不同地区饱和黄土液化特性研究

利用动三轴试验系统,对兰州、固原、潼关地区饱和原状黄土进行了液化试验。通过对饱和黄土液化的动应力、动应变和动孔压发展特点等问题的对比和分析,研究了我国不同地区饱和原状黄土的液化特性。研究表明:(1)黄土液化有其自身的特点,一旦发生液化,抗液化强度将迅速丧失;(2)黄土的区域性结构特性对黄土液化的影响非常明显,表现为不同地区、不同结构的黄土,其液化强度是不同的。而不同地区间黄土的干密度等物性指标对黄土液化的影响远小于区域性结构特性的影响;(3)基于黄土的结构破坏特性和液化特性,给出了饱和黄土的液化破坏应变标准。     

初始固结应力对平面应变黄土剪切破坏特性影响

针对黄土工程中大量存在的平面应变问题,在均压固结条件下研究的较多,但与土实际的应力状态不符,利用平面应变改造后的真三轴仪,模拟土体的实际应力状态,通过原状黄土在不同初始固结应力比、含水率和围压条件下的竖向加载平面应变试验,揭示不同初始固结应力比、含水率和围压对原状黄土强度特性影响及破坏时中主应力变化规律。研究结果表明:偏压固结原状黄土的强度随着初始固结应力比的增大而增大,且明显大于均压固结;抗剪强度及破坏时p、q随着初始固结应力比的减小或含水率的增大而减小;土体原生结构损伤程度随着初始固结应力比的增大而增大使得黏聚力减小;当次生结构形成土颗粒间挤密使得内摩擦角增大;破坏时刻的中主应力随初始固结应力比增大而增大;破坏时刻的中主应力系数范围在0.15~0.45之间;平面应变条件下原状黄土破坏时的固结围压及含水率对中主应力系数的影响较明显。研究结果对进一步完善原状黄土的平面应变试验研究,进而解决平面应变条件下的黄土工程建设问题,提供试验依据和理论基础。     

圆形应力路径下软黏土的动力特性试验研究

实际交通荷载作用下,路基土单元内的竖向应力和水平应力大小不断发生变化,剪应力幅值和方向也不断变化,从而导致土体中的应力路径呈现出主应力轴连续旋转的现象。本文通过GDS空心圆柱扭剪仪模拟类似交通荷载作用下的应力路径,开展不同围压和不同循环应力比下的主应力轴连续旋转试验,旨在研究在交通荷载类轴向纯压缩条件下主应力轴方向连续旋转时循环应力比与围压对原状软黏土的强度、累积应变、回弹应变、软化等因素的影响。试验结果表明：随着孔压的不断累积,原状饱和软黏土试样逐渐软化,轴向模量和剪切模量均随着循环应力比和围压的增加逐渐降低,并在主应力轴旋转一定的圈数后达到稳定。当循环应力比较小时,轴向和剪切应力应变滞回曲线均呈线性,不同主应力轴旋转圈数下的轴向和剪切应力应变滞回曲线近乎重合。随着主应力轴旋转圈数的增加,轴向和剪切应力应变滞回曲线越来越表现出明显的非线性,不同旋转圈数下试样的轴向和剪切应力应变滞回圈不再重合且滞回圈逐渐向x轴倾斜。随着循环应力比的增加,在主应力轴连续旋转初期,轴向模量和剪切模量迅速衰减,且随着加载圈数的增加达到稳定,并且试样的轴向模量和剪切模量达到稳定时的主应力轴连续旋转的圈数随循环应力比和围压的增大而不断增大。     

饱和黄土孔压增长模式与液化机理试验研究

通过室内饱和原状黄土液化试验研究，探讨了孔压增长规律，并从微观结构角度研究了黄土液化机理。研究结果表明：未湿陷饱和黄土结构是一种介稳结构，在地震作用下，介稳结构遭到破坏，塌发和剪缩共同作用造成黄土较大的收缩体积应变并引起孔隙水压力迅速上升。提出的修正A型曲线方程可以用来拟合孔压曲线，拟合参数β隐含了动应力的大小对孔压增长的贡献，而体应变v则反映了湿陷分量对孔压的影响，两者不同组合决定曲线形态丰满程度。液体机理较为合理地解释了塔吉克和海原黄土在近乎平坦的缓坡上形成的泥流。     

