真三轴条件下原状黄土的非线性本构模型

为了研究复杂应力条件下非饱和原状黄土的非线性本构模型,通过考虑真三轴条件下中主应力和吸力对大主应变的影响,提出了一个考虑中主应力影响的非饱和原状黄土的非线性本构模型。该模型包含12个参数,均可由常含水率非饱和土真三轴试验确定。研究了中主应力对土体变形和强度的影响,探讨了模型参数的变化规律。初始吸力一定时,土体的黏聚力随着中主应力的增大而增大,而内摩擦角随着中主应力的增大呈线性减小趋势。当吸力小于162 kPa时,吸力摩擦角等于21.8°;当吸力大于162 kPa时,吸力摩擦角等于5.5°。初始吸力相同时,不同中主应力条件下土体的体积模量可取为常数。利用该模型预估了常含水率真三轴等向固结试验的吸力变化规律,理论结果与试验结果比较接近。但是对于真三轴剪切试验吸力的预估还需要进行深入探讨。     

真三轴条件下原状黄土的非线性本构模型

为了研究复杂应力条件下非饱和原状黄土的非线性本构模型,通过考虑真三轴条件下中主应力和吸力对大主应变的影响,提出了一个考虑中主应力影响的非饱和原状黄土的非线性本构模型。该模型包含12个参数,均可由常含水率非饱和土真三轴试验确定。研究了中主应力对土体变形和强度的影响,探讨了模型参数的变化规律。初始吸力一定时,土体的黏聚力随着中主应力的增大而增大,而内摩擦角随着中主应力的增大呈线性减小趋势。当吸力小于162kPa时,吸力摩擦角等于21.8?;当吸力大于162k Pa时,吸力摩擦角等于5.5?。初始吸力相同时,不同中主应力条件下土体的体积模量可取为常数。利用该模型预估了常含水率真三轴等向固结试验的吸力变化规律,理论结果与试验结果比较接近。但是对于真三轴剪切试验吸力的预估还需要进行深入的探讨。     

真三轴条件下Q_3原状黄土的吸力变化特性研究

为了研究非饱和土在复杂应力作用下的基质吸力变化特性,利用非饱和土真三轴仪,对不同初始基质吸力的非饱和原状黄土进行了常含水率等向固结和不同中主应力比值b应力路径的剪切试验,研究了非饱和原状黄土在真三轴应力条件下的吸力变化特性。研究结果表明:等向固结过程中吸力随着时间的增大而减小,且随着初始吸力和净平均应力的增大,吸力的减小速率越快,吸力变化量越大;等向固结完成后吸力小于初始吸力。剪切过程中吸力随时间的增大呈微小降低或保持不变后较快上升趋势,随着净围压或b值的增大,吸力上升段增长较快,吸力增量越大:剪切完成后吸力大于等向固结完成后的吸力。常含水率真三轴加载作用下黄土的基质吸力变化与净围压和中主应力比值b的不同组合密切相关。     

真三轴条件下Q3原状黄土的力学特性

为了模拟实际工程中黄土在不排水条件下的破坏,在控制含水率不变条件下,利用非饱和土真三轴仪对不同初始吸力非饱和原状黄土进行了等向固结试验和不同中主应力参数b值的剪切试验,研究了非饱和原状黄土的力学特性。研究结果表明：真三轴等向压缩屈服应力随着初始吸力的增大而增大,吸力随着净平均应力的增大而减小,净平均应力对吸力的影响程度随着初始吸力的增大而增大。不同 值条件下,广义剪应力和净平均应力破坏状态线近似呈平行直线关系,广义剪应力和有效净平均球应力试验点可归一为饱和土的排水剪切破坏状态线;剪切破坏时吸力随着b值的增大基本呈线性增大趋势;孔隙比和净平均应力对数临界状态线近似呈线性平行关系,其斜率比饱和土大,且大于等向压缩屈服前的斜率;非饱和土孔隙比和有效净平均球应力对数临界状态线与饱和土的临界状态线近似呈线性平行关系;不同净围压条件下,不同 值非饱和土与饱和土的破坏状态孔隙比的比值与气体饱和度的试验点分布于1.0～1.2的直线带内,但同一净有效球应力条件下可以归一为一条非线性曲线。     

