主应力连续旋转下软粘土非共轴变形特性试验和模型研究

【摘要】主应力轴旋转普遍存在于岩土工程中,地基土体经历交通荷载、波浪荷载、多向地震作用等动荷载作用后,作用于土体单元上的主应力方向会产生连续的旋转。主应力轴旋转的影响也早已引起了广大研究者的关注,随着空心圆柱扭剪仪在土工试验中的使用,目前国内外的研究者对主应力轴旋转条件下土体的变形特性和本构模拟方面开展了广泛的研究。主应力轴旋转过程中土体的一个重要特性就是塑性应变增量方向与应力方向不共轴。在实际工程中,如果忽略土体非共轴特性的影响可能会低估土体的变形而使工程设计偏于不安全。但目前有关主应力轴旋转的土体非共轴研究主要还是集中在砂土,应力路径也以主应力轴小幅旋转为主。无论在试验研究还是理论研究方面对于软粘土在主应力轴连续纯旋转条件下的非共轴变形特性的研究还都比较少。合理考虑土体的非共轴特性对准确预测主应力轴旋转条件下土体的变形又至关重要。为此急待丰富与完善考虑主应力轴旋转条件下软粘土非共轴变形特性的研究,以适应软土地区面临的越来越复杂的岩土工程问题。本文在已有研究成果的基础上,分别从试验研究、规律分析总结、模型建立等三个方面开了考虑主应力轴连续旋转影响的软粘土非共轴变形特性研究。给出了计算主应力轴连续旋转条件下软粘土非共轴角的计算模型,基于试验研究结果建立了考虑主应力轴旋转引起的软粘土变形的计算方法。本文主要研究内容和取得的研究成果如下：1.通过对杭州原状软粘土和重塑粘土进行的主应力轴大幅(>180°)连续纯旋转试验,重点研究了主应力轴连续旋转条件下软粘土的非共轴变形特性。分析软粘土在主应力轴单纯连续旋转条件下变形发展、孔压累积、刚度衰减等规律,并从微观结构层面对主应力轴旋转影响机理进行解释。试验结果发现：(1)定向剪切条件下原状粘土和重塑粘土的非共轴特性都不显著,随着剪应力增加塑性主应变增量方向和主应力方向基本趋于共轴；(2)主应力轴连续旋转条件下原状粘土和重塑粘土存在显著的非共轴特性,非共轴角随着主应力轴的旋转而波动变化,中主应力系数、剪应力水平、循环旋转次数和初始各向异性等对软粘土非共轴特性的影响不显著,土体非共轴特性主要受应力路径的影响和控制；(3)主应力方向的单纯改变会引起原状粘土和重塑粘土显著的塑性变形累积,随着主应力轴的旋转各应变分量也呈波动变化,试样会由于变形的不断累积而破坏。中主应力系数对应变分量的开展规律和试样破坏时的形态有较大的影响。随着剪应力水平的增加,主应力轴单位转幅引起的应变也逐渐增加。应变的变化规律与相应的应力分量变化规律相似,类似三角函数曲线,但应变曲线要滞后应力曲线20°左右；(4)主应力方向纯旋转也会引起原状粘土和重塑粘土试样孔压的显著累积,孔压的累积也随主应力轴的旋转呈波动变化。中主应力系数对孔压累积速率有一定影响。即使剪应力水平很低(q=5kPa,p=150kPa)的条件下,主应力轴纯旋转也会引起孔压显著累积；(5)按常规的设计思路,虽然应力幅值没有达到破坏水平,但是应力方向的单纯改变也会使土体发生破坏,并且主应力旋转对工程设计的不利影响还不仅仅体现在变形的累积上,还表现在孔压累积引起的刚度衰减；(6)从微观结构角度分析,主应力轴旋转引起的土体变形机理可以归结为大主应力旋转剪切对土体微观结构的扰动和破坏,使颗粒发生破碎或重新排列。2.通过对现有考虑主应力轴纯旋转的土体本构模型的分析总结之后发现只有合理考虑土体非共轴变形特性的本构关系才能较合理地描述试验结果揭示的土体变形规律。为此,本文对考虑主应力轴旋转复杂应力条件下的软粘土非共轴塑性流动特性进行了深入的研究。借鉴边界面模型的理论,基于定向剪切试验研究结果引入椭圆形的原状粘土破坏边界面,考虑非共轴塑性应变增量切向和法向分量的共同耦合影响,建立了考虑中主应力系数、剪应力水平等影响的软粘土非共轴角计算模型。