e c t i o no ft h ei n c r e m e n t a lp r i c i p a ls t r e s s ，i sv e r y c o m m o ni na l lt h et e s t s t 扯sp h e n o m e n o nw o u l db eg r a d u a l l yf a d e da w a yi nf i x e d p r i c i p a ls t r e s sd i r e c t i o nt e s t sw h e nt h ea p p l i e ds t r e s s e si n c r e a s e d ，w h i l ei np r i n c i p a l s t r e s sr o t a t i o nt e s t si t a l w a y se x i s t e d ( 3 ) w h e nt h ec o e 伍c i e n to fi n t e r m e d i a t e p r i n c i p a ls t r e s se q u a lt o0 5a n dr e g a r d l e s st h ee f f e c to ft h es h e a rs t r e s s ，t h ea x i a l s t r a i na n dt o r s i o n a ls h e a rs 1 眺i np u r ep r i n c i p a ls t r e s sr o t a t i o nt e s t sc o u l db er o u g h l y e x p r e s s e da s2t i m e so ft h es i n ef u n c t i o no ft h ep r i n c i p a ls t r e s sa n g l e a n dt h e c i r c u m f e r e n t i a ls t r a i nw a se q u a lt ot h ea x i a ls t r a i ni nm a g n i t u d e ，b u to p p o s i t ei nt h e d i r e c t i o n t h er a d i a ls t r a i ns l i g h t l yc h a n g e da n dc o u l db et a k e na sz e r o 2 as e m i - t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no fi n c r e m e n t a ls t r a i n sw a sd e d u c e db ya n a l y z i n g t h et e s tr e s u l t s ，i nw h i c ht h em a g n i t u d ea n dt h ed i r e c t i o no fs t r e s sc o u l db eb o t h c o n s i d e r e d v i 3 as e r i e so fe x p e r i m e n t a ls t u d i e s ，i n c l u d i n gf i x e dp r i n c i p a ls t r e s su n d r a i n e d t e s t sw i t hd i f f e r e n tc o e f f i c i e n to fi n t e r m e d i a t ep r i n c i p a ls t r e s s ，a n du n d r a i n e dp r i n c i p a l s t r e s sr o t a t i o nt e s t s ，o nt h em i c r o s t r u c t u r eo fc l a ys a m p l e sh a db e e nf i n i s h e d i tw a s f o u n dt