不同地区饱和原状黄土静态液化特性试验研究

黄土因饱水静态液化而发生突发性失稳破坏,易造成人员伤亡和财产损失。按照颗粒级配的不同,中国黄土分为砂质、粉质和黏质黄土,不同区域的黄土具有不同的静态液化特性。利用GDS三轴试验系统,对陕西神木砂质黄土区(Q_3黄土)、甘肃黑方台粉质黄土区(Q_3黄土)和陕西泾阳黏质黄土区(Q_2黄土)原状饱和黄土进行了等向固结不排水三轴剪切(ICU)试验,研究了初始孔隙比和颗粒级配对原状黄土静态液化能力的影响。试验结果表明:①3个地区的饱和原状土的应力-应变关系均为软化型,在中低围压下泾阳饱和原状黄土不发生液化,仅表现出弱软化现象;②中低围压下,初始孔隙比是影响原状黄土静态液化的主要因素,高围压下,初始孔隙比的影响逐渐减小,颗粒级配成为影响原状黄土静态液化的主要因素。     

圆形应力路径下软黏土的动力特性试验研究

实际交通荷载作用下,路基土单元内的竖向应力和水平应力大小不断发生变化,剪应力幅值和方向也不断变化,从而导致土体中的应力路径呈现出主应力轴连续旋转的现象。通过GDS空心圆柱扭剪仪模拟类似交通荷载作用下的应力路径,开展不同围压和不同循环应力比下的主应力轴连续旋转试验,旨在研究在交通荷载类轴向纯压缩条件下主应力轴方向连续旋转时循环应力比与围压对原状软黏土的强度、累积应变、回弹应变、软化等因素的影响。试验结果表明：随着孔压的不断累积,原状饱和软黏土试样逐渐软化,轴向模量和剪切模量均随着循环应力比和围压的增加而逐渐降低,并在主应力轴旋转一定的循环次数后达到稳定。当循环应力比较小时,轴向和剪切应力-应变滞回曲线均呈线性,不同主应力轴循环旋转次数下的轴向和剪切应力-应变滞回曲线近乎重合。随着主应力轴循环旋转次数的增加,轴向和剪切应力-应变滞回曲线越来越表现出明显的非线性,不同循环次数下试样的轴向和剪切应力-应变滞回圈不再重合且滞回圈逐渐向x轴倾斜。随着循环应力比的增加,在主应力轴连续旋转初期,轴向模量和剪切模量迅速衰减,且随着循环次数的增加而达到稳定,并且试样的轴向模量和剪切模量达到稳定时的主应力轴连续旋转的循环次数随循环应力比和围压的增大而不断增大。     

饱和黄土卸载特性影响因素研究

黄土边坡开挖过程中常遇到边坡发生变形甚至破坏的情况,不同的开挖速率导致边坡的变形特征也不相同。通过饱和黄土的卸载三轴试验,研究固结围压及卸载速率对卸载状态下饱和黄土的应力-应变特性、孔隙水压力的发展及应力路径的影响。试验表明,固结围压越大,土体破坏所需的偏应力越大,抗剪强度越大;卸载速率越大,对应的偏应力峰值越大,抗剪强度越大。卸载速率相同时,土体卸载初期的超静孔压为负值,增大至正值后孔压的增长速率在其增大过程中逐渐减小;固结围压越大,土样剪切过程中对应的孔隙水压力越大。卸载三轴试验中,土体均表现为应变软化的特性;饱和黄土破坏时的应变均为1%~3%,且固结围压越高,破坏时的应变越小。固结围压相同时,卸载速率越大,孔压增长速率越快,但孔隙水压力值越小。     

