小主應(yīng)力方向荷載變化土體變形規(guī)律及其應(yīng)用

ABSTRACT

前言

第一章 緒論

1．1 土體的變形特性

1．1．1 非線(xiàn)性和非彈性

1．1．2 塑性體積應(yīng)變和剪脹性

1．1．3 塑性剪應(yīng)變

1．1．4 硬化和軟化

1．1．5 應(yīng)力路徑和應(yīng)力歷史對(duì)變形的影響

1．1．6 固結(jié)壓力的影響

1．1．7 各向異性

1．1．8 流變特性

1．1．9 結(jié)構(gòu)性

1．2 土體本構(gòu)模型研究進(jìn)展

1．2．1 本構(gòu)模型的發(fā)展

1．2．2 主要的本構(gòu)模型形式

1．3 各向異性研究進(jìn)展

1．3．1 20世紀(jì)60年代以前的工作

1．3．2 20世紀(jì)70～80年代左右的成果

1．3．3 20世紀(jì)90年代至今

1．4 土的本構(gòu)關(guān)系的檢驗(yàn)

1．4．1 不同儀器的相同試驗(yàn)的檢驗(yàn)

1．4．2 土的本構(gòu)關(guān)系的檢驗(yàn)

1．5 研究意義及研究?jī)?nèi)容

1．5．1 研究意義

1．5．2 研究?jī)?nèi)容

參考文獻(xiàn)

試驗(yàn)篇

第二章 土體加卸荷真三軸試驗(yàn)研究

2．1 真三軸試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

2．2 試驗(yàn)思路

2．3 試驗(yàn)介紹

2．3．1 常規(guī)三軸試驗(yàn)

2．3．2 真三軸試驗(yàn)

2．4 試驗(yàn)成果

2．4．1 理論分析

2．4．2 試驗(yàn)曲線(xiàn)匯總

2．5 試驗(yàn)分析

2．6 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第三章 土體球形壓加卸荷GDS試驗(yàn)研究

3．1 試驗(yàn)土樣

3．2 原狀土樣的常規(guī)壓縮試驗(yàn)

3．3 原狀土樣的各向等壓試驗(yàn)

3．3．1 試驗(yàn)?zāi)康?

3．3．2 試驗(yàn)的應(yīng)力路徑

3．3．3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

3．4 不同應(yīng)力路徑下的球應(yīng)力加載、卸載試驗(yàn)（CKC三軸儀）

3．4．1 考慮土體初始各向異性的球應(yīng)力加載、卸載試驗(yàn)

3．4．2 考慮不同剪應(yīng)力水平條件下的球應(yīng)力加載、卸載試驗(yàn)

3．5 模擬真空預(yù)壓加載、卸載應(yīng)力路徑的原狀樣試驗(yàn)（GDS三軸應(yīng)力系統(tǒng)）

3．5．1 試驗(yàn)?zāi)康募霸囼?yàn)方案

3．5．2 具體試驗(yàn)應(yīng)力路徑、試驗(yàn)結(jié)果及其分析

3．6 模擬真空預(yù)壓加載、卸載應(yīng)力路徑的重塑樣試驗(yàn)（GDS三軸儀）

3．6．1 試樣制備

3．6．2 試驗(yàn)方案

3．6．3 重塑土試驗(yàn)應(yīng)力路徑、試驗(yàn)結(jié)果及其分析

3．7 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第四章 土體小主應(yīng)力向加卸荷平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)研究

4．1 問(wèn)題的提出

4．1．1 應(yīng)力路徑試驗(yàn)的研究

4．1．2 基坑開(kāi)挖條件下典型的應(yīng)力路徑分析

4．1．3 平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)的思路

4．2 模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程的試驗(yàn)研究

4．2．1 土體原始應(yīng)力狀態(tài)的模擬

4．2．2 排水條件的模擬

4．3 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

4．3．1 常規(guī)三軸試驗(yàn)

4．3．2 平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)

4．4 試驗(yàn)分析

4．5 卸荷、加荷條件下的非線(xiàn)性切線(xiàn)彈性模量

4．5．1 土體的D-C模型

4．5．2 側(cè)向卸荷條件下的非線(xiàn)性切線(xiàn)彈模公式推導(dǎo)