通过与试验结果和计算结果的对比发现,该方法能较好地反映试验研究中得到的粘土非共轴变形规律。3.在分析总结主应力轴旋转条件下软粘土变形特性的基本规律基础上,结合软粘土的非共轴塑性流动规律,通过应力空间的转换将主应力轴纯旋转应力路径转换为一种加载方式(应变不变量的广义剪分量)。在广义塑性理论的基本框架下建立了计算主应力轴旋转引起的软粘土变形的方法。考虑非共轴的影响对三维条件下Rowe应力剪胀关系进行了的修正,在将主应变增量转换到一般物理空间坐标内时,采用考虑非共轴角影响的塑性应变增量方向角。最后对计算结果和试验结果进行了对比验证,表明通过非共轴修正之后的计算结果与试验结果更吻合。
【作者】严佳佳；
【导师】龚晓南；周建；
【作者基本信息】浙江大学，岩土工程，2014，博士
【关键词】主应力轴旋转；软粘土；非共轴特性；各向异性；计算模型；

【参考文献】
[1]苗收谋.强流脉冲离子束辐照Ti基金属材料表面烧蚀作用研究[D].大连理工大学,材料学,2004,硕士.
[2]袁索超.超短脉冲对比度的单次测量技术研究[D].中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）,光学工程,2013,硕士.
[3]汪丽丽,邢瑞光,张邦文,侯渊.功能化石墨烯/聚苯胺复合电极材料的制备和电化学性能[J].物理化学学报,2014,09:1659-1666.
[4]李晓飞.智能交通中智能图像质量检测系统的硬件研究与实现[D].南京邮电大学,信号与信息处理,2013,硕士.
[5]占炜.ART退火和轧制条件对中锰钢微观组织及力学性能的影响[D].华中科技大学,材料学,2013,硕士.
[6]张丽萍.中国业余龙舟竞渡运动的发展现状调查研究[D].西北民族大学,民族传统体育学,2012,硕士.
[7]王真真.象似性原则下《我弥留之际》的语言特色探究[D].济南大学,外国语言学及应用语言学,2012,硕士.
[8]张景然.采用力控制方法加工微沟槽结构的实验研究[D].哈尔滨工业大学,机械制造及其自动化,2013,硕士.
[9]孙晓蛟.益母草对绿壳蛋鸡生产性能、血清指标及相关基因表达的影响[D].东北农业大学,特种经济动物饲养,2013,硕士.
[10]尤毅.论反垄断法的宽恕制度[D].山西财经大学,经济法,2013,硕士.
[11]褚学征,严晓光.MATLAB与VC++混合编程在数据挖掘中的应用[J].计算机与数字工程,2005,12:125-127.
[12]刘烨.三维目标群及动态表面的重建和跟踪[D].复旦大学,计算机应用技术,2013,博士.
[13]王辉.基于J2EE的IOA系统研究与实现[D].西安建筑科技大学,计算机应用技术,2004,硕士.
[14]薛广芝.中国大学生英语交际中委婉表达方式语用失误的调查研究[D].南京师范大学,英语语言文学,2012,硕士.
[15]廖侃.洪湖话的常用语气词[D].华中师范大学,对外汉语教学,2014,硕士.
[16]邵丹.科技进步对扩大就业的影响研究[D].渤海大学,科学技术哲学,2013,硕士.
[17]严陈.大气CO_2浓度升高下稻田土壤甲烷氧化的微生物调控机理[D].南京师范大学,环境科学,2012,硕士.
[18]张慧.城乡一体化的多层次养老保险体系结构比例研究[D].上海工程技术大学,社会保障,2012,硕士.
[19]刘欣丽.激光跟踪系统设计及改进[D].天津大学,测试计量技术及仪器,2004,硕士.
[20]车龙萍.探析汉英翻译中母语审校环节的重要性[D].上海外国语大学,翻译（专业学位）,2014,硕士.
