岩土工程的研究与实践(林鲁生).pdf

岩土工程的研究与实践 林鲁生 编著 湖北科学技术出版社 书 名岩土工程的研究与实践 作 者林鲁生 出版社湖北人民出版社 出版日期2005 ISBN7 - 5 3 5 2 - 3 5 0 4 - 2 /T V 6 7 2 定 价22 .00 序 东深供水改造工程是向香港、 深圳以及工程沿线东莞城镇提 供环保饮用水及农田灌溉用水的一项跨流域特大型调水工程。它 虽已始建于 40 余年前, 历经多次扩建, 曾为珠三角的经济发展和 香港的繁荣稳定作出过重大贡献, 但为彻底解决水质问题。经国 家有关部门批准,决定对该工程进行根本性改造 建设封闭型 输水系统,实现清浊分流,它对粤港两地人民的福祉关系密切, 具 有重大的政治和经济意义。 林鲁生先生受命参加了这一宏伟工程的建设, 并肩负起技术 总负责人之一的重任后,在三年多的时间里, 夙业匪懈,废寝忘食, 为本工程的每一步进展和胜利完成,呕心沥血, 精益求精地把好各 个阶段的技术关。一开始,就参与主持和组织了全国有关高校、 科 研、 设计和施工单位的专家和技术人员进行专题科学研究, 不断优 化设计, 精心优选施工组织设计方案。后来,在施工的全过程中,更 是一丝不苟地把好工程质量关, 始终坚持信息化施工原则, 全面加 强对工程的质量、 进度和管理的实时跟踪检验监控, 使工程得以 “优 质、 提前并投资不突破” 地顺利竣工投产。最后,还善始善终地为做 好这一伟大的历史性工程的全面技术总结作出了自己新的贡献。 本书就是林鲁生先生投入本工程建设中大量心血的结晶的一 部分。他多年来主要从事岩土工程和水利工程事业, 曾积累了丰 富的理论功底和专业知识底蕴,并一贯坚持紧密结合工程实践, 锐 意创新,将许多科研成果迅速地转化为生产力。本工程建设的几 年里,他把自己的才智和精力全部融入建设热潮的洪流中, 不但在 任何时刻能运筹帷幄、 指挥若定地成功闯关攻城, 而且更重视通过 实践总结提高,将经验不断丰富理论宝库, 并期望将本工程实践中 3 序 点,提出了应力路径分析的原理及计算方法, 对一系列工程对象进 行了验算,获得良好成果。 本研究的开展不仅给工程建设中急需解决的关键技术难题提 供了解决的理论依据,而且确保了工程建成完工后能满足供水的 安全,通过研究, 建立了多个考虑应力路径影响的变形计算模型, 发展和推动了应力路径在岩土工程中的应用, 提出了解决问题的 一套切实可行的计算方法; 给国内同类型工程的建设提供了一个 可供借鉴的建设经验,也为即将动土的南水北调工程提供了一个 很有价值的先例,所以本研究的开展具有深远的实际意义。 此外,对桩基监控检测提出了一套完整的质量保证技术措施, 避免了挂一漏万之虞, 这对生命线工程 重大输水工程来说是 十分必要的,其效果也早已在工程验收阶段中充分得到了证明。 然而,对于要求研究成果既要有较强的实用性又要有较高的 理论水平,就必须是理论研究、 试验分析、 数值模拟三者并驱才能 取得丰硕成果。本研究由于受研究时间、 研究条件和研究水平等 客、 主观因素的限制, 其研究远未达到完善的境界, 在很多方面尚 需进一步开展工作,更深入地研究和不断的探索。 在本书完成之际,向博士导师刘祖德教授、 博士后导师白世伟 研究员表示衷心地感谢。在博士和博士后研究工作期间, 我多方 面得到了两位导师的指导和关怀,导师科学的思维方法, 渊博的学 识,忘我的工作精神, 平易近人的作风令人敬佩, 给我留下深刻的 印象,令作者受益匪浅, 导师以自己的言行为我树立了做人和做学 问的榜样,终生难忘。 本书编写过程中,参考或引用了所列参考文献中的某些内容, 谨向这些文献的作者致以谢意。 限于时间和笔者水平,书中难免存在缺点和不足, 敬请读者批 评斧正。 林鲁生 2005 年 9 月 8 日 2岩土工程的研究与实践 前 言 广东省东江 深圳供水改造工程简称东深供水改造工程是 向香港、 深圳以及工程沿线提供饮用原水及农田灌溉用水的跨流 域大型调水工程。东深供水改造工程全长 51. 7km 含砂湾隧洞 工程 , 工程建设概算 49 亿元, 于 2000 年 8 月 28 日动工兴建, 计 划在 2003 年 8 月竣工,其中东江至塘厦段 33 .5km 已于 2003 年 1 月 18 日建成提前向香港供水。 