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。     

真三轴条件下非饱和黄土的有效应力屈服特性

为了研究非饱和黄土在有效应力空间的屈服特性,利用真三轴仪对非饱和原状黄土进行了不排水等向净应力压缩固结和不同中主应力参数b值的剪切试验,研究了真三轴压缩条件下非饱和黄土的有效应力屈服变化规律。研究结果表明:有效应力比随着中主应力或净围压的增大而减小,中主应力的增大作用对有效球应力的影响大于广义剪应力;由有效应力比-体应变关系曲线确定的剪缩屈服曲线在有效应力空间具有良好的规律性,屈服点的有效屈服应力随着中主应力和初始吸力的增大而增大;π平面上的有效应力屈服强度面和强度破坏面与SMP强度准则稳合较好,有效球应力和初始吸力越大,屈服强度面和强度破坏面越大;提出了真三轴条件下弹性剪应变和塑性剪应变的计算公式,通过分析有效应力与塑性应变关系得出有效应力空间中不同子午平面内的塑性势面呈椭圆形,且随着中主应力的增大,椭圆屈服面增大。     

真三轴条件下非饱和黄土的有效应力屈服特性

为了研究非饱和黄土在有效应力空间的屈服特性,利用真三轴仪对非饱和原状黄土进行了不排水等向净应力压缩固结和不同中主应力参数b值的剪切试验,研究了真三轴压缩条件下非饱和黄土的有效应力屈服变化规律。研究结果表明：有效应力比随着中主应力或净围压的增大而减小,中主应力的增大作用对有效球应力的影响大于广义剪应力;由有效应力比?体应变关系曲线确定的剪缩屈服曲线在有效应力空间具有良好的规律性,屈服点的有效屈服应力随着中主应力和初始吸力的增大而增大;π平面上的有效应力屈服强度面和强度破坏面与SMP强度准则稳合较好,有效球应力和初始吸力越大,屈服强度面和强度破坏面越大。提出了真三轴条件下弹性剪应变和塑性剪应变的计算公式,通过分析有效应力与塑性应变关系得出有效应力空间中不同子午平面内的塑性势面呈椭圆形,且随着中主应力的增大,椭圆屈服面增大。     

真三轴条件下原状Q_3黄土的土-水特征

土-水特征曲线反映了非饱和土三相介质存在状态和相互作用的基本特性,非饱和土的受力状态变化和变形发展必然影响其土-水特性变化。为了揭示复杂应力作用下非饱和原状黄土的土-水特征曲线变化,利用真三轴仪对不同初始吸力的非饱和原状黄土进行了常含水率的等向固结和不同中主应力参数b值的剪切试验,探讨了不同试验条件下非饱和原状黄土的土-水特征,并对相应的土-水特征曲线进行了拟合,得出其拟合函数。研究结果表明:饱和度皆随着净平均应力、b值和净围压的增大而增大;吸力随着饱和度的增大而减小,饱和度较大(S_(r0)≥43%)时,吸力减小速率越小,饱和度较小(S_(r0)43%)时,吸力减小速率越大;饱和度一定时,吸力皆随着净平均应力、b值和净围压的增大而增大;较低净平均应力(p≤300 kPa)时,应力变化对原状黄土等向固结完成后土-水曲线的影响较小,为了工程应用方便,可以归一用幂函数来描述;拟合了可以反映净围压和中主应力共同作用影响的真三轴剪切完成后的土-水特征曲线表达式,与试验结果吻合较好。     