4．5．3 側(cè)向加荷條件下的非線(xiàn)性切線(xiàn)彈模公式推導(dǎo)

4．5．4 豎向加荷條件下的非線(xiàn)性切線(xiàn)彈模公式推導(dǎo)

4．6 不同應(yīng)力路徑下的試驗(yàn)結(jié)果及分析

4．6．1 常規(guī)三軸試驗(yàn)

4．6．2 平面應(yīng)變的側(cè)向卸荷試驗(yàn)

4．6．3 平面應(yīng)變的側(cè)向加荷試驗(yàn)

4．6．4 平面應(yīng)變的豎向加荷試驗(yàn)

4．6．5 試驗(yàn)的綜合分析

4．7 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

理論篇

第五章 基于試驗(yàn)的土壓力與側(cè)向位移關(guān)系分析

5．1 引言

5．2 土體變形對(duì)土壓力影響的機(jī)理

5．3 土壓力與基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移間的關(guān)系

5．3．1 土壓力與支護(hù)結(jié)構(gòu)物位移間的關(guān)系

5．3．2 卸荷土體的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系研究

5．4 主動(dòng)側(cè)土壓力與側(cè)向位移關(guān)系

5．5 被動(dòng)側(cè)土壓力與側(cè)向位移關(guān)系

5．6 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第六章 真空預(yù)壓加固地基承載力研究

6．1 地基承載力的計(jì)算理論

6．1．1 極限平衡法

6．1．2 滑移線(xiàn)法

6．1．3 極限分析法

6．2 真空預(yù)壓基本原理

6．3 真空預(yù)壓下的地基承載力確定方法

6．3．1 數(shù)值計(jì)算方法的思路

6．3．2 算例分析

6．3．3 參數(shù)分析

6．4 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第七章 考慮位移的土壓力計(jì)算模型研究

7．1 土壓力與變形關(guān)系的公式推導(dǎo)

7．1．1 土壓力隨位移的發(fā)展規(guī)律

7．1．2 考慮位移的土壓力計(jì)算模型

7．1．3 模型參數(shù)的關(guān)系

7．1．4 參數(shù)求解

7．2 計(jì)算模型的驗(yàn)證

7．2．1 主動(dòng)土壓力的驗(yàn)證

7．2．2 被動(dòng)土壓力的驗(yàn)證

7．3 基于朗肯土壓力理論的考慮位移的土壓力計(jì)算公式

7．3．1 計(jì)算公式的推導(dǎo)

7．3．2 計(jì)算式中各參數(shù)的取值

7．4 已有模型試驗(yàn)的驗(yàn)證

7．4．1 主動(dòng)土壓力的驗(yàn)證

7．4．2 被動(dòng)土壓力的驗(yàn)證

7．5 土壓力修正系數(shù)討論

7．5．1 被動(dòng)土壓力修正系數(shù)的討論

7．5．2 主動(dòng)土壓力修正系數(shù)的討論

7．6 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

應(yīng)用篇

第八章 土壓力模型在沉樁問(wèn)題中的應(yīng)用

8．1 沉樁問(wèn)題的研究現(xiàn)狀

8．1．1 圓孔擴(kuò)張法（CEM）

8．1．2 應(yīng)變路徑法（SPM）

……

第九章 土壓力模型在水平受荷樁問(wèn)題中的應(yīng)用

第十章 土壓力模型在基坑開(kāi)挖問(wèn)題中的應(yīng)用

第十一章 基于土壓力模型的復(fù)合擋土墻應(yīng)用研究

第十二章 結(jié)論與展望

致謝

由于試驗(yàn)條件所限，目前人們廣為使用的Duncan-Chang、Cam-bridge模型，甚至包括部分已經(jīng)提出的各向異性模型的建立及參數(shù)的確定大都是依據(jù)軸對(duì)稱(chēng)樣大主應(yīng)力方向加卸荷三軸儀試驗(yàn)所得到的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系。對(duì)于荷載在大主應(yīng)力方向施加且主要關(guān)心對(duì)象是沉降的工程，當(dāng)前的土體本構(gòu)關(guān)系恰好能模擬這一應(yīng)力路徑，因而能較好的預(yù)測(cè)這些工程的工作性狀，為工程建設(shè)發(fā)揮了巨大的作用。而對(duì)于以小主應(yīng)力方向加卸荷為主的問(wèn)題，則勉為其難。2100433B