东深供 水改 造 工程 的 一 个 最突 出 特 点 就是 线 路 长 全 长 51. 7km , 是一个长条形、 全封闭的供水系统。供水建筑物跨越各 种复杂地段,采用了多种形式的输水结构物, 施工难度高、 技术复 杂。各种基础经处理后,首先需满足承载力或应力的要求, 确保在 外荷作用下不会失去稳定, 其次要满足建筑物的正常使用对变形 的要求,对于这种允许变形很小的工程而言, 在满足足够承载力或 应力的前提下,如何能经济合理地满足变形要求, 成为本工程的关 键技术难题,即箱涵、 明槽基础沉降控制、 渡槽桩基沉降控制、 隧洞 变形的控制。然而,这些变形如何计算呢 本书根据工程的实际 情况,紧紧抓住变形控制的这一主要矛盾, 应用应力路径分析法, 重点开展了若干岩土工程的研究与实践。 岩土工程中应力路径分析方法的研究已有 40 年的历史, 但真 正解决工程实际问题,为发展和改进现有的岩土工程设计理论作 出成绩的还比较少。本研究针对东深供水改造工程中一个突出的 技术问题,即如何控制输水建构筑物的变形问题, 应用应力路径 分析法,分别阐明了应力路径问题是确定建筑物破坏模式、 变形发 展规律的重要因素之一。并指出常规岩土实验所提供的参数, 由 于未考虑应力路径方面可能产生误差的实质性原因。重点推演并 论述了本工程各地段由不同的代表性输水结构类型如天然地基 上箱涵、 复合地基上明槽、 带桩基渡槽以及隧洞等受力及变形特 1前 言 积累的点滴经验向国内同仁们交流, 也祈求各家的批评指正。这 就是作者编写此书的重要目的。 应力路径分析法在岩土力学领域内已有 40 年的发展历史。 它为岩土力学理论的研究提供了一个重要的思路和方法, 但在岩 土工程实际中应用的经验尚不多。林鲁生先生大胆地将它引入大 型输水工程设计和科研中, 并获得了大型明槽沉降量计算和渡槽 嵌岩桩基极限承载力确定等方面的丰硕成果, 是值得嘉许和推崇 的。本书中他还对输水隧洞围岩变形、 有限厚度残积土高边坡稳 定分析以及输水结构适应性变形计算等一系列重点难点技术问题 都进行了深入思考和研究,提出了很多具有创新价值的概念、 观点 和方法,敬飨读者, 并望赐教。感谢林先生给我先读为快的机会, 获益匪浅。特为之序。 武汉大学土木建筑工程学院 2005 年 11 月 8 日 4岩土工程的研究与实践 目 录 第一章绪论 1.1应力路径研究的发展概况 1.2近年来应力路径研究土的变形特性概述 1.3本文研究的基本思路 第二章研究课题的工程背景及其研究内容 2.1东深供水工程概况 2.2东深供水改造工程概况 2.3工程各类主要建筑物地质条件概况 2.4东深供水改造工程的特点 2.5本文研究的内容及其意义 第三章试验研究 3.1引言 3.2试验设备及试验方法 3.3试验成果 3.4本章小结 第四章原状土地基最终沉降计算研究 4.1地基最终沉降计算方法的发展概况 4.2隔水～塘厦明槽段地质概况及各土层物理力学土工试验 指标 4.3单向压缩分层总和法计算 4.4应力路径分析法最终沉降计算 4.5邓肯模型有限元计算 4.6计算与观测成果综合分析 4.7考虑应力路径影响的地基最终沉降 有限元计算法 4.8本章小结 第五章复合地基最终沉降的计算研究 5.1引言 5.2沉降计算方法及本章研究内容 5.3隔水～塘厦明槽复合地基地段地质概况 5.4复合模量法碎石桩复合地基沉降计算 5.5考虑应力路径影响的复合地基最终沉降计算法 5.6本章小结 第六章隧洞围岩变形三维非线性数值仿真分析 6.1引言 6.2岩石力学特性测试 6.3凤岗隧洞四号观测断面二维弹塑性岩体力学参数反分析 6.4隧洞围岩二维在开挖过程中的应力路径 6.5六号观测断面 （Ⅴ类围岩） 变形三维非线性数值仿真分析 6.6本章小结 第七章 考虑应力路径影响的嵌岩端承桩承载力计算研究 7.1引言 7.2嵌岩端承桩的工作机理及其应力路径 7.3嵌岩端承桩嵌岩段极限承载力的研究 7.4工程基桩实例计算与试验成果分析 7.5本章小结 第八章桩基多手段综合检测分析、研究 8.1引言 8.2反射波法及其超声波透射法的检测原理及其存在问题 8.3综合检测方案的选定 8.4大直径混凝土灌注桩多手段综合检测实例分析 8.5本章小结 第九章有限厚度残积土高边坡稳定分析 9.1边坡稳定分析理论概述 