主应力轴旋转下黄土的力学特性及本构模型

第1章 绪 论 1.1 研 究 背 景 随着西部大开发战略和“一带一路”倡议的实施，为满足西部经济发展和加强东西部交流合作的需要，西部地区交通网建设得到前所未有的重视。而在我国西部地区，尤其是西北地区，结构性黄土的覆盖面积超过60×104km2，横跨甘肃、宁夏、陕西、山西、青海、内蒙古和河南等省(自治区)。黄土分布区域能源、矿产资源丰富，承担着向东部输送资源的重任，修建有众多的交通要道。西部地区广泛分布的黄土主要为早更新世和中更新世黄土，是一种具有较强的结构性、欠压密性和显著各向异性的特殊土，且黄土地区交通基础设施服役环境恶劣，超载现象严重，超设计流量现象普遍，同时荷载强度大、频次高，从而导致在长期的高速交通荷载循环作用下，黄土地基产生较大的累计沉降。例如，包兰铁路K915+980～K916+150区段黄土路基在运营近60年后累计下沉1.5m，给线路维修和养护带来很大困难，同时对行车安全和铁路正常运营也产生了一定影响[1]；兰新客专线路采用无砟轨道，横跨甘肃、青海、新疆3个省(自治区)，全长1776km，开通后，军马场—张掖西K2029+000～K2078+000段黄土路基多处产生不均匀沉降，*大沉降量达47.84mm，现仍以3～5mm/a的速度沉降，给铁路运输带来很大的安全隐患[2]；此外，宝兰高速铁路、天定高速公路、兰海高速公路、临离高速公路等在运营的过程中黄土路基段均出现了路基下陷、沉降较大等工程病害，严重威胁正常的运营[3]。对高速交通荷载下黄土动力特性认识不足是导致地基沉降过大的主要原因之一。 目前，国内外学者对交通荷载作用下黄土动力特性和沉降进行了大量的室内试验及理论研究，但仍存在诸多不足。黄土路基在交通荷载作用下，其应力路径是十分复杂的。交通荷载引起的振动荷载是一种特殊的荷载，既不同于静荷载，也不同于短期的地震荷载，而是长时间往复施加的循环荷载，尤其是高速交通荷载，循环频次更高。由于交通荷载作用强度远低于黄土的静力剪切强度，结构性黄土经过几十万次甚至上百万次循环荷载作用后，可能产生的工程问题是沉降过大而非突然破坏。此外，交通荷载的作用方式十分复杂，不是简单的竖向循环加载，表现为三个主应力幅值循环变化并伴随着主应力轴连续旋转，如图1.1所示。部分学者使用常规恒定围压振动三轴仪进行试验，该类研究只能对轴力进行循环变化加载，中小主应力需保持恒定，并且在加载过程中无法改变主应力轴方向；部分学者则使用变围压振动三轴仪进行试验，该类研究可以同时改变大主应力和中小主应力，且变化幅值和相位差均可以人为控制，可以实现较为复杂的应力路径，但仍无法实现主应力轴旋转；部分学者使用动真三轴仪进行试验，该类研究可以同时独立改变大、中、小主应力的幅值，但这三个主应力的方向只能进行突变式正交换位，无法实现主应力方向角的连续变化。 图1.1 交通荷载作用下土体单元受力图 由此可见，传统试验方法无法准确模拟黄土地基在交通荷载作用下土体单元所受到的真实应力路径，无法反映主应力轴旋转、中主应力比变化和循环球应力等复杂应力条件对土体的影响。 交通荷载长期循环作用造成的土体主应力轴连续旋转会引起黄土地基土体应变累积，强度降低，进而引起交通设施发生过大变形和失稳等灾变，造成巨大的经济损失和极坏的社会影响，威胁车辆运行及人民生命财产安全。因此，为了提升我国西部地区交通基础设施的长期服役性能，迫切需要发展有效的黄土地基工后沉降预测及灾变控制技术。开展基于交通荷载复杂应力路径的结构性黄土力学特性研究是解决这一问题的关键所在。 目前对复杂应力路径下土体变形和破坏的研究对象主要集中在砂土、粉土和软黏土，对西部地区黄土在交通荷载引发的主应力轴旋转的应力路径下的变形和破坏的试验与理论研究极少。与砂土、粉土和软黏土相比，西部地区黄土具有较强的结构性、欠压密性及较强的各向异性。随着“十四五”期间西部地区高速交通网的兴建，我国高速交通基础设施工程将面临大量黄土路基在高速交通荷载长期循环作用下发生过大变形和失稳等灾变问题。