h a t ( 1 ) t h ei n t a c tc l a yp a r t i c l e sh a dt h i n s l i c e ds h a p e p o i n t - p l a n ec o n t a c ta n d p l a n e - p l a n ec o n t a c tw e r et w om a i nc o n t a c tp a t t e r n s t h ew h o l ep a r t i c l ec o m b i n a t i o n s h a dah o n e y c o m b , o rp e t a ls t r u c t u r e t h em i c r o s t r u c t u r eo fs a m p l e sw a sq u i t e c o m p l i c a t e d ，a n da l o n ge a c hd k e c f i o nt h es o i lp o r e sw e r ep o o r l ya r r a n g e d d u et o d e p o s i t i o n , t h eo r d e r l i n e s sa l o n gt h ev e r t i c a ld i r e c t i o nw a sb e t t e rt h a nt h a ta l o n gt h e h o r i z o n t a l ( 2 ) a m o n gt h eo b s e r v e dt h r e ep l a n e s ，t h em i c r o s t r u c t r u eo fd e p o s i t i o n a l p l a n eh a dt h ew e a k e s te f f e c to nt h ed e f o r m a t i o n , w h i l et h em i c r o s t r u c t u r e so f z 8 - p l a n ea n d 刀- p l a n e ( t w oo r t h o g o n a lp l a n e s ) h a ds t r o n g e ri n f l u e n c e i na d d i t i o n , t h ev o i dr a t i oo fz 8 - p l a n eh a ds t r o n ge f f e c to nt h ef e a t u r e so fd e f o r m a t i o n k e yw o r d s ：i n t a c ts o f tc l a y ；h o l l o wc y l i n d e ra p p a r a t u s ；s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ； p r i n c i p a l s t r e s s r o t a t i o n ；p r i n c i p a l s t r e s s d i r e c t i o n ；p r i n c i p a l s t r a i nd i r e c t i o n ； m i c r o s t m c t u r e v n 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，也不包含为获得逝姿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已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：堑鎏盘堂 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。本人授权逝鎏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) 导师签名： 闲 签字日期：h ，。