9.2本章研究内容 9.3深圳水库取水口高边坡工程地质 9.4土体抗剪强度参数取值的统计分析 9.5边坡的稳定分析计算 9.6一种基于圆弧滑动分析的潜在最危险滑动面搜索新方法 9.7人工神经网络在边坡分析计算中的应用 9.8滑坡治理的发展概况以及加固方案的选择 9.9本章小结 第十章输水结构适应性变形计算 10.1计算理论 10.2计算参数及计算成果 10.3本章小结 第十一章结论与展望 11.1结论 11.2展望 主要参考文献 第一章 绪 论 1 .1 应力路径研究的发展概况 各种固体材料的应力 应变性能和强度破坏特征或多或少都具 有应力路径依附性的普遍性, 但是对于土这种介质来说这问题更 为复杂,因为 第一,无粘性土, 这种松散颗粒集合体具有非连续性和剪胀剪 缩性; 第二,不排水条件下土受荷时总应力路径与有效应力路径完 全不同。 与其他工程材料相比,土是一种松散的集合体, 颗粒之间的联 结是很弱的,即使在应力水平较低时, 其应力应变关系已具有明显 的非线性。非线性弹性模型因参数少, 易确定, 比线弹性有效, 在 工程中得到较为广泛的应用, 各种非线性弹性模型都较好地模拟 了土体的主要性质 非线性。试验研究表明应力路径对变形的 影响是不容忽视的。不同的应力路径使土的变形特征发生显著变 化,按土体原位应力路径测得的不排水变形模量要比用常规不排 水三轴试验测得的结果大 2 倍以上, 因此在沉降分析决定变形模 量时有必要考虑适当的应力路径 [1] 。 应路路径 stress path 以下简称 S .P所要解决的问题就是 从岩土工程的现状出发,一方面追溯土的应力历史, 确定现存的初 始应力与初始状态的关系; 另一方面预测在将来工程建筑的各种 条件影响下,应力 应变, 甚至于强度破坏的发展趋势。这些趋势 又与 S .P 息息相关 [2 ] 。 下面简单地回顾一下, 应力路径研究的发展历史经历的三个 阶段 第一阶段作为土工中各种物理现象的解释工具。这是第一 阶段大约 1948～1960 年。土工研究者用应力路径依附性的概 念解释为何砂土达相同应力状态而它的孔隙比可能不同的原因, 应用应力路径概念解释粘土剪切试验中排水条件对强度的影响; 配合有效应力原理研究了正常固结粘土的含水量 有效应力 抗前 强度关系唯一性理论;用应力路径形态特征解释不同超固结比粘 土的应力 应变 强度特征等等。 第二阶段作为模拟工程问题进行土工试验的必要手段。这 是第二阶段大约是 1960 年～70 年代初。20 世纪 50 年代末期, 土工界普遍认为根据工程问题要求按不同应力路径进行土工试验 是正确的方法。60 年代开始, 各研究者都将应力路径作为一条主 线对各类工程问题进行应力历史,现存状态和工程建造后发展趋 势的分析研究。到 70 年代初发展了一种 SHANSEPStress His- tory and Normalized Soil Engineering Properties 研究方法就是 其中较成熟的一种。但这一阶段中, 还很少有人研究土本构特性 的应力路径依附性问题。 第三阶段作为建立完善的土的本构方程的根本依据。1974 年以来,土的本构方程研究已逐步考虑到应力路径的依附性问题。 其最终目的就是建立一种能适合于各种复杂应力路径条件的土应 力 应变 强度 时间关系的本构定律。 S .P 本身就是挣脱古典弹性理论或塑性理论的束缚而产生 的,研究方法已渗入岩土工程各个领域。早期曾被认为是土的力 学性质分析的一个重要手段, 继而逐渐上升为土工计算种必要的 定量的组成部分, 现阶段则又跃居于土的结构理论的根本依据。 2岩土工程的研究与实践 S .P 分析在岩土工程中的地位将日益为岩土工程者所重视。 1 .2 近年来应力路径研究土的变形特性概述 应力路径分析方法已日益为岩土工程界所了解和掌握, 发展 日趋成熟,而且在工程应用中, 除了加深了解其对土的基本性质的 影响外,甚至发展产生了初步的应力路径分析或设计方法。 下面将近年来应力路径方法研究土的应力 应变 强度等特性 的主要成果分类作一简要的回顾。 1 .2 .1 粘性土应力路径试验研究 盛树馨、 窦宜、 施艳平1980 [ 3] 用南京和浙江温岭两地的正常 固结饱和软粘土进行了以下应力路径试验σ3不变、 σ1增大和σ1不 变、 σ 3减小的轴向压缩试验;σ1不变、 σ3增大和σ3不变、 σ1减小的轴 向伸长试验;σ3减小、 σ1增大并使平均主应力 P0 σ1 2 σ3/ 3 等 于常数的近似纯剪试验。