饱和击实黄土的动力特性研究

通过进行不同固结条件下饱和击实黄土的动三轴试验,研究了饱和击实黄土的动模量、阻尼比、动强度、动孔压及抗液化特性。研究结果表明：饱和击实黄土的动应力-应变关系符合双曲线模型,模型中参数起始动剪切模量和最大动应力与轴向固结应力间均有良好的幂函数关系,且可以对不同固结应力状态归一,固结围压和固结比对阻尼比的影响较小。动剪应力比随固结围压的增大而减小,随固结比的增大而增大。固结围压、固结比以及动应力皆对动孔压比（ ）与振次比关系有显著的影响,而动孔压与破坏时动孔压之比与振次比关系只受固结围压变化的影响,基本上不受固结比和动应力变化的影响,可以用幂函数关系来模拟;在均压固结条件下,当破坏振次小于等于30时,饱和击实黄土不会产生液化,而当破坏振次较大（动应力较小）时可以产生液化;在偏压固结条件下不会产生液化。     

石碑塬滑坡黄土液化特征及其影响因素研究

石碑塬滑坡是1920年海原地震触发的大型黄土流滑,认识其破坏特征与发生机制对于黄土边坡长距离液化失稳机制的研究非常重要。对石碑塬黄土滑坡的调查和研究表明,饱和黄土或高含水率黄土具有很高的液化势和流态破坏势,在强震作用下,饱和黄土易发生液化或流滑。对石碑塬滑坡的7组原状黄土样品进行振动三轴剪切试验,并结合其微观特征分析,探讨了循环振动荷载作用下的饱和黄土孔隙水压力-应变增长模型,分析了振动液化过程中液化应力比与黄土粒度组成、土体微观结构参数及饱和度之间的关系。结果表明：黏粒含量越低,振动作用下饱和黄土孔隙水压力响应越快,液化应力比越低;黄土孔隙比越大,孔隙结构分形维数越大,液化应力比越低,振动液化后黄土孔隙分形维数降低,结构较液化之前更为致密;饱和度对黄土粒间胶结物质的赋存状态及黄土结构强度影响很大,同一土体饱和度越高,溶滤于孔隙水中的离子浓度越高,土体粒间接触点（或胶结点）越容易发生断裂,使得黄土结构强度降低,液化应力比降低。     

泾河下游黄土台塬区侵蚀诱发滑坡机理

泾河下游黄土台塬区侵蚀诱发的黄土滑坡不仅威胁当地居民的生命财产安全,而且引发严重的水土流失及文物损毁等问题。以该类黄土滑坡为研究对象,在详细地质调查的基础上,取唐家村L2滑坡坡脚原状黄土进行减围压三轴剪切(RTC)试验,研究了饱和黄土的应力、孔压、围压特征以及剪切速率对土体力学行为的影响。结果表明,RTC应力路径下围压率达到0.55时,土体会因偏应力增大而引起塑性剪切破坏;同时,该应力路径下的饱和黄土内摩擦角很小,仅为10.7°;RTC应力路径下的破坏面,十分接近K_0状态面,说明天然斜坡坡脚饱和黄土在小幅水平应力降低条件下易于发生破坏,从而诱发滑坡失稳。     

饱和粉土静态液化性能试验研究

通过固结不排水三轴压缩试验,分析了围压、固结比和干密度等因素对饱和粉土静态液化特性的影响。试验结果表明,在干密度较小时,饱和粉土的偏应力-应变曲线呈现明显的硬变软化型,随轴向应变增大超静孔隙水压力增加、有效应力减小而发生静态液化,当干密度达到1.58 g· cm-3时,饱和粉土的偏应力-应变曲线表现出硬变硬化现象,超静孔隙水压力为负值或接近0,饱和粉土不再发生静态液化,即饱和粉土存在静态液化的干密度临界值;其他条件不变,随着围压、固结比或干密度的增大,偏应力峰值和残余强度均增大,静态液化势降低;根据有效应力路径建立了流滑面以作为饱和粉土稳定区与非稳定区的分界面。     

基于耗散能量的饱和黄土动孔压模型

通过一系列不排水动三轴试验探究了饱和黄土振动液化过程中孔隙水压力和累积耗散能量的演化模式,并讨论了围压、动应力幅值和固结应力比对其演化过程的影响。结果表明：饱和黄土的孔隙水压力和耗散能量随着循环荷载作用逐渐累积。固结围压抑制孔隙水压力增长而消耗更多能量;更大的动应力幅值使得孔隙水压力增长更快而消耗能量更少;等压固结下,孔隙水压力增长至围压从而触发初始液化,而偏压固结下,通常先达到振动液化应变标准而孔隙水压力并没有增长至围压水平,并且固结应力比越大,液化时孔隙水压力越小,消耗能量也更少。归一化孔隙水压力u/σ₀’与累积耗散能量W/W_f之间关系受围压、循环应力比和固结应力比影响较小,可统一用双曲线模型表示。     