年弓月日 签字日期：bf ，9 年弓月p 日 致谢 本文是在导师周建副教授的悉心指导下完成的从论文选题到最后定稿，周 老师给了我很多宝贵的意见，也给了我很多的帮助，周老师严谨的治学作风、实 事求是的学术态度、富于创新的研究风格给我留下了深刻的印象，也是我求学期 间的一笔宝贵财富，必将使我终身受益在此，谨向周老师致以最诚挚的感谢和 敬意! 在学习和研究的过程中，我还得到了温晓贵副教授的帮助在此刻，由衷感 谢! 在研究过程中，我还得到了医学院宋兴辉老师和分析测试中心何黎平老师的 大力支持，是他们的帮助使试验得以顺利进行在此，由衷感谢! 试验开展、论文的撰写也得到了很多同学的帮助。在此，特别感谢郑鸿镔、 邓以亮，严佳佳等同学! 感谢同寝室好友陈晨、张海义、徐龙坤! 在过去的两年里，从你们那里我学 到了很多，也得到了很多 感谢研究生科路琳琳老师、陆强老师给予我的帮助! 特别感谢家人多年的养育之恩! 感谢国家自然科学基金( 5 0 7 7 8 1 6 2 ) 的资助 最后，感谢评阅硕士学位论文以及出席论文答辩会的各位专家、老师! i i i 九 月 舫 够 乱矿 加 喝伽 第一章绪论 1 1 研究背景及目的 长江三角洲地区历史上就是我国经济较发达的地区之一，改革开放至今，长 三角地区经济持续快速增长，随着经济一体化进程的不断加快，交通流量迅速增 长，大量的高速公路、铁路，桥梁、机场等基础设施在长三角地区在建或待建 2 0 0 7 年，宁常到镇溧高速公路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 公里同年，沪宁高速的扩建工程建成通车后，随即京沪江苏段、 宁启、苏嘉杭等高速公路的扩建工程也全面启动根据上海十一五规划，2 0 1 0 年 地铁运营线路长度将达到4 0 0 公里而根据已批复的规划，杭州市轨道交通网由8 条线组成，估算总投资在1 0 0 0 亿元人民币，总长度2 7 8 公里，设1 5 4 座车站根 据南京市目前的城市规划，到2 0 5 0 年，南京市的轨道交通线网将由1 0 条地铁线、 4 条轻轨线构成总计4 3 3 公里的轨道交通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和扩建 我国东南沿海、环渤海地区分布有大面积的软土地基，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、压缩性 高、结构性强以上大量工程项目不得不兴建在这种软土地基上另外，近年来 公路软基在交通荷载作用下产生过量变形，甚至开裂、沉陷的事故时有发生；海 洋建( 构) 筑物局部软基由于波浪等荷载侵袭引起土体软化导致倾斜偏移的事故 也不在少数 综上所述，工程动荷载对饱和软粘土的结构、强度，变形等性状的影响就成为 了上述关乎国计民生的重大工程项目重点关切的技术问题为了保证国家基础建 设的经济性、稳固性和安全性，掌握各种复杂应力路径组合作用下地基软粘土的 各种性状也就至关重要作为基础研究，开展主应力轴旋转条件下饱和软粘土性 状的深入分析研究就更显重要和迫切，这些研究不仅能为建立和完善软土在复杂 应力条件下的本构模型提供必不可少的试验证明和参数支持，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支持 本文的研究正是在这样的背景下展开的本文首先在同课题组老师和同学的前 期研究基础上，进一步深入研究饱和粘土在复杂应力路径下的宏观变形特性，其 中，重点分析了主应力轴纯旋转过程中各应变分量的变化特征，找出了应变变化 具有共性的一般规律，然后从理论上对试验中发现的应变变化规律进行了验证 另外，本文还研究了粘土在复杂应力路径下微观结构的变化规律，并试图建立微 观结构的变化与宏观变形特性之间的联系 1 2 研究现状 本文主要从宏观应变和微观结构两个不同层面研究粘土试样在复杂路径下的 变化规律，因此本节关于当前研究现状的介绍也相应从这两个方面进行 1 2 1 宏观应变特性 1 2 1 1 各向异性 各向异性作为岩土体的基本特性之一，一直是应力应变关系研究中的重点之 一对比于其他材料，土体各向异性具有自己不同的特点土体的各向异性是指， 在不同方向上的力学参数、结构特性及应力应变并系的不同根据引起这种不同 的原因和表现，土体的各向异性分为原生各向异性和次生各向异性。