考虑侧向变形的各向异性砂土土压力试验研究

第28卷第9期岩石力学与工程学报Vol.28No.92009年9月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringSept.，2009收稿日期：2009–02–22；修回日期：2009–05–02基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2007CB714108)；高等学校博士学科点专项科研基金项目(20070003086)作者简介：宋飞(1980–)，男，2009年于清华大学土木工程专业获博士学位，主要从事岩土工程方面的研究工作。E-mail：[e-mail]考虑侧向变形的各向异性砂土土压力试验研究宋飞1，2，张建民1，2(1.清华大学岩土工程研究所，北京100084；2.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084)摘要：基于各向异性砂土在不同常应变增量比条件下的应变路径试验研究土压力系数与侧向应变约束条件之间的密切关系，并且进行各向异性砂土的土压力离心模型试验，验证材料试验的规律，分析比较大主应力与沉积面夹角不同时填土的土压力及位移场随挡墙位移变化规律的异同。研究结果表明，大主应力分别垂直和平行于沉积面的2种情况下，K0状态附近的滑动区域差别较小，土压力大小差别较小。随着挡墙位移的增大，2种情况下填土形成的滑楔体大小和土压力大小的差异明显增大，大主应力垂直于沉积面时填土中形成的滑楔体尺寸较小，土压力也相对较小。试验结果表明，与各向同性的情形相比，各向异性使静止状态的土压力增大，对极限状态影响较小，表明压缩变形各向异性明显比强度各向异性影响要大。关键词：土力学；土压力；各向异性；侧向位移；等应变增量比；离心模型试验中图分类号：TU43文献标识码：A文章编号：1000–6915(2009)09–1884–12EXPERIMENTALSTUDYOFEARTHPRESSUREFORANISOTROPICSANDCONSIDERINGLATERALDISPLACEMENTSONGFei1，2，ZHANGJianmin1，2(1.InstituteofGeotechnicalEngineering，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China；2.StateKeyLaboratoryofHydrosciencesandEngineering，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China)Abstract：Strongdependenceofearthpressurecoefficientonlateralstrainconstraintisinvestigatedbystrainpathtestsofanisotropicsandunderdifferentconstantstrainincrementratios.Inaddition，centrifugemodeltestsforearthpressureareconductedtovertifytherulesofmaterialtest.Onthebasisofcentrifugemodeltestresults，variationofearthpressureanddisplacementfieldofthebackfillwithwallmovementiscomparedandanalyzedforanisotropicsoilwithdifferentparticleorientations.Itisshownthatforthetwocasesinwhichthemaximumprincipalstressactsperpendiculartoandparallelwiththebeddingplane，thedifferenceoftheslidingmassandtheearthpressureissmallwhenthebackfillisneartheK0state.Whileitbecomeslargerwiththeincreaseofwallmovement.Theslidingmassandtheearthpressurearerelativelysmallerwhenthemaximumprincipalstressisperpendiculartothebeddingplane.Incomparisonwiththeisotropiccase，anisotropycanincreasetheearthpressureatrest；butithaslittleeffectontheearthpressureatthelimitstate，indicatingthattheeffectofcompressionanisotropyisobviouslystrongerthanthatofstrengthanisotropy.Keywords：soilmechanics；earthpressure；anisotropy；lateraldisplacement；constantstrainincrementratios；centrifugemodeltest第28卷第9期宋飞，等.考虑侧向变形的各向异性砂土土压力试验研究•1885•1引言土压力是建筑物基础边墙、挡土墙、护岸、桥梁桥台、地下结构等挡土类结构物设计中的一个重要荷载，它的评价是挡土类结构物设计中一个不可缺少的重要项目。土压力问题是土力学和岩土工程领域的基本研究课题之一。经典的朗肯和库仑土压力理论因其概念明确和方法简便，在工程实践中得到了广泛应用，但是这2个经典理论只能计算主动和被动2个极限状态下的土压力。然而，K.Terzaghi等[1～4]的土压力模型试验结果表明，墙后填土的土压力大小和分布与挡墙的位移量及位移模式有密切关系。