所有试验均为固结不排水剪。通过试验 研究,得到的主要结论是①对于正常固结的饱和软粘土, 不论是 压缩试验还是伸长试验,尽管施加的总应力路径差别很大, 而有效 应力路径是一致的;②压缩试验和伸长试验之间的差别, 主要在于 施加的方向和中主应力的相对值的影响;③伸长的条件下, 破坏时 的应力比小于压缩时的应力比,而体应变大于压缩时的体应变。 J .H .Atkinson 等 1984 [4 ] 对 London 压实粘土路堤破坏过 程的现场观测结果与相应的室内应力路径模拟试验资料进行了分 析研究,认为浅层滑动土体中的应力相对较小, 引起浅层土体滑动 破坏的主要原因是孔隙水压力的不断增加, 而且实验室测定的破 坏状态与通过野外测定结果反演的破坏状态有良好的吻合性。 向大润1985 [5] 用山西省曲峪坝的坝坡料做了等应力比η的 排水试验研究,认为土的应力应变关系可以适当地归一化。在整 3绪 论 理试验资料过程中比较成功地采用了两种新的拟合函数, 并确立 了广义剪应变εs、 体积应变εv与平均正应力P、 广义剪应力 q , 应力比η的试验关系。 窦宜、 盛树馨、 施艳平1985 [6] [ 7] 对正常固结和超固结粘性土 用不同应力路径进行了压缩和伸长试验, 试验采用人工制备的粘 性土试样,论证了正常固结和轻微超固结粘土的塑性应变增量的 矢量与初始状态无关。以等塑性体应变为硬化参数的屈服条件具 有唯一性,塑性势函数等于屈服函数, 流动法则是相适应的。同 时,压缩和伸长的屈服函数几何相似, 可望通过常规三轴试验和己 知的破坏准则来推求三维应力空间的屈服函数。对于重超固结粘 土试样,用等塑性剪应变为硬化参数的屈服函数代替破坏线的一 般假定,对具有驼峰的应力应变曲线较为合理。 盛树馨等1985 [ 8] 用人工制备的正常固结粘性土进行了平均 有效主应力保持常量和轴向应力保持常量、 围压增大两种应力路 径的伸长试验。试验表明, 正常固结粘土伸长条件下与压缩时的 弹性参数均为常量。塑性应变增量方向与应力路径没有很大关 系,以等塑性体应变为硬化参数的屈服条件具有唯一性。 李作勤1987 [9] 依据其他学者发表文章的一些资料, 通过分 析研究,从性质变化的机理讨论了归一化中的一些问题。 钱寿易、 符圣聪1988 [1 0] 对正常固结饱和粘土的三轴不排水 压缩试验结果进行了分析。分析结果表明, 作者提出的孔隙水压 力公式合理地反映了正常固结饱和粘土的剪胀性。但对于更复杂 的情形还有待进一步研究。 曾国熙、 潘秋元、 胡一峰1988 [11 ] 用杭州友好饭店工地的饱 和软粘土样进行了 4 种不同应力路径等向固结不排水剪CIU试 验,结果表明,归一化初始切线模数Ei与作者提出的应力路径参数 α 1 - Δ σ αΔ σh Δ σ α- Δ σh 1 1 4岩土工程的研究与实践 形成良好的直线关系, 并根据试验结果建立了相应的模量方 程,利用有限元程序对影响基坑性状及工程经济效益的几个重要 因素进行了探讨,得出了一些有实用意义的结论。 徐光明1988 [12] 用应力路径仪对击实粘土做了几种应力路 径试验,认为应力路径对内摩擦角基本上是没有影响的, 利用常规 三轴试验测定内摩擦角是可行的,应力路径对击实粘土变形影响 的趋势是明显的。 Sik Cheung Robert Lo1990 [13 ] 对粒状土进行了等应力增 量比应力路径试验,将罗威 Rowe剪胀方程和剑桥模型的能量方 程联合起来形成一新的方法预测等应力比应力路径试验应力 应 变关系。 陈永福1990 [14] 等对上海地区灰色粘土进行了卸荷 再加荷 三轴试验,提出了估算基坑回弹和全补偿沉降的计算式, 并探讨了 三轴试验条件下土样的卸荷 再加荷变形特性,建立了相应的应力 应变模型。 朱百里等1991 [15] 用粉质粘土进行了不同 K0固结的等 K 应 力路径试验,用以确定修正剑桥模型参数, 用于深基坑开挖分析。 