因此，深入认识交通荷载引发主应力轴旋转路径下黄土地基土应力状态和应力路径，揭示高速交通荷载引发主应力轴旋转的结构性黄土的变形机理，建立其本构模型，对我国西部及“一带一路”倡仪中“丝绸之路经济带”沿线国家的结构性黄土路基在高速交通荷载长期循环作用下变形评价及安全性控制等方面具有重要的工程意义和应用前景。 1.2 国内外研究现状及分析 1.2.1 主应力轴旋转试验研究现状 交通路基工程是具有复杂边界条件的多维问题，在交通荷载循环作用下会引起地基土体内单元体上主应力轴的循环连续旋转。因此，在进行土体基本力学性质试验时需要考虑主应力轴方向的变化对土体强度和变形的影响。在过去的三十多年内，随着可以实现主应力轴连续旋转的空心圆柱扭剪仪(hollow cylinder apparatus，HCA)等试验仪器的不断开发和改进[7-16]，国内外研究者广泛开展了主应力轴旋转对土体强度和变形特性影响的试验研究。 在砂土研究方面，通过主应力轴定向剪切试验发现，主应力轴的单向旋转对原生各向异性土体材料的强度具有重要影响，Lade等[17]指出，承受主应力轴旋转的不排水黏土试样仍然可以保持原生各向异性的总体强度特征，即垂直于沉积面方向(?=0°)的剪切强度*大。Yoshimine等[18]利用空心圆柱扭剪仪对不同密度、不同平均应力下的砂土进行固定角度的单调剪切试验，试验中主要考虑主应力方向角(?)、中主应力比(b)和相对密度对砂土强度和变形的影响。试验结果发现较大的中主应力和主应力方向角都可以产生较大的超孔隙水压力，同时指出，相对于三轴压缩应力路径，三轴拉伸条件下的砂土试样会产生较明显的应变软化特征。Uthayakumar 等[19]利用空心圆柱扭剪仪对不同砂土开展了一系列不同主应力方向角的单调剪切试验，试验表明主应力方向角对砂土强度和变形产生较大影响，并且不同种类的砂土其硬化和软化程度不同。Symes等[20]对重塑Ham River砂进行了不排水条件下的扭剪试验，研究发现，在保持剪应力不变的情况下，主应力轴正向旋转与逆向旋转下产生孔压的特征有显著区别。Ishihara 等[21]釆用日本Toyoura砂进行了不排水条件下剪应力值保持不变的主应力轴循环旋转试验，结果也表明与三轴循环剪切试验相比，主应力轴旋转下孔压的产生速率明显加快。Wong等[22]则指出主应力轴循环旋转加剧了孔压的产生，使得土体的回弹模量有所降低。熊焕等[23]利用空心圆柱扭剪仪对饱和砂土进行了一系列定轴剪切试验、主应力轴旋转试验以及组合加载试验，指出不同应力路径下应力-应变非共轴都会引起剪胀曲线偏离Rowe直线，通过Gutiereez提出的考虑非共轴因子的修正剪胀方程可以修正非共轴引起的偏差，从而使Rowe剪胀方程适用于主应力轴旋转等更加复杂的加载条件。Yang等[24]利用空心扭剪系统实现了中主应力比保持不变的主应力轴旋转试验，发现即使广义剪应力保持不变，主应力轴旋转也会造成孔压的累积和应变的发展，甚至会导致液化的产生。Tong等[25]开展了与Yang等类似的试验，对主应力轴旋转下试样的应变分量和体积应变随循环次数的演化进行了研究。蔡燕燕等[26]采用空心圆柱扭剪仪进行了一系列排水试验，发现砂土的变形随着主应力轴的旋转而累加，并表现出显著的非共轴特性。 在黏土研究方面，沈扬等[27]采用空心圆柱系统对主应力轴连续旋转条件下杭州典型原状黏土进行研究，发现主应力轴旋转会引起土中孔压累积，累积程度受主应力轴转幅及旋转时剪应力幅值支配。邓鹏等[28]进行了原状软黏土平均主应力和中主应力比不变时的固结不排水主应力轴旋转试验，探讨了剪应力变化、初始剪应力水平高低及主应力轴正向和逆向旋转对孔压发展的影响。姚兆明等[29]通过对饱和软黏土进行恒定主应力轴偏转角动态空心圆柱循环加载及静力剪切试验，探讨了恒定主应力轴偏转角下饱和软黏土循环累积变形规律，在考虑主应力轴偏转角对饱和软黏土不排水抗剪强度影响的前提下验证了显式模型的合理性。