主应力轴旋转下考虑软土各向异性的本构模拟及应用研究

用浙江大学5hz空心圆柱仪对原状软粘土和重塑软粘土进行主应力轴动态旋转的试验研究，分析原状软粘土屈服特性的变化和塑性应变的发展，提出不同初始状态下原状软粘土统一的屈服面表达式，研究土体微观结构的变化，确定反映土体原生各向异性的微观结构张量，建立非共轴塑性理论，提出主应力轴旋转下考虑软土各向异性的本构模型，有针对性地选择基坑工程，围垦工程和高速公路路基工程项目，验证模型模拟主应力轴准静态、低频及高频动态旋转的有效性，并通过地基变形和稳定性分析，研究忽略土体各向异性作用和主应力轴旋转特点的影响。. 本项目研究不仅有重要的理论价值，也是复杂应力路径下建（构）筑物失效机理及控制方法的重要基础，目前国际上主应力轴（动态）旋转下反映软粘土原生各向异性及应力应变非共轴特性的本构模拟研究尚未开始，本项目将发展、完善复杂应力路径下土体基本特性及本构模型研究，并为实际工程提供实用、可靠的计算理论。

复杂环境下土工结构物和基础工程的失效机理及控制方法是目前岩土工程的研究重点，这是以充分掌握复杂环境中土体的特性和工程响应为基础的。复杂环境下土体工程特性不仅与土体的沉积历史，颗粒组成等有关，还与后续的应力路径，建设环境紧密联系，前者表现为土体原生各向异性，即土体形成时颗粒形状、颗粒间接触及与成因有关的不同沉积方式等引起的各向异性；后者则由应力路径不同引起的次生各向异性。传统土力学不考虑土体的各向异性，随着工程建设规模和等级不断提高，对工程的安全度要求也越来越高，基于此开展复杂环境下考虑土体各向异性的研究非常重要。.本项目开展了模拟波浪荷载下主应力轴动态循环旋转试验，主要研究频率和循环动应力的影响。结合循环动荷载试验，开展了相应的微观结构试验，采用颗粒空隙定量分析系统对经历循环动荷载和原状软粘土微观结构变化规律进行了定量分析。.为区分试样初始各向异性的影响，制备均匀性较好的重塑粘土，开展应力纯旋转路径下的试验研究。分析应力方向单纯旋转旋转条件下软粘土的变形及破坏特性。.为研究杭州软粘土的屈服特性，开展了系列排水条件下的应力路径三轴试验。研究了原状软粘土屈服面的形状及影响因素，建立统一的屈服面方程。.为分析应力旋转路径下软粘土主应变增量发展规律，研究主应变增量方向与主应力方向及主应力增量方向的关系，补充了系列应力路径旋转试验，包括应力纯旋转、应力往复旋转及应力旋转的同时进行剪切。对杭州软粘土的非共轴特性进行较系统的研究。.在理论研究上，本项目基于应力路径三轴试验的研究成果，初步建立了杭州原状软粘土各向异性屈服面，结合主应力轴单纯旋转条件下粘土的排水和不排水试验结果，对应力旋转引起软粘土塑性变形规律进行分析，增加了软粘土非共轴变形特性方面的研究，并提出了应力旋转路径下软粘土非共轴角计算方法。然后在广义塑性理论框架内，基于应力张量转换方法初步建立了可以计算主应力轴单纯旋转引起的变形的本构模型。此外，也尝试使用离散元方法模拟粘土微观结构的变化。 .本项目研究成果成功应用于基坑工程抗隆起稳定分析，通过结果比对，阐述了考虑土体各向异性在设计中的重要性，改进现有设计方法，达到消除隐患，提高设计精度和可靠性的目的。