小主应力方向荷载变化土体变形规律及其应用

ABSTRACT

前言

第一章 绪论

1．1 土体的变形特性

1．1．1 非线性和非弹性

1．1．2 塑性体积应变和剪胀性

1．1．3 塑性剪应变

1．1．4 硬化和软化

1．1．5 应力路径和应力历史对变形的影响

1．1．6 固结压力的影响

1．1．7 各向异性

1．1．8 流变特性

1．1．9 结构性

1．2 土体本构模型研究进展

1．2．1 本构模型的发展

1．2．2 主要的本构模型形式

1．3 各向异性研究进展

1．3．1 20世纪60年代以前的工作

1．3．2 20世纪70～80年代左右的成果

1．3．3 20世纪90年代至今

1．4 土的本构关系的检验

1．4．1 不同仪器的相同试验的检验

1．4．2 土的本构关系的检验

1．5 研究意义及研究内容

1．5．1 研究意义

1．5．2 研究内容

参考文献

试验篇

第二章 土体加卸荷真三轴试验研究

2．1 真三轴试验研究现状

2．2 试验思路

2．3 试验介绍

2．3．1 常规三轴试验

2．3．2 真三轴试验

2．4 试验成果

2．4．1 理论分析

2．4．2 试验曲线汇总

2．5 试验分析

2．6 小结

参考文献

第三章 土体球形压加卸荷GDS试验研究

3．1 试验土样

3．2 原状土样的常规压缩试验

3．3 原状土样的各向等压试验

3．3．1 试验目的

3．3．2 试验的应力路径

3．3．3 试验结果及其分析

3．4 不同应力路径下的球应力加载、卸载试验（CKC三轴仪）

3．4．1 考虑土体初始各向异性的球应力加载、卸载试验

3．4．2 考虑不同剪应力水平条件下的球应力加载、卸载试验

3．5 模拟真空预压加载、卸载应力路径的原状样试验（GDS三轴应力系统）

3．5．1 试验目的及试验方案

3．5．2 具体试验应力路径、试验结果及其分析

3．6 模拟真空预压加载、卸载应力路径的重塑样试验（GDS三轴仪）

3．6．1 试样制备

3．6．2 试验方案

3．6．3 重塑土试验应力路径、试验结果及其分析

3．7 小结

参考文献

第四章 土体小主应力向加卸荷平面应变试验研究

4．1 问题的提出

4．1．1 应力路径试验的研究

4．1．2 基坑开挖条件下典型的应力路径分析

4．1．3 平面应变试验的思路

4．2 模拟基坑开挖过程的试验研究

4．2．1 土体原始应力状态的模拟

4．2．2 排水条件的模拟

4．3 试验过程及结果

4．3．1 常规三轴试验

4．3．2 平面应变试验

4．4 试验分析

4．5 卸荷、加荷条件下的非线性切线弹性模量

4．5．1 土体的D-C模型

4．5．2 侧向卸荷条件下的非线性切线弹模公式推导

4．5．3 侧向加荷条件下的非线性切线弹模公式推导

4．5．4 竖向加荷条件下的非线性切线弹模公式推导

4．6 不同应力路径下的试验结果及分析

4．6．1 常规三轴试验

4．6．2 平面应变的侧向卸荷试验

4．6．3 平面应变的侧向加荷试验

4．6．4 平面应变的竖向加荷试验

4．6．5 试验的综合分析

4．7 小结

参考文献

理论篇

第五章 基于试验的土压力与侧向位移关系分析

5．1 引言

5．2 土体变形对土压力影响的机理

5．3 土压力与基坑支护结构位移间的关系

5．3．1 土压力与支护结构物位移间的关系

5．3．2 卸荷土体的应力一应变关系研究

5．4 主动侧土压力与侧向位移关系

5．5 被动侧土压力与侧向位移关系

5．6 小结

参考文献

第六章 真空预压加固地基承载力研究

6．1 地基承载力的计算理论

6．1．1 极限平衡法

6．1．2 滑移线法

6．1．3 极限分析法

6．2 真空预压基本原理

6．3 真空预压下的地基承载力确定方法

6．3．1 数值计算方法的思路

6．3．2 算例分析

6．3．3 参数分析

6．4 小结

参考文献

第七章 考虑位移的土压力计算模型研究

7．1 土压力与变形关系的公式推导

7．1．1 土压力随位移的发展规律

7．1．2 考虑位移的土压力计算模型

7．1．3 模型参数的关系

7．1．4 参数求解

7．2 计算模型的验证

7．2．1 主动土压力的验证

7．2．2 被动土压力的验证

7．3 基于朗肯土压力理论的考虑位移的土压力计算公式

7．3．1 计算公式的推导

7．3．2 计算式中各参数的取值

7．4 已有模型试验的验证

7．4．1 主动土压力的验证

7．4．2 被动土压力的验证

7．5 土压力修正系数讨论

7．5．1 被动土压力修正系数的讨论

7．5．2 主动土压力修正系数的讨论

7．6 小结

参考文献

应用篇

第八章 土压力模型在沉桩问题中的应用

8．1 沉桩问题的研究现状

8．1．1 圆孔扩张法（CEM）

8．1．2 应变路径法（SPM）

……

第九章 土压力模型在水平受荷桩问题中的应用

第十章 土压力模型在基坑开挖问题中的应用

第十一章 基于土压力模型的复合挡土墙应用研究

第十二章 结论与展望

致谢

由于试验条件所限，目前人们广为使用的Duncan-Chang、Cam-bridge模型，甚至包括部分已经提出的各向异性模型的建立及参数的确定大都是依据轴对称样大主应力方向加卸荷三轴仪试验所得到的应力一应变关系。对于荷载在大主应力方向施加且主要关心对象是沉降的工程，当前的土体本构关系恰好能模拟这一应力路径，因而能较好的预测这些工程的工作性状，为工程建设发挥了巨大的作用。而对于以小主应力方向加卸荷为主的问题，则勉为其难。2100433B