原生各向异 性是天然土在沉积过程中或人工填筑过程中，因各种原因导致土体在不同方向上 力学性状和参数的不同，这与沉积过程中土体颗粒扁平面取向和大主应力方向的 夹角有关；次生各向异性是指复杂应力状态下，应力状态的改变导致在不同方向 加荷产生的力学性状和参数发生改变原生各向异性是对原状土体初始状态固有 特性的描述，而次生各向异性则不同，虽然其表达形式也表现为不同方向的力学 参数等的差异，但更重要的是这种差异会随应力状态的改变而不断改变，而且规 律也和原状各向异性有很大不同 各向异性作为土体的一个重要性质，随着土力学和土体本构理论的不断深入 研究，越来越被人们所认识随着真三轴仪、扭剪仪等可以模拟复杂应力状态下 土体变形特性的土工试验仪器的出现，以及土力学相关基础理论的发展，研究各 向异性对土体性状的影响己经成为可能，而且也已经取得一定的成果 a r t h u r ，c h u a 和d u n s t a n ( 1 9 7 7 ) 等在改进以往试验装置的基础上，对密实砂进 行了控制主应力方向的系列平面应变试验，试验中主应力方向角度从0 0 到9 0 。旋 转。o ；o ：与毛的关系，得出结论，次生各向异性对应变有很大影响；并引 入变量膨胀角嵋，= - s i n 1 ( 尝) ( 详见文献 3 】) ，发现当0 一大于3 时，无论 0 哼，0 瞎， 2 土样的应力应变历史怎样，岛与占。都成大致相同的一次线性关系，由此推出，嵋， 保持1 5 0 不变 s y m e s ，g e n s 和h i g h ( 1 9 8 4 ) 应用新型空心圆柱扭剪仪进行了砂土各向异性的 研究开展p = 6 0 0 k p a ，b = o 5 ，主应力轴偏转角分别为0 0 ，2 4 5 0 和4 5 0 的三组定 向剪切试验，对比研究砂土试样原生的不排水各向异性，在g 一占，关系图中发现， 随着主应力轴偏转角的增大，砂土样的峰值剪应力吼( 强度) 在减小，其中4 5 。 的g ，仅为。时的5 2 ，因此得出结论，砂土试样有较强的原生各向异性 y a m a d a 和i s h i h a r a ( 1 9 7 9 ) 对水中沉积的松砂进行了系列三向应力路径试验研 究通过在有效主应力空间中引入八面体面上的正应力p = 妄( 仃i + 仃：+ 仃；) ，八面 体面上的剪应力 o c t = ：1( q o 2 ) 2 + ( 哆一o j ) 2 + ( 吨一o i ) 2 ， 6 = 粤( 其物理意义参见文献【4 2 】) ，考察了p f 耐与三个主应力方向上应 u - u 变的关系，研究发现，土体沿沉积方向上的压缩性要比垂直沉积的方向上的压缩 性小，沿沉积方向比垂直沉积的方向更容易膨胀并通过考察p o a 与b 的关系， 发现试验中应力路径不同的土样破坏和产生最大体应变时的p i f 鲥相等，由此得 出结论当剪应力接近破坏应力，原生各向异性的影响消失 袁聚云等( 1 9 9 6 ) 对粘土样进行了常规三轴固结排水剪切试验，按与沉积面的夹 角分别为0 0 ( 竖直方向) ，4 5 0 ( 斜方向) ，9 0 0 ( 水平方向) 的方向切取粘土样， 考察了各类试样在不同围压下主应力差与应变的关系其结果表明，竖直方向切 土试样的强度最高，水平方向次之，而4 5 0 倾斜方向切土试样的强度则最小；当围 压增大时，不同方向切土试样之间的强度差异有所减小，即随着围压增加，这类 土结构上的各向异性越来越弱 张坤勇等( 2 0 0 5 ) 将已消除原生各向异性的砂土试样( 消除砂土原生各向异性的 振捣砂雨装样方法参见文献 2 7 】) 施以不等向固结压力，使之在三向应力状态下固 结，然后在不等向固结状态下从某一主应力方向加载，考察三个主应力方向的变 形规律其结果表明，次生各向异性对土体应力应变关系有很大影响，是土体性 状的本质体现 沈扬等( 2 0 0 7 ) 对杭州原状软粘土进行了系列主应力作用方向不同的固结不排 水定向剪切试验，考察试样破坏强度随主应力作用方向变化的情况后，发现该原 状粘土存在较强的各向异性 综上所述，目前土体各向异性研究所得到的相对典型的研究成果有以下特点： ( 