饱和砂砾料振动孔压与轴向应变发展模式研究

利用自行研制、开发的高精度中型动三轴仪,对文选定的砂砾料液化过程中的孔隙水压力增长和轴向应变发展模式进行了研究。同时,对剔除粒径大于5 mm后的模拟料,采用相似级配法,运用DS-2T型动三轴仪进行了一组平行试验。着重比较了砂砾料和模拟料在振动荷载作用下孔压、应变发展模式的区别。结果表明：在均压固结条件下,砂砾料在循环应力作用下,其孔压的发展模式与模拟料不同,可以用修正的反正弦进行拟合,而模拟料振动孔压的发展模式可用反正弦拟合;二者振动孔压均达不到初始有效固结围压,约为初始围压的90 %左右。模拟料与砂砾料在振动荷载作用下,应变发展模式不同。前者在初始液化前应变幅值较小且无明显增长,临近初始液化时应变大幅度增加导致试样突然破坏;后者在循环荷载作用过程中应变幅值一直稳定增加。     

主应力轴旋转下小偏压固结密实粉土崩塌特性及孔压模型研究

为研究主应力轴旋转复杂动应力对偏压固结粉土的性状演变影响,以空心圆柱试样为对象,开展具有不同初始固结比的密实粉土（Dr＝70%）在不排水主应力轴循环旋转下的系列试验。结果表明：①初始固结比不大于1.5时,主应力轴旋转导致试样发生中低应变崩塌,进而液化的脆性破坏模式;而固结比大于1.5时,试样变为应变持续稳定开展至高应变,孔压最终进入动态平衡的延性破坏模式,且不同固结比下试样发生崩塌液化和稳态延性破坏的孔压峰值间不存在交叉。②小偏压固结试样的液化峰值孔压和崩塌孔压均随固结比增加而有规律地下降,但受动剪应力水平影响很小,这与等压固结试样的崩塌孔压值受控于剪应力水平有很大差异。③相同初始球应力水平下,崩塌振次反映的小偏压固结试样强度高于等压固结试样,但在偏压条件下强度与固结比不存在单调变化关系,表明小偏压固结试样崩塌除受制初始围压水平外,很大程度上还取决于偏压程度。④基于上述试验结果,提出了主应力轴循环旋转下小偏压固结粉土的孔压预测模型,该模型不仅突显了崩塌状态对相变及液化破坏的重要预测作用,还反映了固结比和动剪应力对孔压开展的综合影响。     

软土在不同应力路径下的力学特性分析

通过固结不排水剪应力路径试验对广州南沙典型软土在不同固结条件的力学特性进行了系统研究。分析了初始固结状态对软黏土应力路径依赖性的影响,比较了不同应力路径下土的应力-应变关系特征和孔隙水压力变化规律,探讨了孔压分布与土体变形特征的关系,认为侧向卸荷会造成剪应力增加、体应力减小,从而使土体产生剪胀趋势。研究结果还表明,不排水条件下的有效应力路径主要与土样初始固结状态有关,因而同一固结状态下的有效应力路径具有唯一性。另外,试验中的剪切控制方式对有效应力路径有明显影响,但对土体抗剪强度的影响可以忽略。     

Monotonic and cyclic tests on kaolin: a database for the development,calibration and verification of constitutive models for cohesive soils with focus to cyclic loading