《小主應(yīng)力方向荷載變化土體變形規(guī)律及其應(yīng)用》較為系統(tǒng)地闡述了小主應(yīng)力方向加卸荷土體變形規(guī)律及其應(yīng)用。全書(shū)共分為三篇十二章，其中第一章為緒論；試驗(yàn)篇（第二章至第四章）主要介紹小主應(yīng)力方向加卸荷真三軸試驗(yàn)研究、球形壓加卸荷GDS三軸試驗(yàn)研究和小主應(yīng)力向加卸荷平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)研究；理論篇（第五章至第七章）主要闡述土壓力與變形關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，提出與經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)證和真空預(yù)壓地基承載力研究；應(yīng)用篇（第八章至第十一章）主要論述位移土壓力模型在沉樁問(wèn)題、水平受荷樁問(wèn)題、基坑開(kāi)挖問(wèn)題和在剛?cè)釓?fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用；第十二章 為結(jié)論與展望。

真三軸試驗(yàn)揭示，土體側(cè)膨脹有顯著的各向異性，面板堆石壩有限元計(jì)算誤差主要由于沒(méi)有考慮這一點(diǎn)。本構(gòu)模型依據(jù)了大主應(yīng)力方向加荷的試驗(yàn)，而面板所受水荷載從小主應(yīng)力方向施加，側(cè)膨脹性差異大，對(duì)面板應(yīng)力影響十分敏感。本項(xiàng)目擬深入研究土體側(cè)膨脹各向異性的規(guī)律，提出相應(yīng)的本構(gòu)模型。必將使土石壩應(yīng)力變形分析水平上的一個(gè)新臺(tái)階。 2100433B