1 ) 各向异性研究的对象多为无粘性土当今，尤其在中国发达的沿海地区， 地基土多为粘性土，因此关于粘性土各向异性的研究尤待加强和深入 ( 2 ) 大部分研究仅通过试验从不同角度揭示土体存在各向异性，而从变形这一 较直观的角度对土体各向异性特点的描述比较缺乏 ( 3 ) 缺乏对影响土体各向异性的力学因素( 如主应力方向等) 的相关研究 1 2 1 2 主应力轴纯旋转对应变的影响 岩土工程中许多工程荷载如地震荷载、交通荷载和波浪荷载等都可能伴随主应 力轴的旋转当前已经有许多土工试验表明主应力轴旋转对土体特性存在显著的 影响。关于空心圆柱剪切仪( h c a ) 和定向剪切盒( d s c ) 的试验研究表明，主 应力轴旋转对砂土的剪切性状有相当大的影响( a r t h u re ta l ，1 9 8 0 ；s h i h a r a & t o w h a t a ，1 9 8 3 ；s y m e se ta l ，1 9 8 2 ，1 9 8 4 ；m i u r ae ta l ，1 9 8 6 ) ，忽略主应力轴旋 转的影响将使设计偏于不安全( s y m e se ta l ，1 9 8 8 ；w o n g & a r t h u r ，1 9 8 6 ) 姜洪伟( 1 9 9 7 ) 在其提出的软土各向异性弹塑性本构关系基础上，考虑砂土的 r 旋转试验条件，通过理论计算式算得软土由于主应力轴旋转所产生的塑性变形， 得到主应力轴旋转条件下各应变分量的特征如图1 1 所示( 图中表示体应变； 表示轴向应变；表示环向应变；表示径向应变；v 表示剪应变) ：b = 0 5 时， 轴向应变在旋转初期为正值，当旋转角为9 0 0 时第一次达到负极大值，然后应变数 值逐渐减小，在1 8 0 0 时为0 ，在2 7 0 0 时第二次达到负极大值，而且在数值上比第 一次的负极大值要大的多；而对于剪应变，其曲线形状类似于正弦曲线，应变在 9 0 0 时达到正最大值，在2 7 0 0 达负极大值，而且负极大值仅为正最大值的2 3 左右 同时姜洪伟还提出，如果类似于同济大学真三轴试验中应变( 上海软土) 达1 5 时破坏，那么主应力轴旋转所产生的最大应变可达到破坏应变的3 0 到4 0 ，因 此在实际工程中是应该考虑主应力轴旋转的 4 霪 毽 图1 1 主应力轴旋转引起的塑性应变( b = 0 5 ) ( 引自姜宏伟) 熊保林等( 2 0 0 8 ) 利用试验确定g u d e h u s b a u e r 亚塑性模型的参数，然后根据 这些参数对主应力轴旋转情况下砂土的变形进行了模拟，模拟情况如图1 2 所示： 在主应力轴旋转的过程中，轴向应变与环向应变大小相等、方向相反，即关于横 轴对称，都在口= 1 2 0 0 附近时，达到最大值，而径向应变一直变化缓慢；剪应变在 口= 1 2 0 0 附近时从正值转为负值 - 、 奄套。 ；秘确k 摹学 一- 2 露套一 图1 2 各应变随主应力轴旋转的变化曲线( 引自熊保林) 熊保林还用t o y o u r a 砂作为试验对象进行了试验条件为平均应力p = 9 8 1 k p a ， 中主应力系数b = 0 5 的主应力轴纯旋转试验，并且用改进的g u d e h u s b a u e r 亚塑性 模型对上述试验中应变的发展进行了计算，计算值与试验值对比情况如图1 3 所 5 示：在主应力轴旋转的过程中，轴向应变与环向应变大小相等、方向相反，即关 于横轴对称，都在口= - 2 0 。附近达到极大值，在口= 4 5 。附近为0 ；而扭剪应变则一直 增大，在口= 6 5 0 附近达到最大值，然后开始减小 o 8 弘 啦 岔 鼍0 , 0 氟2 - 1 1 , 4 国嚣 n 蠢! ：竺蠡、赫。i 赫 赫 r 蜜骏俊 白蜜竣傻入 锄实骏俊 、 2 宝( 套) 一 图1 3 主应力轴旋转下各应变的计算值与试验值的对比( 引自熊保林) l a s h k a r i ( 2 0 0 7 ) ) 罚砂土空心圆柱试样作为试验对象，试样经过等向固结后，进 行了试验条件为剪应力q = 5 0 k p a ，中主应力系数b - - 0 5 的主应力轴纯旋转试验试 验结果如图1 4 所示，图中表示扭剪应变，口表示轴向应交，o 表示环向应变。 