侧限约束下回填砂分级加卸载力学响应.pdf

【土木建筑工程/Architecture and Civil Engineering】Vol.40 No.5Sep.2023第 40 卷 第 5 期2023 年 9 月深圳大学学报理工版Journal of Shenzhen University Science and Engineeringhttp：/侧限约束下回填砂分级加卸载力学响应王冬冬1，李顺群1，王理想21）天津城建大学土木工程学院，天津 300384；2）安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院，安徽蚌埠 233002摘 要：在公路路基和水利堤防工程中时常出现因回填砂压实不密造成局部沉陷的破坏问题为降低此类破坏发生的可能性，利用三维应力-应变测试技术，开展轴对称条件下回填砂压实过程的力学响应研究结合数值分析软件，对采集到的原始数据进行矩阵求解，并对循环荷载作用下的应力、应变、静止土压力系数以及应力-应变路径进行分析试验结果表明，对于回填砂来说，压实次数并非越多越好，而是存在一个最优压实次数值；在试验初始阶段，随着循环次数增加，静止土压力系数增大，即砂土内部水平方向密实度增大；当循环次数大于6时，静止土压力系数不再增加在一维竖向荷载作用下，荷载法向面内有效正应力响应落后于荷载平行面内有效正应力响应，建议压实过程中控制压实速率，做到有效竖向压实和水平向挤压分析应力路径和应变路径可知，不同加载吨位和压实方式（不同形式荷载）会影响应力路径，进而影响应变形变研究结果可为砂土作为填方材料的力学性能提供借鉴，也为实际工程中原位三维应力-应变研究提供参考关键词：岩土工程；应力-应变；循环加载；压实试验；应力路径；三维土压力盒；局部沉陷中图分类号：TU411.3 文献标志码：A DOI：10.3724/SP.J.1249.2023.05571Mechanical response of grading loading and unloading of backfill sand under confinement constraintWANG Dongdong 1,LI Shunqun 1,and WANG Lixiang 21)School of Civil Engineering,Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,P.R.China2)Water Resources Research Institute of Anhui Province and Huaihe Water Resources Committee,Ministry of Water Resources,Bengbu 233002,Anhui Province,P.R.ChinaAbstract:In subgrade and levee projects,local subsidence problems often occur due to insufficient compaction of backfill sand.In order to reduce the possibility of such damage,the three-dimensional stress-strain testing technology is used to study the mechanical response of backfill sand compaction under axisymmetric conditions.The collected raw data is calculated using mathematical analysis software,and the stress,strain,K0 value and stress-strain path are analyzed under cyclic loading.The studies show that more compaction is not better,but there exist an optimal number of compaction times for backfill sand.In the initial stage of the test,as the number of cycle increases,the coefficient of earth pressure at rest increase,that is,the density inside the sand increases;when cycle index is greater than 6,the coefficient of earth pressure at rest no longer increases.Under the action of one-dimensional vertical load,the effective normal stress response in the normal direction of plane of the load lags behind the effective normal stress in the parallel plane of the load.Therefore,it is recommended to control the compaction Received:2023-03-23;Accepted:2023-05-09;Online(CNKI):2023-07-17Foundation:Tianjin Key R&D Program(19YFZCSF00820);Natural Science Foundation of Anhui Provine(2208085US01)Corresponding author:Professor LI Shunqun()Citation:WANG Dongdong,LI Shunqun,WANG Lixiang.Mechanical response of grading loading and unloading of backfill sand under confinement constraint J.Journal of Shenzhen University Science and Engineering,2023,40(5):571-577.