钱建固等[30]、杨彦豪等[31]和柳艳华等[32]采用空心圆柱扭剪仪对原状饱和软黏土进行了主应力轴旋转应力路径的循环不排水试验，探讨了中主应力比及广义剪应力对变形刚度以及非共轴特性的影响规律。严佳佳等[33]采用空心圆柱扭剪仪对原状(重塑)软黏土进行了不排水条件下的主应力轴旋转试验，研究了中主应力比对原状软黏土在主应力轴旋转条件下的孔压和变形特性的影响，基于试验结果对主应力轴旋转的影响机理进行了分析。 以上两部分均从静力试验的角度研究主应力旋转对土体基本性质的影响，在实际工程中大部分荷载以循环动荷载形式出现，尤其是交通荷载，因此讨论试样在循环扭剪荷载下的性质更加接近于工程实际条件，主应力轴循环旋转试验的开展是非常有必要的，一些学者已经开展了此类试验[34-46]，得到了有益的试验成果。Grabe等[38]开展了偏应力空间中主应力轴心形线旋转、圆形旋转与定向剪切等三类主应力方向变化路径试验，研究了饱和软黏土在交通荷载下的长期动力特性。周正龙等[47]、肖军华等[48]也指出主应力轴旋转对土体的动力特性有着显著影响。Zhou 等[49]对主应力轴旋转条件下黏土塑性应变增量方向的规律和内在机理及影响因素进行分析。严佳佳等[50]采用空心圆柱扭剪仪对原状软黏土进行了不排水条件下的主应力轴旋转试验，重点研究了中主应力比对原状软黏土在主应力轴旋转条件下的孔压和变形特性的影响，基于试验结果对主应力轴旋转的影响机理进行了分析。聂影等[51]利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪进行了耦合循环剪切试验，得到的竖向分量动弹性模量和扭转分量动剪切模量的发展趋势与常规动力特性试验的动模量发展趋势基本一致。而Grabe[52]、Ishikawa等[53]和Cai等[54]研究发现，交通荷载应力路径涉及的主应力旋转会加速横向应变累积并减弱竖向回弹模量。王鑫等[55]以南京河西典型重塑软黏土为对象开展了数组不同振动频率f和动应力比的不排水空心扭剪试验。根据不同动应力比条件下土体变形随振动频率的变化规律，提出一种适用于列车荷载下考虑振动频率影响的重塑软黏土破坏评价方法。熊焕等[56]利用动态空心圆柱仪对K0固结下饱和砂土进行了一系列“苹果型”动力循环应力路径及普通动力循环应力路径试验，指出交通荷载应力路径引起的主应力轴连续旋转会加速竖向永久变形的累积，并对竖向回弹模量具有软化作用，而且随着循环应力比的增大，两种应力路径下的变形差异更加明显。 综上所述，目前主应力轴旋转的问题已经引起岩土工程研究领域国内外学者的广泛关注，尤其是对我国东部沿海地区的砂土及软黏土进行了大量的主应力轴旋转应力路径下的试验研究，获得了较为丰富的研究成果，为交通工程的建设提供了重要的理论支撑。但对我国西部黄土高原区特殊的黄土在交通荷载引发的主应力轴旋转应力路径下的试验研究几乎未涉及。目前，我国西部地区黄土力学特性的研究成果主要集中于静力特性试验及相关理论，部分学者采用动三轴试验模拟交通荷载的作用[57]获得一些研究成果，但没有考虑主应力轴的旋转。随着“十四五”期间西部地区高速交通网的兴建，我国高速交通工程将面临大量黄土地基在高速交通荷载作用下的变形控制等问题，迫切需要开展基于高速交通荷载引发主应力轴旋转的结构性黄土变形特性及其计算理论研究。 1.2.2 各向异性强度准则研究现状 强度准则(理论)是岩土工程中一个重要的研究课题[58-61]，它描述的是岩土体的破坏条件，即岩土体对外力的承受能力。强度准则研究的目的首先是用来校核岩土体材料在各种复杂应力条件下是否破坏；其次，强度准则(或屈服准则)是弹塑性本构模型的基础，运用不同的屈服函数将会给计算结果造成较大的计算误差。因此，必须根据材料的特定属性确定其适用的强度准则。 1. 各向同性强度准则 在过去的几十年中，学者