图中曲线的规律同图1 2 、1 3 较为相似，说明砂土试样应变随主应力轴旋转的变 化规律具有较为一致的定性结论a l il a s h k a r i 还研究了剪应力水平对主应力轴旋 转过程中应变变化规律的影响，如图1 5 ( a ) 和1 5 ( c ) 所示，图中岛，、6 2 2 和占，分 2 a 。) i 图1 4 各应变随主应力轴旋转的变化曲线( 引自l a s h k a r i ) 6 别为大、中、小三个主应变，占1 3 表示扭剪应变。r l + 0 试验中g 值为5 0 k p a ，r 2 + 0 试验中g 值为6 0 k p a ，图中的实线为数值模拟曲线从试验曲线可以看出，e l ( c ) 中各应变值比在图( a ) 中要大，除此之外，两图中各应变曲线基本相似，说明剪应 力水平在一定范围时，剪应力对主应力轴旋转过程中应变变化规律的影响较小 i 盘 瓴e 爹 oo 昭 - 氛 - i 2 o 曳唾ot 髂t o1嚣o 2 磊9 o钓1 豁咚 2 曩( 掌 图1 5 各应交随主应力轴旋转的变化曲线( 引自l a s h k a r i ) 沈扬( 2 0 0 7 ) 也曾就主应力轴旋转对粘土试样应变特性的影响问题进行过初步 研究，得出结论：主应力轴旋转过程中，由于试样的各应力分量互为消长的特征， 使原状粘土试样的粘滞性对土体影响的反映更为显著，因此在分析主应力轴旋转 路径对土体本构影响的时候，还应考虑试样的粘性特征 综上所述，目前关于主应力轴旋转过程中土体应变特征的研究多集中在无粘性 土，而关于主应力轴旋转过程中粘土应变特点的研究近乎一片空白 7 3 s o 5 3 龟 甜 龟 嚣趣 1 2 2 土体微观结构与宏观特性之间的联系 人们关于土体微观结构的研究很早就开始了，直到2 0 世纪9 0 年代，土体微观 结构的研究才从单纯研究微观结构进入到研究土体的微观结构与宏观特性之间的 相互联系 p r a t 和b a z a n t ( 1 9 8 9 ) ，c a r o l 等( 1 9 9 0 ) 相继对粘性土的变形、蠕变、岩石和 混凝土断裂面等方面建立了微观力学模型p i e r r e 等( 1 9 9 6 ) 研究了不同含水条件的 三种压实性土粉的微观结构特征，并讨论了静压过程中结构变化与应力应变的关 系n a g a r a j 等( 1 9 9 8 ) 给出了加固灵敏性软土在压缩过程中的微结构模式，并讨论 了不同结构状态的土体在压缩过程中孔径分布和渗透性能的规律性及其对土体压 缩行为的影响 何开胜、沈珠江等( 2 0 0 3 ) 提出点面接触单元，再通过更新的l a g r a n g e 大变形 有限元法，对有限尺寸和任意方位的土粒骨架在v a nd e rw a a l s 分子吸力、c o u l o m b 电荷斥力和外荷载作用下的变形问题进行了跟踪分析，定量探索和分析了土体的 变形、破坏、结构性和蠕变的内在机理，为建立结构性土的本构模型提供了微观 基础周宇泉( 2 0 0 5 ) 进行了加载过程中粘性土微细结构变化规律的定量试验研究， 获取了粘土体在受力条件下微细结构特征量的变化情况，总结出粘性土在连续受 力过程中结构参数的变化规律，初步探讨了土体在受力条件下微观结构参数和宏 观物理力学性质之间的内在联系毛灵涛等( 2 0 0 5 ) 根据分形模型的构造方法，提出 了孔隙度分维、孔隙分布分维及孔隙边缘形状分维，用以描述软土微结构s e m 图 像中孔隙的变化情况。利用数字图像处理与分析的方法和自行开发的p a r t i c l e 孔隙 分析程序研究了软土加固前后3 种分形维数的变化趋势，结果表明：软土中孔隙 分布及其形状具有分形特征，不同的分形维数可以从不同角度反映土体的加固效 果及力学特性变化，为由微观结构反映土体的宏观力学性能提供了桥梁。同年， 张敏江等( 2 0 0 5 ) ，对营口地区3 层典型软土进行试验，利用s e m 图片和计算机图 像处理技术，提取代表软土流变特征的微观结构参数，分析对比这些微观参数在 固结流变过程中的变化规律，发现软土微观结构单元体定向性参数的变化与软土 宏观蠕变变形具有良好的相关性，其中以结构单元体的概率熵和分维值的变化规 律性最强。