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深基坑工程土体各向异性及其影响

309 2021-08-18 10:36:37


天然软黏土由于其沉积历史和一维固结过程一般都具有各向异性,而随后的应力和塑性变形也会改变土体的各向异性特性。土的各向异性作为土体的一个重要特性,对许多实际土工问题都有重要影响,而由于应力应变改变所引起的各向异性对土体应力应变特性的影响是一个重要的因素。这种应力诱导各向异性在许多土体工程中都普遍存在∶如土石坝蓄水阶段,路堤填筑阶段,路堑开挖阶段,深基坑开挖与支护,隧道的开挖等工程中,都存在这种因为应力状态改变而导致十体各向异性的现象,忽略了各向异性的影响将可能无法保证计算结果的准确性,无疑如何正确地反映这种应力各向异性的影响,尝试突破现有传统理论中各向同性假设所带来的实践和理论上的限制,建立能够反映这种特性的士体本构模型,对于土体本构关系的研究具有重要的理论意义,同时对于解决工程实际问题提供准确的预测信息,对岩土工程实践有相当重要的指导意义。

2. 3.1土体各向异性的认识及研究现状

各向异性是指作为工程材料的土,在不同方向上的力学参数、结构特性及应力应变并系的不同。-一般来说,土的各向异性按其成因可分为两类;

(1)固有各向异性(inherent anisotropy)。主要由于颗粒在沉积过程中水平向以及垂直方向排列不同造成。

早期的研究采用的方法是采集原状土样,然后切取与沉积方向成不同倾角的圆柱或立

方试样。在常规三轴仪或平面应变仪中进行剪切实验。后来大多采用空心圆柱扭剪仪来实现主应力方向与沉积方向的夹角的变化。

检验初始各向异性的最简单试验是各向等压试验。在对土样进行各向等压试验时,经常发现轴向应变小于1/3 体应变,即ε,= (0.17~0.22)e,这表明竖直方向比水平方向的压缩性小。

(2)应力诱发各向异性(stress-induced anisotropy)。主要由于土体在各个方向上所受的应力的不同,从而导致土颗粒在空间排列上的不同。例如土体天然固结状态为 K。固结状态而不是各向等压状态,固结结束后就会产生各向异性。外界荷载的变化也有可能导致颗粒的重新排列,形成了一种与前不同的各向异性的微观结构,而这种结构的变化将影响土进一步加载的应力应变关系,从而使土体的各向异性发生变化。

二者产生的原因都和导致最终状态的应力作用有关,但前者所受作用力比较单一,同时包括其他非荷载因素的影响;而后者随考虑的应力状态和工作状态的不同而异,包含的内容更加丰富。

图 2-28 中表示的是正常固结黏土的一种三轴试验。首先试样被等比固结到 A 点,然后在 5个不同方向上施加相同的应力增量,量测出相应的应变增量。试验结果表明不同方向上的应力增量引起的应变增量的方向和大小都不同,初始不等向固结引起的各向异性是造成这种情况的主要原因;例如,沿原应力路径(④加载产生的应变路径与原固结的应力路径及应力增量方向一致,而其他应力路径则不然。

两类各向异性存在本质的区别。固有各向异性是物性参数,是对土体材料特性的描述;而应力诱发各向异性则不然,更多的是由于不同方向应力的不同而使得变形规律的不同,虽然其表现形式也是在不同方向的力学参数的差异,但重要的是这种差异是随应力状态的改变而不断变化的。


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除了以上两种由于微观结构的各向异性导致土体宏观力学行为的各向异性外,有些学者也将土体在中主应力比的变化下所表现除的不同特性当做一种各向异性,对于土的各向异性的研究工作主要集中在以下几个方面;

(1)固有各向异性的研究。早期的研究采用的方法是采集原状土样,然后切取与沉积方向成不同倾角的圆柱或立方试样,在常规三轴仪或平面应变仪中进行剪切试验,后来大多用空心圆柱扭剪仪来实现主应力方向与沉积方向的夹角的变化。

(2) 初始应力诱发的各向异性的研究。这方面的研究主要集中在初始旋转屈服面的形状方面。研究方法是对一在历史上受到过不等向固结的土样按照进行不同应力路径方向的实验,从而绘出初始旋转屈服面的形状。

(3)应力变化诱发的各向异性的研究,这方面的研究主要集中在三轴剪切实验中土的微观结构变化的研究以及后继旋转屈服面形状的研究。

(4)各向异性破坏准则的研究。

(5)真三维应力下土的特性研究,这方面的研究主要是通过真三轴仪研究中主应力对于土体变形和强度的影响,包括在x平面上的破坏形状研究,严格地讲,这方面的研究与土的结构各向异性无关,只是属于广义的各向异性的范畴。