刘国彬等1993 [16] 对上海地区的灰色淤泥质粘土、 灰色淤泥 质粉质粘土和灰色粘土这 3 种软土用应力路径三轴仪进行了卸荷 应力路径试验,重点对软土的卸荷变形特性进行了较深入的研究, 认为软土的应力 应变关系与应力路径密切相关,软土的卸荷应力 应变关系为过 K0固结压力后的双曲线形式, 可以用经适当修正 的邓肯模型表示,其函数表达式如下 σ1-σ3 - σ 1 c-σ3 c ε 1 a b ε 1 1 2 式中σ1c、 σ3c分别为 K0固结时的最大和最小主应力, 其余符号 意义同前。 通过分析,刘国彬发现对于同一类型的应力路径试验, 可以用 5绪 论 平均固结压力归一化,还分析了软土的卸荷模量, 提出了相应的计 算公式。但作者对卸荷模量的定义在理论上有误, 即把常规三轴 条件σ 3 常数下的切线模型定义直接套用到其他等应力增量比 路径,混淆了特殊性与普遍性的辩证关系。另外, 该模型也不够全 面,如不能描述σ1-σ3为定值即等 q应力路径时土体的应力应 变性状等。 林宏达等1994 [17] 利用均向及自动化 K0压密三轴不排水蠕 变试验,探讨了深开挖基坑旁之台北粉质粘土在不同蠕变应力路 径下的不排水蠕变特性。试验按这样 3 种路径进行 ①均向压密 轴向加载蠕变试验; ②均向压密测向减压蠕变试验; ③ K0固结轴 向加载蠕变试验。由试验结果得知, 台北粉质粘土的蠕变相当显 著,且在不同应力路径下较高应力比时[ D σ 3/σ 1 80～90 以上时]皆有可能发生蠕变破坏。在均向压密轴向加载的情况下, 不同超压密比之粘土具有相同的蠕变特征, 且与均向压密侧向减 压的蠕变行为相似,但 K0固结后主体的蠕变特征因初始剪应力的 存在则略有不同。 K0固结后因初始轴向应变量较大, 土体刚度提 高,使得瞬间蠕变量即使是在高应力比情况下也很小, 随着时间的 增加蠕变量才逐渐变大。 潘小青等 1997 [18] 从 有效应力 强度 指标的 唯一 性假设 和 Henkel 孔隙水压力公式出发, 对于三轴固结不排水的压缩和伸长 剪切试验,分别在 4 种不同的应力路径下推导了正常固结饱和粘 土的总应力强度指标 φcu的理论表达式, 如在等σ1和减σ3即等轴 向的三轴压缩试验中,φcu的表达式如下 sinφcu [ 1 2 k 2α 1 k ] sinφ′ 3 1 k 2α- 2sinφ′ 1 3 式中α 、 φ ′ 分别为 Henkel 孔隙水压力系数和有 效内摩 擦角; k 固结阶段应力比, k σ3 0/ σ 1 0 。 6岩土工程的研究与实践 通过对 φcu表达式的比较表明, 不同应力路径下的 φcu有着明 显的差别,作者强调工程中有必要考虑应力路径来测定 φcu。 J .H .ZHU and S .A .Anderson1998 [19 ] 通过对 Hawaiian 典 型滑坡区残积粘土的二种不同应力路径试验, 研究了降雨引起滑 坡的强度参数的确定方法。这两种应力路径试验分别是 ①各向 异性固结不排水三轴压缩试验ACU, anisotropic consolidation undralned ,用以模拟土体现场固结的应力路径;②常剪应力排水 试验CSD,constant shear stress drained ,用以模拟降雨引起滑 坡的最佳破坏大应变应力路径。文中认为, 在上述两种应力路 径试验中土体的性状有着实质性的差别, 常规三轴排水试验得出 的有效应力强度参数比 CSD 路径试验得出的参数要偏大。故偏 于不安全,而 CSD 强度参数最适合于降雨引起滑坡的分析计算。 另外,文中还提出, 对滑坡土体应力历史的了解和其破坏应力路径 的实验室模拟是确定降雨引起滑坡强度参数的必要手段。并通过 典型的 CSD 试验确定了相关土体的有效屈服强度参数和有效大 应变强度参数。 陈存礼1998 [20] 等对加筋土在常规三轴上进行了 3 种不同 应力路径σ 3 C、 P C、 η C的试验研究,结果表明 不同应力路 径对加筋土的应力应变关系及抗剪强度指标 粘聚力 C 值有较大 影响,但对内摩擦角 φ值影响不大。 黄质宏1998 [21] 等通过室内应力路径试验, 分析了红粘土的 力学特性,结果表明 不同应力路径下红粘土的总应力强度指标和 有效应力强度指标都不相同; 不同应力路径对红粘土的变形特征 有较大的影响。 