[21]王熠.地源热泵土壤热物性不确定因素特征分析[D].华中科技大学,供热、供燃气、通风及空调工程,2012,硕士.
[22]韩玉虎.PLDD联合胶原酶溶核术治疗腰椎间盘突出症的进展[D].蚌埠医学院,外科学（专业学位）,2013,硕士.
[23]向华.水稻悬浮细胞凋亡的诱导及其机制研究[D].湖南农业大学,生物化学与分子生物学,2003,硕士.
[24]曾加庆,金振坚,刘浏,梁玫,严国安,黄永建,巩飞,刘宪民.LD—LF—CC流程生产45钢的工艺优化[J].钢铁.2003(04)
[25]武敏.论公安机关在处置群体性事件中的作用[D].中国海洋大学,公共管理,2011,硕士.
[26]张曙光.高效生态经济发展中县级政府职能研究[D].山东师范大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[27]郭淑云.来比林、白藜芦醇拮抗庆大霉素耳毒性的实验研究[D].第四军医大学,药物化学,2004,硕士.
[28]魏珊珊,谢翔,王乐宇,喻慕琳,陈宪宏.高流动性尼龙6/改性MCA阻燃复合材料的性能[J].材料研究学报,2015,05:365-370.
[29]闫湖,李立新,袁荣昌,林静怀,江凡,谢巧云.多维度电网模型一体化存储与管理技术[J].电力系统自动化,2014,16:94-99.
[30]李伟.长沙市餐饮业税收征管存在的问题及对策研究[D].湖南大学,税务（专业学位）,2013,硕士.
[31]黄凯伦.光伏三电平逆变器效率优化的控制方法研究[D].南昌航空大学,控制理论与控制工程,2013,硕士.
[32]刘小勇.一体化电机转子绕线机器人研究[D].西安理工大学,机械电子工程,2004,硕士.
[33]林龙君.中小企业信用体系相关研究[D].首都经济贸易大学,工商管理（专业学位）,2012,硕士.
[34]杨凯新.机载雷达前视高分辨成像方法研究[D].西安电子科技大学,信号与信息处理,2012,硕士.
[35]袁清陆.印刷企业供应链管理问题研究[D].北京印刷学院,企业管理,2013,硕士.
[36]孟凡丽,郑棋,李燕,卢成原.基于BP神经网络的深基坑围护变形预测[J].浙江工业大学学报,2014,04:367-372.
[37]H·M·霍弗.解决加拿大东部海上地震问题的新技术[J].石油地球物理勘探,1974,06:47-55.
[38]车丽涛.中学文言文教学中优化非智力因素的研究[D].东北师范大学,教育,2003,硕士.
[39]胡海峰.表面缺陷对径向滑动轴承润滑性能的影响研究[D].大连海事大学,轮机工程,2014,硕士.
[40]纪尧.金圣叹论小说创作[D].安徽大学,文艺学,2013,硕士.
[41]莫飞飞.武装直升机对地作战仿真研究[D].中北大学,工业工程,2014,硕士.
[42]郎彩虹.印刷公司内容管理平台的设计与实现[D].吉林大学,软件工程,2014,硕士.
[43]王媛媛.基于dsPIC的伺服电机直接转矩控制系统的设计与实现[D].东北大学,电路与系统,2010,硕士.
[44]辜艳.水溶性槲皮素衍生物的合成[D].南京理工大学,应用化学,2013,硕士.
[45]于亚肖.WSN中分簇路由协议的研究与改进[D].燕山大学,电子与通信工程,2014,硕士.
[46]张阳.建筑系馆专业教学空间研究[D].厦门大学,建筑设计及其理论,2014,硕士.
[47]周亚平,奚宏生,殷保群,孙德敏.Markov控制过程基于性能势的平均代价最优策略[J].自动化学报,2002,06:904-910.
[48]徐臻.功能对等视角下《荆棘鸟》两个中译本的对比分析[D].天津理工大学,英语语言文学,2013,硕士.
[49]孟旻昕.BYZX的临床前药代动力学研究[D].浙江大学,药物分析学,2013,硕士.
[50]陈顺云.几种构造型式变形破坏过程的实验研究[D].中国地震局地质研究所,固体地球物理学,2003,硕士.