《小主应力方向荷载变化土体变形规律及其应用》较为系统地阐述了小主应力方向加卸荷土体变形规律及其应用。全书共分为三篇十二章，其中第一章为绪论；试验篇（第二章至第四章）主要介绍小主应力方向加卸荷真三轴试验研究、球形压加卸荷GDS三轴试验研究和小主应力向加卸荷平面应变试验研究；理论篇（第五章至第七章）主要阐述土压力与变形关系的经验公式，提出与经验公式验证和真空预压地基承载力研究；应用篇（第八章至第十一章）主要论述位移土压力模型在沉桩问题、水平受荷桩问题、基坑开挖问题和在刚柔复合支护结构中的应用；第十二章 为结论与展望。

真三轴试验揭示，土体侧膨胀有显著的各向异性，面板堆石坝有限元计算误差主要由于没有考虑这一点。本构模型依据了大主应力方向加荷的试验，而面板所受水荷载从小主应力方向施加，侧膨胀性差异大，对面板应力影响十分敏感。本项目拟深入研究土体侧膨胀各向异性的规律，提出相应的本构模型。必将使土石坝应力变形分析水平上的一个新台阶。 2100433B

变形的性质和大小，既决定于荷载的大小、性质（静或动荷载）和持续的时间，也决定于土的性质、初始固结情况和应力历史等因素。土体的变形包括体积改变的压缩变形及颗粒和颗粒组成的结构单元相互滑移的剪切变形。当荷载不超过土的屈服强度时，以体积变形为主；当荷载超过屈服强度时，剪切变形成为主要部分。土体受力后，立即产生的变形，称瞬时变形。粘性土，尤其当水饱和时，大部分变形是随着土中孔隙水被缓慢挤出而产生固结变形。粘性土在应力不变的条件下可产生持续而缓慢的蠕变。受力变形后的土体，当外力移去时，一般情况下，部分可以恢复的变形称弹性变形；相当一部分不能恢复的变形称塑性变形。土的压缩变形　无侧向变形条件下的压缩　早期研究土的压缩性试验，土样装在厚壁金属环中，不能产生侧向变形，试验时分级施加竖向压力。当每级压力下土样变形停止后，再加下一级压力，由测微表量出土样在各级压力下的竖向应变。为应用方便常用孔隙比代替应变，可绘出图1所示孔隙比-压力曲线，称压缩曲线。在某一压力段(P1～P2)内可近似地把曲线当作直线，其斜率称压缩系数，反映了土在无侧向变形条件下的压缩性。轴对称应力状态下的压缩　通过圆柱形土样和三轴压缩仪试验装置，土样的轴向变形由测压杆的位移求得；侧向变形因沿土样高度不一致，不易求得，多根据土样的体积变化和轴向变形计算出其平均值。孔隙水压多用压力传感器量测。根据三轴试验中量得的主应力和相应的主应变的增量，可以用公式算出相应的割线模量及泊松比。三向应力状态下的压缩　为了研究土中主应力对土的变形和强度的影响，近十多年来国外已研制成不同型式的真三轴仪。土样用六个可以一起调整和相对滑动的刚性板包围，每对刚性板可以单独加压，这样土样承受三个互相独立、大小不同的主应力，即一般的三向应力。但仪器构造复杂，刚性板对土样表面摩擦的影响大，试验费时，正在不断改进中。土的剪切变形　土样剪切面上正应力保持不变时，其剪位移随剪应力增大，并呈曲线关系。密实砂土的剪应力-剪位移曲线有一峰值，即当剪应力达峰值后，随剪位移的继续发展，剪应力下降而趋于一定值；土体积发生膨胀。松砂的剪应力-剪位移曲线达峰值后，剪应力不变；其体积先发生压缩，后又趋向膨胀。如上所述，砂土在密实状态下剪切时体积膨胀，在松散状态下剪切时体积压缩，所以有一“临界孔隙比”，砂土在此孔隙比剪切时，体积变化为零。通过三轴排水剪试验研究，发现临界孔隙比受侧限压力的影响，随侧限压力的增大而减小。正常固结粘性土的剪应力和剪位移关系和松砂相似，超固结粘性土和密实砂土相似。蠕变　粘性土在不变的剪应力下，应变随时间而增长的现象，称为土的蠕变，也称徐变。应力较小时，应变随时间增加，但速率渐减而趋向一极限，如曲线A（图2）；应力较大时，应变随时间增长，但蠕变速率渐减，如曲线B；当应力大时（但仍低于通常试验所定强度），开始应变率随时间渐减，但随后又大增，从而导致土的破坏，如曲线C。蠕变的影响随粘性土的塑性指数和含水量的增大而增大。 2100433B

课题应用ＣＴ技术，设计三套适用于ＣＴ的土体压缩，剪切和渗透装置，对土体的压缩变形，剪切变形和渗透变形过程中的内部结构变化进行无损伤动态分析，跟踪土体在变形过程中细微裂隙的发生，发展及分布以及污染物在渗透过程中吸附和迁移等，建立土体变形与结构间的动态关系，从而为改良土体的工程性质，建立土体正确的本构关系提供理论依据。 2100433B