黄英1999 [22] 等用云南某地红粘土, 通过对两种不同应力路 径 3 种不同试验方法的三轴剪切试验成果的分析研究, 指出不同 应力路径对红土的应力 应变 体变曲线有明显影响, 应力 应变 体变曲线出现特殊现象,有待于进一步研究。 7绪 论 Charles W .W .Ng吴宏伟,1999 [ 23] 对一个 10 米深基坑中档 土墙前后的硬质裂隙粘土在开挖过程中的总应力和有效应力变化 进行了分析讨论。他首先在适当的应力水平下模拟现场水平和垂 直应力的释放过程做了一些相关的三轴应力路径试验, 并把现场 实测应力路径与室内试验进行了比较。结果表明 挡墙前土体中 的实测有效应力路径与实验室不排水拉伸试验应力路径相似; 而 对于挡墙后土体,除了应力状态接近主动破坏情况外, 实测应力路 径与实验室不排水压缩试验结果的对应性并不太好。因此, 在硬 质粘土中的相对快速开挖条件下,习用的不排水路径假设似乎不 适合于紧挨着挡墙后的主体。 黄英2000 [24] 等用平均主应力作为归一化应力, 对红土在两 种不同应力路径下三轴排水试验的应力 应变 体变关系进行归一 性分析研究表明, 在 100～400kPa 的固结压力下, 红土的归一化 程度较低,不能求得唯一的归一化曲线, 固结压力越低, 归一性越 差;随压力增大, 归一性增强。偏应力 剪应变的归一性高于偏应 力 体应变的归一性;对偏应力 剪应变关系,σ 3 C 应力路径的归 一性高于 P C 应力路径的归一性; 对偏应力 体应变关系, P C 应力路径的归一性稍优于σ3 C应力路径的归一性。各归一化曲 线及对应的归一化参数都受应力路径和固结压力的影响, 归一化 参数与应力路径之间具有较好的线性相关关系。 张荣堂2000 [25] 对汉口的黄色和深灰色淤泥质亚粘土做了 减 P 应力路径试验, 在试验数据的基础上建立了减 P 路径下饱和 粘性土的简化本构方程, 认为软粘土的应力轴应变关系可用以下 的归一化双曲线关系来表示 ε 1 A B ε 1 R R - R0 M - R0 1 4 式中 R 强度发挥度。 推导给出了定应力增量比试验路径下弹性参数 Et、 Vt的普遍 8岩土工程的研究与实践 表达式。认为减 P 应力路径下土体的切线模量比增 P 应力路径下 的切线模量大得多。因此,用加载试验得出的变形参数及结论来计 算基坑开挖等卸荷工程问题不尽合理。 高某某2002 [26] 对武汉某深基坑工程的粉质粘土进行了大 量的 K0固结不排水三轴试验。在试验数据的基础上提出了活超 载的概念,在其影响范围内基坑土体的性状非常复杂, 随应力路径 的变化,其性状可出现类似介于常规试验与主动区卸荷试验的表 现。推导了基坑土体卸荷切线模量计算公式, 并根据试验数据对 Ei取值进行拟合,得到如下公式 压缩式样 Ei 1 .01σr 34 .5115 伸长式样 Ei 1 .22σr 64 .316 与工程对比表明,采用卸荷理论进行计算的结果更接近实测 数据。 1 .2 .2 砂性土应力路径试验研究 孙岳崧等1987 [27] 对承德中密砂进行了 6 种不同应力路径 和应力历史的三轴试验①在等向固结条件下,σ3等于常数的固结 排水三轴压缩试验; ②等向固结条件下, 平均主应力 P 为常数的 固结排水三轴压缩试验; ③不固结、 排水、 等主应力比的三轴压缩 试验;④K0固结、 σ3不变、 增加 σ 1的剪切试验 ⑤等向固结、 围压不 变、 减少垂直压力的伸长试验; ⑥固结不排水三轴压缩试验。认为 不同应力路径对砂土的应力 应变关系有较大的影响。不同应大 路径试验的应力 应变关系曲线可具有完全不同的线型,且这些应 力 应变关系曲线不能完全归一化。因此要想有统一的数学模型 来拟合他们就比较困难。而在实际工程中常见的等主应力比应为 路径与常规三轴压缩试验应力路径相差最大, 值得进一步研究。 在处理实际工程问题时,应搞清其应力路径及应力状态, 尽可能利 用与实际应力路径相接近的路径做试验求得参数。K0固结试验 9绪 论 和其他几种试验相比,应力 应变关系也有较大的差异, 而 K0固结 条件更接近于工程实际情况, 所以应力历史的影响也是不可忽视 的。不同应力路径和不同应力历史对砂土的抗剪强度指标φ的影 响不大。5 种应力路径的抗剪强度指标 φ值相差 1 左右。 Y .P .Vaid1990 [2 8] 等对加拿大渥太华的易液化砂土进行了 一系列三轴不排水试验, 以研究其应力路径和稳定状态的关系。 