變形的性質(zhì)和大小，既決定于荷載的大小、性質(zhì)（靜或動(dòng)荷載）和持續(xù)的時(shí)間，也決定于土的性質(zhì)、初始固結(jié)情況和應(yīng)力歷史等因素。土體的變形包括體積改變的壓縮變形及顆粒和顆粒組成的結(jié)構(gòu)單元相互滑移的剪切變形。當(dāng)荷載不超過(guò)土的屈服強(qiáng)度時(shí)，以體積變形為主；當(dāng)荷載超過(guò)屈服強(qiáng)度時(shí)，剪切變形成為主要部分。土體受力后，立即產(chǎn)生的變形，稱(chēng)瞬時(shí)變形。粘性土，尤其當(dāng)水飽和時(shí)，大部分變形是隨著土中孔隙水被緩慢擠出而產(chǎn)生固結(jié)變形。粘性土在應(yīng)力不變的條件下可產(chǎn)生持續(xù)而緩慢的蠕變。受力變形后的土體，當(dāng)外力移去時(shí)，一般情況下，部分可以恢復(fù)的變形稱(chēng)彈性變形；相當(dāng)一部分不能恢復(fù)的變形稱(chēng)塑性變形。土的壓縮變形　無(wú)側(cè)向變形條件下的壓縮　早期研究土的壓縮性試驗(yàn)，土樣裝在厚壁金屬環(huán)中，不能產(chǎn)生側(cè)向變形，試驗(yàn)時(shí)分級(jí)施加豎向壓力。當(dāng)每級(jí)壓力下土樣變形停止后，再加下一級(jí)壓力，由測(cè)微表量出土樣在各級(jí)壓力下的豎向應(yīng)變。為應(yīng)用方便常用孔隙比代替應(yīng)變，可繪出圖1所示孔隙比-壓力曲線(xiàn)，稱(chēng)壓縮曲線(xiàn)。在某一壓力段(P1～P2)內(nèi)可近似地把曲線(xiàn)當(dāng)作直線(xiàn)，其斜率稱(chēng)壓縮系數(shù)，反映了土在無(wú)側(cè)向變形條件下的壓縮性。軸對(duì)稱(chēng)應(yīng)力狀態(tài)下的壓縮　通過(guò)圓柱形土樣和三軸壓縮儀試驗(yàn)裝置，土樣的軸向變形由測(cè)壓桿的位移求得；側(cè)向變形因沿土樣高度不一致，不易求得，多根據(jù)土樣的體積變化和軸向變形計(jì)算出其平均值。孔隙水壓多用壓力傳感器量測(cè)。根據(jù)三軸試驗(yàn)中量得的主應(yīng)力和相應(yīng)的主應(yīng)變的增量，可以用公式算出相應(yīng)的割線(xiàn)模量及泊松比。三向應(yīng)力狀態(tài)下的壓縮　為了研究土中主應(yīng)力對(duì)土的變形和強(qiáng)度的影響，近十多年來(lái)國(guó)外已研制成不同型式的真三軸儀。土樣用六個(gè)可以一起調(diào)整和相對(duì)滑動(dòng)的剛性板包圍，每對(duì)剛性板可以單獨(dú)加壓，這樣土樣承受三個(gè)互相獨(dú)立、大小不同的主應(yīng)力，即一般的三向應(yīng)力。但儀器構(gòu)造復(fù)雜，剛性板對(duì)土樣表面摩擦的影響大，試驗(yàn)費(fèi)時(shí)，正在不斷改進(jìn)中。土的剪切變形　土樣剪切面上正應(yīng)力保持不變時(shí)，其剪位移隨剪應(yīng)力增大，并呈曲線(xiàn)關(guān)系。密實(shí)砂土的剪應(yīng)力-剪位移曲線(xiàn)有一峰值，即當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)峰值后，隨剪位移的繼續(xù)發(fā)展，剪應(yīng)力下降而趨于一定值；土體積發(fā)生膨脹。松砂的剪應(yīng)力-剪位移曲線(xiàn)達(dá)峰值后，剪應(yīng)力不變；其體積先發(fā)生壓縮，后又趨向膨脹。如上所述，砂土在密實(shí)狀態(tài)下剪切時(shí)體積膨脹，在松散狀態(tài)下剪切時(shí)體積壓縮，所以有一“臨界孔隙比”，砂土在此孔隙比剪切時(shí)，體積變化為零。通過(guò)三軸排水剪試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)臨界孔隙比受側(cè)限壓力的影響，隨側(cè)限壓力的增大而減小。正常固結(jié)粘性土的剪應(yīng)力和剪位移關(guān)系和松砂相似，超固結(jié)粘性土和密實(shí)砂土相似。蠕變　粘性土在不變的剪應(yīng)力下，應(yīng)變隨時(shí)間而增長(zhǎng)的現(xiàn)象，稱(chēng)為土的蠕變，也稱(chēng)徐變。應(yīng)力較小時(shí)，應(yīng)變隨時(shí)間增加，但速率漸減而趨向一極限，如曲線(xiàn)A（圖2）；應(yīng)力較大時(shí)，應(yīng)變隨時(shí)間增長(zhǎng)，但蠕變速率漸減，如曲線(xiàn)B；當(dāng)應(yīng)力大時(shí)（但仍低于通常試驗(yàn)所定強(qiáng)度），開(kāi)始應(yīng)變率隨時(shí)間漸減，但隨后又大增，從而導(dǎo)致土的破壞，如曲線(xiàn)C。蠕變的影響隨粘性土的塑性指數(shù)和含水量的增大而增大。 2100433B

課題應(yīng)用ＣＴ技術(shù)，設(shè)計(jì)三套適用于ＣＴ的土體壓縮，剪切和滲透裝置，對(duì)土體的壓縮變形，剪切變形和滲透變形過(guò)程中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行無(wú)損傷動(dòng)態(tài)分析，跟蹤土體在變形過(guò)程中細(xì)微裂隙的發(fā)生，發(fā)展及分布以及污染物在滲透過(guò)程中吸附和遷移等，建立土體變形與結(jié)構(gòu)間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，從而為改良土體的工程性質(zhì)，建立土體正確的本構(gòu)關(guān)系提供理論依據(jù)。 2100433B