由此确立了软土的微观结构参数- 9 宏观流变力学行为的定量关系，进 而建立了含微观结构参数的结构性软土固结流变本构模型。2 0 0 6 年，刘艳华等将 多重分形谱引入到土微观结构分形研究中，对天津市滨海新区三个不同地点海积 露 软土原状样及不同固结压力后土中孔隙的多重分形特征进行研究，从多重分形的 角度对孔隙的不均匀性进行定量描述，并建立孔隙多重分形谱各特征参数- 9 荷载 之间的关系2 0 0 7 年，房后国等通过不同固结压力下海积软土所得的s e m 照片， 采用结构单元体和孔隙的大小、形态及孔隙的各向异性率、概率熵和分维数等定 向性参数，分析了海积软土在固结过程中微结构的变化特征发现随着固结压力 的增大，不同类型的孔隙反映不同，含水类型也随之改变，孔隙形状变得细长， 但定向性变化不大；结构单元体在固结过程中不断变大，平面形状以扁椭圆形为 主，定向排列越来越明显 总结以上列举的当前研究现状以及相关成果，可发现这些研究有以下特点： 多数研究者忽略了土样结构的各向异性，仅以土样的某一个面的微观结构特征来 代表整个土样的微观结构；多数研究的重点是土体力学特性与微观结构之间的联 系，而关于宏观变形特性与微观结构之间联系的研究相对很少；研究过程中对粘 土试样所施加的应力并不具代表性，更没有涉及到主应力方向变化的问题 1 3 本文的研究内容及研究思路 针对1 1 中的研究背景，本文在同课题组老师和同学的前期研究基础上，进一 步深入研究饱和软粘土在复杂应力路径下的宏观变形特性，以及微观结构的变化 规律，并试图建立两者之间的联系，力求从颗粒单元这个根本层面上对土体的变 形特性做出解释和判断本文采用杭州地区典型的原状软粘土作为研究对象展开 考虑主应力轴方向变化的有关试验研究，主要研究内容包括： ( 1 ) 开展主应力方向不同的静态定向剪切试验，重点研究主应力作用方向不同 时试样应变的变化规律，并通过比较探讨主应力作用方向的不同对这种规 律的影响 ( 2 ) 开展中主应力系数不同的静态定向剪切试验，重点研究中主应力系数不同 时试样应变的变化规律，并通过对比探讨中主应力系数对这种规律的影响 及影响方式 ( 3 ) 开展不同剪应力水平下主应力轴旋转的试验，重点研究在主应力轴纯旋转 过程中试样应变的变化规律，以及剪应力水平对这种规律的影响，根据试 验结果，提出了主应力轴旋转过程中应变计算的通用式并通过理论推导 9 验证了试验中试样应变的变化规律，最后与试验提出的通用式做了简单比 较，明确了理论计算式的不足 ( 4 ) 系统总结了当前土体微观结构研究已有的成果并针对本文中开展的定向 剪切试验、主应力轴旋转试验( 以下统称h c a 土工试验) ，选择应力路径 较典型的试验中的土样作为微观结构的研究对象，并与原状样、等向固结 样的微观结构做对比，从而得出考虑主应力方向的剪切试验中土体微观结 构的变化规律。并试图找出粘土试样宏观变形与微观结构变化之间的定性 和定量联系 为了顺利开展上述研究内容，本文所采用的研究思路如下： ( 1 ) 分析总结当前国内外关于土体各向异性研究的研究对象、研究方法和研究 成果，结合本文试验和试样的特点确定具体可行的研究方法，研究得出土 体试样分别在不同主应力方向和不同中主应力系数条件下的应变规律，进 而通过比较得出结论 ( 2 ) 观察试验过程中试样应变的变化情况，发现试样在主应力轴旋转过程中有 明显的规律然后对当前关于主应力轴旋转过程中试样应变变化规律的研 究进行总结，根据已有研究的普遍结论，确定具体的研究目标，最后展开 试验研究 ( 3 ) 根据对试样宏观变形的研究，确定典型的应力路径然后以研究典型应力 路径下试样微观结构的变化为目的，展开对微观结构试验研究所需理论和 仪器的总结，再采用目前微观结构研究中较普遍的方法和仪器对本文中的 研究对象展开研究最后将微观结构的变化特征与宏观应变的变化特征进 行对比，尝试从定性和定量两方面建立两者之间的联系 1 0 第二章原状软粘土宏观变形试验研究 2 1 土工试验概况 2 1 1 引言 室内土动力学试验是实现工程中动力荷载作用下土体应力路径模拟和特性评 估的重要技术手段，但由于车辆、波浪等荷载的变化方式非常复杂，在试验室的 应力路径模拟中必须进行简化处理，才能模拟交通、波浪等荷载作用时土体所受 应力路径的主要特征一般情况下，可将土体所受这几类荷载作用时应力路径的 主要特征简化到二维空间( 如图2 1 所示) 图中矿，、和分别为试样在该平 面上受到的竖向、水平向正应力以及扭剪应力，口代表单元体所受大主应力与竖 直方向夹角。