研究表明,对于某一给定初始空隙比的砂土, 虽然在有效应力坐标 空间上 p’- q’ 其稳定状态线是唯一的, 但在空隙比一有效应力 坐标空间上e - σ ’ 3则不是唯一的。砂土在拉伸状态下的可压密 孔隙比范围比在压缩状态下要大得多。对于压缩荷载只产生一条 稳定状态线,而对于拉伸荷载则有数条稳定状态线, 且每一条稳定 线对应于一个已知的初始孔隙比,在孔隙比一有效应力坐标空间 中所有拉伸稳定线位于压缩稳定线的左侧。 武汉水利电力大学的有关科研人员,在刘祖德、 陆士强教授等 的带领下近年来作了大量的土体应力路径实验分析研究工作, 提 出了一类适合于等应力比路径的非线性类指数模型, 并对应力路 径的影响、 应力路径上应力应变关系的各种特征和大小主应力易 向对应变的影响等都作了深入的研究。 刘祖德、 陆士强、 杨大林、 李柏乔1982 [2 9] 对小浪底砂、 平潭 砂做了常规三轴等σ 3、 等 p、 等σ1减σ3和等主应力比σ1/ σ3为 常数的排水试验, 对小浪底低塑性非饱和粘土也按上述 4 种方法 做了不排水试验。并针对土坝实际应力变化情况, 着重探讨了等 应力比应力路径下土的应力 应变关系的规律性,提出了较接近于 等应力比试验实测成果的指数模型, 并用之于研究主坝的施工期 的应力及变位分布,得出了应力路径对土坝变位分布计算成果有 重大影响的结论。其指数模型表达式为 σ 1 a ε b 1 1 7 式中σ 1、 ε1 分别为大主应力和大主应变; 01岩土工程的研究与实践 a、 b 试验参数。 陆士强1989 [30] 从应力历史和应力路径的观点出发, 在大量 砂土排水试验的基础上, 建立了一种描述砂土应力应变和体积变 化的方法。根据一种应力应变双曲线关系的改进形式, 对等围压 条件下轴向压缩和轴向拉伸两类试验的应力应变双曲线关系随固 结路径的变化规律进行了讨论。所建立的侧向应变与轴向应变间 的关系能够对三轮试验中的体积变化进行符合试验情况的描述。 杜文山1992 [31] 对平潭砂在各种等应力比、 常规三轴、 等 P 和减项等不同应力路径下的三轴排水试验进行了分析研究, 讨论 了应力路径对砂土非线性弹性模型参数的影响, 认为应力增量比 Δ σ 1/ Δ σ3大于破坏应力比σ1f/ Δ σ3f时, 是以剪切特性为主的应 力路径,其应力应变关系为双曲线 应力比Δ σ1/ Δ σ3小于破坏应 力比σ 1f/ Δ σ3f时, 是以压缩特性为主的应力路径, 其应力应变关 系为幂函数曲线即式 1 7 , 并建立了这两种模型切线弹性模量 的互推经验关系,且认为应力路径对切线弹性模量的影响显著。 李柏乔、 杜 文山 1992 [3 2] [ 33] 对平 潭 砂等 应 力 路径 依 赖 性 Stress Path DePendent材料的应力应变关系进行了研究, 试图 建立统一的本构模型。考虑到不同应力路径下土体具有不同的本 构描述如上述双曲线函数和幂函数 , 要将它们用统一的函数关 系来描述比较困难,另外,在用有限元计算应力或应变时, 若用非 线性弹性模型, 只需在不同应力状态下采用不同的弹性参数如 E、 μ , 因此可以用某一个基本应力路径下的非线性弹性模型为基 础可取较接近实际土体的等应力比路径下的幂函数模型 , 用它 计算出某点应力状态下的弹性参数, 然后可通过构造一个总的修 正围数来修正弹性参数, 以考虑其他应力路径的影响。通过对任 一应力路径的应变值的计算分析,用这一方法推算的结果比用双 曲线模型或幂函数模型推算的结果更接近实测值。 刘祖德1993 [34] 等结合鄂北岗地膨胀土渠道滑坡整治, 在室 11绪 论 内用原状土样进行了平面应变卸荷试验, 目的在于模拟渠道开挖 即解除侧向压力过程, 探讨膨胀土的平面卸荷变形性状。结果 表明切线泊松比μt比全量泊松比μ更能反映荷载卸除各阶段土 的剪缩剪胀规律,而且在增量线性模型的有限元法中更能代表增量 荷载下的体变规律,泊松比μt,μ随侧向压力的卸除,从起始值 1 .0 逐渐减小到 0 .5,再减到小于 0 .5,即土的体积由剪缩过渡到剪胀。 中国科学院武汉岩土力学研究所陈守义等着重对减平均应力 路径条件 下土体 的应力 应变 性状进 行了 试验研 究。