(in Chinese)第 40 卷深圳大学学报理工版http：/rate during the compaction process to achieve effective vertical compaction and horizontal extrusion.In addition,different loading tonnages and compaction methods(different forms of load)will affect the stress path,and then affect the strain deformation.The research results can provide objective reference for the mechanical properties of sand as filling material,and also provide reference for in-situ three-dimensional stress-strain research in practical engineering.Key words:geotechnical engineering;stress-strain;cyclic loading-unloading;compaction test;stress path;three dimensional earth pressure cell;local subsidence随着高土石坝和基坑工程不断兴建，各种因素引起的填方工程事故逐渐增加近年来，在水利堤防和公路路基工程中时常出现因回填砂压实不密造成局部沉陷的破坏问题目前，国内外学者在相关方面已经开展诸多试验并取得一定的成果在回填砂的室内试验中，压实度、含水率和填料是影响砂土压实特性的主要因素1-3不同形式的荷载以及不同工况下的应力状态也会对压实过程的应力-应变关系产生显著影响4-6学者们通过各类试验探究了压实过程应变演化规律进而构建出压实砂土的本构模型但砂的种类繁多，不同颗粒形式、尺寸以及外界的不确定因素都容易对压实效果造成影响，本构模型难以完全适用7-11此外，回填砂压实的原位试验研究仍然面临许多困难，这使得现有砂土在填方压实的力学特性或是破坏问题研究整体尚少，主要难点是施工现场形式多样、影响因素诸多和真实应力状态并非一成不变等尽管各类勘察规范判别有关砂土破坏问题方法众多，但实际工程效果往往难以得到验证和修正12-13为此，有学者开展原位试验研究BRANDON等14利用一维压力计进行填方压实实际工况研究，并指出一维压力计并不十分适用在填方工程中，需要更复杂的技术来开展试验研究；为获取各类工程中各向应力变化数据，李顺群等15-16基于三维应力理论发明三维应力和应变装置，已经初步应用于实际工程中，并取得良好的应用效果；黄翔宇等17将三维土压力盒应用于基坑开挖中，探究基坑开挖对于临近土体三维应力状态的影响表明三维应力装置具有较好的原位数据获取能力以及长期监测的稳定性前人研究受原位技术限制使得理论研究无法在工程中得以验证，而现有三维应力测试技术已经能对实际工况进行实时监测，反映工程中三维应力状态变化因此，本研究运用该项技术获取到压实过程应力-应变数据，对静止土压力系数、各向应力-应变分量及其路径变化规律进行分析，并指出加载过程中回填砂内部力学响应规律与实际压实情况的联系，为砂土在作为填方材料的力学性能提供客观借鉴与指导，也为实际工程中原位三维应力-应变研究提供参考1三维应力-应变测试技术理论三维土压力盒测试原理18是利用测得的6个正应力值进行矩阵运算求解得到土体内部某点的三维应力状态，即i=T-1j（1）其中，i为某点的应力状态分量，i=xx、yy、zz、xy、yz和zx，xx、yy和zz为正应力值，xy、yz和zx为剪应力值；T为坐标变换矩阵；j为三维土压力盒采集的正应力，j=a、b、c、d、e 和 f，a、b、c、d、e和f分别为三维土压力盒面所对应正应力值三维应变花工作原理19是利用测得的6个应变值进行矩阵运算得到三维应变状态，即=T-1（2）其中，为某点的应变状态分量，=xx、yy、zz、xy、yz和zx，xx、yy和zz为正应变值，xy、yz和zx为剪应变值；为三维应变花采集的6个正应变，=1、2、3、4、5和6，1、2、3、4、5和6分别为6条边所对应的正应变值三维应变花正放时容易找平，如果同土压力盒一样倒放，会降低面xOy准确性为应变花坐标系更加准确，建立应变花局部坐标系和土压力盒局部坐标系（同整体坐标系一致）利用坐标系变换limini=1000-1000-1limini（3）其中，li、mi和ni（i=1、2、3、4、5和6）为局部坐标系下6个应变的方向余弦；li、mi和ni（i=1、2、3、4、5和6）为整体坐标系下6个应变的方向572第 5 期王冬冬，等：侧限约束下回填砂分级加卸载力学响应http：/余弦利用式（3）解得li、mi和ni，代入式（2），求得应变分量，再结合现有三维应力-应变理论，有3-I12+I2-I3=0（4）3-K12+K2-K3=0（5）其中，I1、I2和I3分别为应力值的第1、第2和第3不变量；K1、K2和K3分别为应变值的第1、第2和第3不变量利用Matlab软件，对采集到的原始数据组进行矩阵求解，可得到6个独立应力-应变分量、3个主应力值和3个主应变值2试验概况2.1试验