因此，要研究动荷载对土体性状特别是变形特性的影响，最重要的 就是能够在试验中模拟出主应力轴旋转的应力路径，并且能够实现对主应力轴偏 转角的控制。 口t0 5 a r c s i n ( 2 r , o “以一吒) ) f i 万一 够 ， 仉一而 下 l 。 厂飙一 i o , - 6 , 2 。 一一 灸一 ，旺一磊 t ( a ) 单元体受力示意图( b ) 地震荷载作用( c ) 波浪荷载作用( d ) 交通荷载作用 图2 1 土单元体在三种典型动力荷载作用的应力路径示意图 上世纪八十年代以前，因试验仪器的限制以及研究方向的侧重，研究者主要采 用常规动三轴仪等仪器进行大主应力轴定向( 或突变9 0 0 方向下) 和循环路径对土 体特性影响的研究，故集中于分析机械动力以及地震荷载等作用下粉砂土、粘性 土受加荷时间、频率、围压、应力历史、排水条件等因素对其性状的影响直到 最近二十几年人们开始重视多向振动、复杂应力路径的不规则荷载作用下土体特 性的研究，但很多相关试验仍是以动三轴仪或动单剪仪等常规仪器为设备基础来 完成的，所模拟的应力路径与土体在车辆、波浪等荷载作用下的实际受力特征差 距较大，缺乏有力的理论支持，若应用于工程设计则可能造成安全或经济上的问 题具体而言，如常规振动三轴仪，试样振动时只能对其改变轴力，因此土体单 元所能经历的应力路径一般只有大主应力( 轴向应力) 往复变化，中小主应力( 径 向和切向应力) 相等且恒定，且三个主应力的方向固定不变的形式( 当轴向可施 加拉力时，亦可实现大主应力与小主应力方向在试样轴向和径向上的突变式互 换) ；动真三轴仪，可以同时独立改变土单元中三个主应力的幅值，但大、中、小 三个主应力方向只能在三维空间中进行突变式正交换位；而动直( 单) 剪仪，虽 然可能由于振动开始前试样中各向不等压的初始应力状态，与振动过程中水平剪 应力的变化共同构成试样在应力全量空间中的主应力轴连续旋转，但是这种主应 力轴旋转方式的旋转角度以及主应力幅值可变情况受到很大制约，而且从应力增 量的体系而言，仍属于主应力增量方向固定的变载方式，并且测定的总是土样某 一特定剪切面( 或者剪切方向) 上的应力应变特性而另一种对主应力轴旋转的 应力路径进行模拟的试验仪器就是空心圆柱扭剪仪( h c a ) ，h c a 是h o l l o w c y l i n d e r a p p a r a t u s 的简称，中文简称空心圆柱仪，它可以同时、独立对土样施加轴力和扭 矩变载，并且预先调节试样的内外围压，从而在实现主应力幅值改变的同时还发 生大( 小) 主应力方向在垂直于中主应力的固定平面中连续旋转所以h c a 是当 前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是首选试验设备 之一，也是国际上最适合进行主应力轴旋转应力路径模拟研究的土工试验仪器。 2 1 2 试验仪器和试样的制备、安装 2 1 2 1 试验仪器的简介 本章所采用的试验仪器为浙江大学岩土工程研究所与英国g d s 仪器设备有限 公司共同研制开发的空心圆柱扭剪仪( z j u h c a ，简称h c a ) ，如图2 2 所示( 详 细原理见文献 5 2 】) 设备可对空心试样施加独立控制的外压p 。、内压a 、轴力形 以及扭矩m r ( 如图2 3 ( a ) ) ，从而实现大小主应力在垂直于试样径向的切平面内旋 转的复杂应力路径，如图2 3 ( c ) 所示加载参数与应力参数之间的映射关系采用文 献【5 0 】的结果 1 2 t i i 啼 l l 胃一 l l l 一 - - 图2 2 浙江大学5 1 i z 空心圆柱仪( z j l i - h c a ) 系统构成示意图 卜叫 卜_ 。一 _ 一 忍 - 一 _ - _ 一 ) ) 图2 3 空心圆柱试样薄壁单元体受