A database with about 60 undrained monotonic and cyclic triaxial tests on kaolin is presented. In the monotonic tests, the influences of consolidation pressure, overconsolidation ratio, displacement rate and sample cutting direction have been studied. In the cyclic tests, the stress amplitude, the initial stress ratio and the control (stress vs. strain cycles) have been additionally varied. Isotropic consolidation leads to a failure due to large strain amplitudes with eight-shaped effective stress paths in the final phase of the cyclic tests, while a failure due to an excessive accumulation of axial strain and lens-shaped effective stress paths was observed in the case of anisotropic consolidation with \(q^{\text{ ampl }}< |q^{\text{ av }}|\). The rate of pore pressure accumulation grew with increasing amplitude and void ratio (i.e. decreasing consolidation pressure and overconsolidation ratio). The “cyclic flow rule” well known for sand has been confirmed also for kaolin: With increasing value of the average stress ratio \(|\eta ^{\text{ av }}| = |q^{\text{ av }}|/p^{\text{ av }}, \) the accumulation of deviatoric strain becomes predominant over the accumulation of pore water pressure. The tests on the samples cut out either horizontally or vertically revealed a significant effect of anisotropy. In the cyclic tests, the two kinds of samples exhibited an opposite inclination of the effective stress path. Furthermore, the horizontal samples showed a higher stiffness and could sustain a much larger number of cycles to failure. All data of the present study are available from the homepage of the first author. They may serve for the examination, calibration or improvement in constitutive models dedicated to cohesive soils under cyclic loading, or for the development of new models.     

浸湿对原状Q2黄土微观结构与力学性质的影响研究

改进了非饱和三轴浸水试验系统,通过调整吸力控制土样的浸湿程度;进行了环境电镜扫描和非饱和三轴压缩试验,研究了浸湿引起的Q2黄土微观结构变化和力学性质变化。微观结构测试表明,Q2黄土集粒间孔隙以引起中等或弱湿陷的中等孔隙为主;围压不变,随着浸湿程度的加深,孔径较大的集粒间孔隙相对含量逐渐减少,而孔径为10～20 ?m的孔隙相对含量逐渐增大。三轴压缩试验结果显示,不同浸湿程度的Q2黄土应力-应变关系均呈弱软化型,可分为偏应力随轴向应变快速上升、缓慢上升和缓慢下降至平稳3个阶段。分析了浸湿后Q2黄土的力学性质与微观结构特征之间的关系。引入微观结构参数,将微观结构特征与宏观力学性质联系起来,初步建立了考虑微观结构影响的Q2黄土本构模型。     

循环荷载对粉质黏土力学性质的影响

通过等压固结静、动三轴试验,研究了渤海湾粉质黏土在循环荷载作用下的动力性质和循环荷载后不排水静力性质。试验结果表明,循环应力幅值比越大,平均轴向应变和轴向应变幅值越大;循环应力幅值比达到0.4时,平均轴向应变和轴向应变幅值随着循环周数增加迅速增大;循环应力幅值比相同,固结应力越大,轴向应变幅值越大,而平均轴向应变越小。在较大的循环应力幅值比下,平均孔压比值和孔压幅值比值随着循环周数的增大会达到稳定;循环应力幅值比越大平均孔压比值和孔压幅值比值均越大;相同循环应力幅值,固结应力越大平均孔压比值越小,而固结应力对孔压幅值比值影响较小。循环荷载的作用会导致循环荷载后不排水剪在q-p’平面上有效应力路径和孔压发展表现出超固结土的性质。     

卸荷损伤原状膨胀土剪切力学特性试验研究

通过GDS三轴试验系统对经历3种卸荷速率损伤后的原状南阳膨胀土样进行再加荷不排水三轴伸长剪切试验,同时考虑了超固结比与固结状态的影响。试验结果表明,膨胀土再加荷剪切力学特性与初始卸荷速率有关。在相同的轴向应变下,初始卸荷速率越小,其偏应力单调越小。在主应力方向改变前后,其应力?应变关系曲线斜率显著变化。相同固结方式与超固结比状态下,孔隙水压力均表现为先增大后减小趋势,孔隙水压力峰值应变随卸荷速率增大而减小。无论是等压固结还是K0固结,初始卸荷速率越大,不排水剪切强度越大。膨胀土样经历了初始卸荷损伤后,再加荷常规三轴伸长试验所得剪切强度均低于无损伤时的强度。以膨胀土破坏强度所得损伤度SD低估了卸荷速率对膨胀土的损伤程度,建议采用孔隙水压力峰值强度进行膨胀土边坡设计计算。原状膨胀土力学性状随卸荷速率损伤的演化规律受卸荷阶段轴向应变大小及裂隙性综合影响。