预剪应力作用下原状黄土动力特性试验研究

以陕西武功地区原状黄土为对象,在不同含水率与不同初始平均主应力下进行动扭剪三轴试验,研究了预剪应力作用下原状黄土动剪切模量与阻尼比的变化规律。结果表明：原状黄土动剪切模量随动剪应变变化的整体趋势并未因存在预剪应力作用而发生改变;存在预剪应力作用时,含水率与初始平均主应力对原状黄土动剪切模量的影响程度降低;含水率与初始平均主应力对预剪应力作用下原状黄土的初始动剪切模量具有显著的影响;存在预剪应力作用时原状黄土的阻尼比随动剪应变的增大先减小而后缓慢增大,其值总体上在0.20～0.35之间;现有的半对数坐标进行直线方程拟合的方法已不再适用于存在预剪应力作用时原状黄土阻尼比的计算;含水率对原状黄土阻尼比随动剪应变变化规律的影响呈现出含水率越大、阻尼比越大的趋势;初始平均主应力对原状黄土阻尼比随动剪应变变化的影响规律不明显。     

黄河大堤非饱和土的三轴试验研究

利用特制的非饱和土三轴仪器,模拟实际工程中土体的受力条件,对黄河大堤非饱和土在不同围压条件下的土水特性以及非饱和土的强度进行了试验研究。试验表明：非饱和土基质吸力随着土体周围压力的增大而减小,随着含水率的增大而减小;非饱和土的有效摩擦角 值受含水量的影响不大。但总凝聚力 受含水率的影响较大,含水率越小,基质吸力就越大,总凝聚力亦越大。根据试验结果,提出了非饱和土的抗剪强度的拟合模型,该模型参数易于确定,与实测结果：拟合误差较小,满足非饱和土的强度计算精度要求。     

重塑黄土在不同基质吸力下的真三轴剪切试验

为研究重塑黄土在控制吸力真三轴条件下的剪切特性,利用非饱和土固结仪测试了重塑黄土的土-水特征曲线,得到基质吸力与含水率的对应关系,利用真三轴仪对重塑黄土进行了控制基质吸力为50、100、200 kPa的固结排水剪切试验。在剪切试验中同时控制净平均应力为300 kPa,中主应力参数b值分别为0、0.25、0.50、0.75、1.00。试验结果给出大主应变、中主应变和小主应变与偏应力的关系曲线,研究了基质吸力和b值对土体应力-应变响应的影响。结果表明,重塑黄土的抗剪强度随基质吸力的增大而增大,随中主应力参数的b值增大而降低;应力-应变曲线随b值增大逐渐从应变硬化型向理想弹塑型转化。给出了重塑黄土在π平面上的强度破坏线,其随着基质吸力的增大而向外扩展,基质吸力会影响其位置、大小及形状,且重塑黄土不同基质吸力的试验结果与Lade-Duncan破坏准则的预测结果更接近。     

重塑黄土在不同基质吸力下的真三轴剪切试验

为研究重塑黄土在控制吸力真三轴条件下的剪切特性,利用非饱和土固结仪测试了重塑黄土的土-水特征曲线,得到基质吸力与含水率的对应关系。利用真三轴仪对重塑黄土进行了控制基质吸力为50、100、200 kPa的固结排水剪切试验。在剪切试验中同时控制净平均应力为300k Pa,中主应力参数b值分别为0、0.25、0.50、0.75、1.00,试验结果给出大主应变、中主应变和小主应变与偏应力的关系曲线,研究了基质吸力和b值对土体应力-应变响应的影响。结果表明,重塑黄土的抗剪强度随基质吸力的增大而增大,随中主应力参数的b值增大而降低;应力-应变曲线随b值增大逐渐从应变硬化型向理想弹塑型转化;给出的重塑黄土在π平面上的强度破坏线,其随着基质吸力的增大而向外扩展,基质吸力会影响其位置、大小及形状,且重塑黄土不同基质吸力的试验结果与Lade-Duncan破坏准则的预测结果更接近。     