实际工程中使得墙后填土达到主动和被动极限状态的墙体位移量常常不会发生，墙后填土通常处于主动和被动之间的非极限状态。为此不少学者进行了探索，提出了一些考虑填土侧向变形的非极限状态下的土压力计算方法。M.E.Harr等[5，6]假定起动土的内摩擦角和墙背摩擦角随着墙的位移线性变化，用线性差值的方法给出了静止状态和主动状态之间土的内摩擦角和墙背摩擦角随墙体位移变化的关系，并基于库仑滑楔理论给出了墙体转动的变位模式下挡土结构上作用的侧向压力。M.F.Chang等[7～9]基于Y.S.Fang和I.Ishibashi[3]的土压力模型试验结果，用曲线拟合的方法给出了填土强度和墙背摩擦角随挡墙位移变化的计算公式，在此基础上推广了库仑理论和水平层分析法，得到了考虑位移影响的土压力计算方法。梅国雄等[10，11]将土压力随挡土墙位移的关系曲线用函数拟和，得到考虑位移效应的土压力计算公式，进而求解了考虑位移效应的非极限状态下的土压力。杨斌等[12，13]基于一定数量的室内模型试验和应力路径控制的三轴试验研究，将土体的本构关系与土压力的计算方法相结合，提出了考虑挡土结构侧向位移的侧土压力简化计算方法。此类方法具有一定的试验基础，但土体本构关系的合理性和参数的选取仍有待于大量的试验研究和工程实测的进一步检验。J.M.Zhang等[14，15]在沿不同常应变增量比路径三轴加载试验的基础上得到了依赖于应变增量比的土压力系数，从而提出了一种可以解决任意边界应变约束条件下的土压力计算方法。该方法有明确的理论基础，物理概念清楚，数学模型简单，但该方法没有考虑砂土的各向异性对于土压力系数的影响。实际工程中墙后填土由于碾压而具有不同程度的各向异性。J.R.F.Arthur等[16～21]的三轴试验、平面应变试验、等向压缩试验和真三轴试验结果均表明砂土的应力–应变响应具有各向异性的性质。本文制备了竖向加载方向分别垂直于和平行于沉积面的各向异性砂土试样，基于不同常应变增量比(侧向应变与轴向应变增量的比，记为Rra/)条件下各向异性砂土的应变路径试验结果研究了各向异性砂土的土压力系数随侧向应变约束条件变化的关系，探索了各向异性砂土土压力形成的物理机制。并且进行了大主应力分别垂直和平行于沉积面的土压力离心模型试验，通过离心模型试验的结果分析比较了大主应力方向与沉积面夹角不同时填土的土压力及位移场随挡墙位移的变化规律的异同，验证了材料单元试验的规律，并进一步研究了土压力形成的物理机制。2材料试验及其规律J.M.Zhang等[14]认为，挡墙位移实质上是导致了墙后填土的应变约束条件发生了变化，从而引起填土强度的发挥程度和土压力系数的变化，基于这样的认识，他们采用土单元体的应变增量比来表述土的应变约束条件，其研究结果表明，对于各向同性砂土，当土的内摩擦角一定时，土压力系数与应变增量比之间具有唯一性关系。本文借鉴J.M.Zhang等[14]的研究思路，在控制不同常应变增量比条件下进行应变路径试验(称之为等应变增量比试验)，通过这些试验来测定采用不同应变增量比表示的应变约束条件下填土经过沉积或压密达到稳定状态时的不同应力比(其与土压力系数的物理本质相一致)，用以建立各向异性砂土的土压力系数随应变增量比变化的定量关系。本文的材料试验仪器是在常规液压式三轴仪的基础上改造的，等应变增量比试验控制的实现方法是通过调整围压室压力的大小来控制试样加载过程中的应变增量比，使其保持为常数。试验仪器的具体介绍、应变路径控制及其实现方法见宋飞等[22]的研究成果。为了表述竖向加载方向与试样沉积面的夹角，本文引入了大主应力方向角的概念，如图1所示，大主应力方向角是大主应力作用线和沉积面法线•1886•岩石力学与工程学报2009年图1大主应力方向角的定义Fig.1Definitionofthemaximumprincipalstressdirection的夹角。竖向加载方向垂直于沉积面即为0的情形，竖向加载方向平行于沉积面即为90的情形。本文试验材料为南京云母砂(s2.7G，50D0.195，max1.12e，min0.72e)。该砂土云母含量丰富，扁平颗粒含量较高，容易形成各向异性的结构。用水中砂雨法制备了0°和90°的试样。本文首先通过三轴排水剪切试验确定了砂土的剪切变形和强度各向异性，通过三轴等向压缩试验(R1.00)确定了砂土的压缩变形各向异性。试验中用水头饱和和反压饱和使砂土试样的饱和度达到98%左右，然后使试样在100kPa下等向固结，试样排水固结稳定后开始三轴排水剪切试验或等应变增量比加载试验，加载的起始应力状态为100kPa的等向固结状态。加载控制方式为轴向应变控制，应变速率为0.01%/min。图2给出了三轴试验中南京云母砂的应力–应变关系。由此可知，0°的试样变形模量及峰值强度均大于90°的试样，且该砂土的强度各向异性比较明显。图3给出了应变增量比R1.00时南京云母砂的试验结果。从图中可以看出，当试样的侧向变形等于轴向变形时，其侧向应力与轴向应力的比值小于1。即当剪切变形为0时存在剪应力，这说明该砂土具有压缩变形的各向异性。本文通过不同应变增量比条件下0°和90°的试样的等应变增量比试验研究了大主应力作图2三轴试验中南京云母砂的应力–应变关系Fig.2Stress-strainrelationshipofNanjingmicasandintriaxialdrainedtest图3应变增量比R=1.00时南京云母砂的试验结果Fig.3TestresultsforNanjingmicasandwhenstrainincrementratioR=1.00用方向与沉积面的夹角对于土压力系数的影响，以及土压力系数随侧向应变约束条件的变化关系。图4给出了不同沉积方向的试样的应变路径试验结果。0246810121416050100150200250300350400轴向应变a/%应力差(1－3)/kPa(a)南京云母砂(3=100kPa，Dr=80%)=0°=90°轴向应变a/%024681012