陈守义 等 1993 [35] 将加荷情况根据Δp 和Δq 的不同增减组合分为 4 类, 进 行了大量的应力路径试验, 在此基础上提出了一个可考虑应力路 径依赖性的 KG 模型,其表达式为 d εv 1 Kp dp 1 Kq dq18 d εs 1 Gp d p 1 Gq dq19 式中 Kp 压缩模量; Kq 剪胀模量; Gp 压斜模量; Gq 剪切模量。 对于上述模型,陈守义根据 4 类加荷情况的应力路径实验对 比分析,整理出了归一化的应力应变关系, 推导了上述 4 个模量的 函数表达式,并分析各模量随应力路径的变化规律。研究发现平 均主应力 P 增大情况下, Kp与 Gp的变化规律相似, 都可以近似 为 P 的线性函数。在平均主应力 P 减小情况下,模量函数随应力 比 R 水平的大小呈现出不同的变化规律。鉴于平均主应力 P 增 大和 P 减小 2 种情况下模量函数变化规律明显有异, 陈守义将加 荷情况分为 P 增大 P 减小 2 种情况, 并强调应加强减 P 应力条件 下主体的应力应变性状研究。 21岩土工程的研究与实践 邱金营1995 [36] 对三峡风化砂进行了两种类型的平面应变 试验①等应力比路径, 包括 K0固结路径; ②K0固结后不同的压 缩试验路径。结果表明 等应力比路径上的应力应变符合幂函数 关系; K0固结后的常规平面应变压缩试验可用双曲线应力应变关 系描述,初始剪切模量与固结应力符合幂函数规律; 切线泊松比可 视为一个常数。 杨从军等1999 [37] 对平潭砂土进行了减 P 路径下的应力应 变性状试验研究,提出了一个主体的双屈服面模型, 该模型在一定 程度上反映了土体从压缩到膨胀的复杂变化性状, 适合于与破坏 线相交的应力路径,特别是减平均应力路径。 徐志伟1999 [38] 保持小主应力、 中主应力不变, 在大主应力 方向加荷是实际工程中可能存在的一种应力路径, 该应力路径分 别对粉砂、 细砂和中砂进行了几组真三轴试验, 针对中砂的真三轴 试验结果,对其应力 应变关系及反映侧向变形变化规律的泊松比 进行了特定条件下的研究,结果表明, 在特定的应力路径下排水剪 切,小主应力方向膨胀, 泊松比可以大于 0 .5 甚至大于 1, 中主应 力方向首先压缩,之后膨胀, 泊松比可以小于 0, 这是现代土力学 和有限元分析中不曾考虑的现象和结果。 1 .2 .3 考虑应力路径影响的其他研究成果 刘九功1995 [39] 简单回顾了应力路径分析的研究历史, 阐述 了总应力路径和有效应力路径的关系、 功用和方法。并以常见的 岩土工程问题为例进行分析, 得出土的应力 应变依赖于应力路 径,应力路径的分析将推动岩土工程学科向前发展的结论。 徐日庆1995 [40] 等综合了一些学者的研究成果, 针对土的两 个重要性质 非线性和应力路径, 建立了非线性弹性应力应变 本构关系,并推导了等增量应力比条件下的切线模量表达式。通 过试验验证,分析了模型的适用性。 31绪 论 梁军1996 [41] 通过平均主应力 P 常数及围压力 σ 3 常数 的应力路径试验,证明了堆石料的抗剪强度与所选的应力路径基 本无关,由此, 比较了σ 3保持常数的一个试样一级加荷单级与 一个试样多级加荷多级三轴试验的异同点, 认为可以将多级加 荷试验作为一种应力路径以求取堆石料的抗剪强度。多级三轴试 验可分为连续与不连续加荷两种方式, 前者适合于不固结类的三 轴试验,可基本参照土工试验规程进行; 后者适合于固结类的三轴 试验,同时应考虑固结而产生的应力应变滞回圈和不等向固结应 力对抗剪强度指标的影响。结果表明,这种考虑是十分必要的。 卢廷浩1996 [42] 等介绍了宽级配砾石土的几种应力路径试 验结果,分析了该土料的变形特征, 讨论了目前土的本构模型理 论,邓肯非线性模型和修正椭圆抛物双屈服面模型模拟应力路径 转析的计算结果表明,它们可用于宽级配砾石土的应力变形计算。 周正茂1997 [43] 等充分考虑土体随应力路径变化而不同的 变化规律,推导出新的变形模量和泊松比的变化及土体沉降的计 算方法,为地基沉降计算提供了一条新思路。 胡德金1998 [44] 等结合粉煤灰提出的土的本构模型主要考 虑了土体应变软化、 剪胀剪缩性及应力路径影响。根据残余强 度与小应变强度关系理论, 引入剪切