原状非饱和Q3黄土的土压力原位测试和强度特性研究

为了揭示原状黄土的土压力的分布规律及其在开挖过程和浸水过程中的变化规律,对兰州市一个高18 m的Q3黄土边坡进行了现场试验,量测了边坡的位移、土压力、基质吸力和含水率,观测了该边坡的破坏过程,同时进行了一组控制吸力的原状黄土的非饱和三轴剪切试验。研究结果表明：①原状Q3黄土的表观黏聚力和有效摩擦角与吸力之间均为非线性关系。②原状黄土边坡的土压力随着土坡开挖深度的增加而不断增大。边坡开挖结束后的土压力分布大致呈中间大,两端小的三角形,最大土压力位置在大约坡高的1/3位置处。与朗肯土压力理论计算结果相比,实测黄土边坡的土压力远小于计算值。在浸水条件下,非饱和黄土的边坡土压力增速较大,浸水是边坡产生破坏的直接原因。     

真三轴条件下的原状黄土增湿变形特性

为了研究复杂应力条件下原状黄土的增湿变形特性，利用改进的非饱和土湿陷真三轴仪，在测量吸力条件下对原状黄土进行双线法分级浸水增湿试验，探讨力?水耦合作用下吸力的变化特性，研究真三轴浸水试验的增湿变形特性，以及吸力、净围压、中主应力和应力比对增湿变形的影响。研究结果表明：由ei-lgp压缩曲线确定了非饱和土的屈服点，屈服点之前，曲线的斜率近似相等；屈服点之后，曲线的斜率随着初始吸力的减小而减小，且非饱和土与饱和土的交点随着初始吸力的增大呈右下方移动趋势。等向压缩过程中，吸力随着净平均应力的增加近似呈线性减小趋势，初始吸力越小，吸力减小的速度越慢，且吸力变化量越小。均压分级浸水增湿时，吸力s随着浸水量w的增加而减小，增湿体变 随着浸水量w的增加而增大，不同净围压下的 -w关系曲线相互有交叉。交叉区域之前，净围压越大，增湿体变越小，而交叉区域之后，净围压越大，增湿体变越大。在同一净围压条件下，浸水量相同时，初始吸力越大，增湿体变越大。真三轴剪切增湿试验中，应力比k、中主应力参数b值和净围压?3皆对增湿变形有一定的影响。当q/p≤1时，增湿变形曲线前段下凹后段上凹，主要表现为体积增湿变形；当q/p>1时，增湿变形曲线只有下凹部分，主要表现为剪切增湿变形。增湿变形曲线的形态取决于k值和b值的不同组合。     

非饱和原状黄土的非线性损伤本构模型研究

作者以损伤理论为基础,建立了非饱和原状黄土的非线性损伤本构模型,模型可反映原状非饱和黄土独特的力学特性。该模型共包含13个参数,都可以通过试验测定。该模型进一步揭示了非饱和土体中某些应力应变特性的内在规律,从而把非饱和黄土的本构模型研究推到了一个新的水平。     

原状非饱和黄土的三轴试验研究

利用特制的非饱和土三轴仪器,对不同含水量条件下原状非饱和黄土的强度和土-水特征曲线进行了试验研究。试验结果表明：非饱和黄土的抗剪强度随着含水量的不同而不同,含水量越大,非饱和黄土的基质吸力就越小,抗剪强度亦越小。含水量趋于饱和时,非饱和黄土的抗剪强度值逐渐接近于饱和黄土的强度值。原状非饱和黄土的抗剪强度均高于饱和黄土的抗剪强度。非饱和黄土的内摩擦角受含水量的影响不大。凝聚力受含水量的影响很大,含水率越大,基质吸力越小,总凝聚力越小。根据实验结果,提出了非饱和土的抗剪强度模型,该模型易于确定,与实测基本吻合,误差较小,满足非饱和黄土的强度计算要求。     

结构性对非饱和Q_3黄土强度和屈服特性的影响

为研究结构性对黄土强度特性和屈服应力及屈服吸力的影响,以兰州非饱和原状Q3黄土及其重塑土为研究对象,利用非饱和土四联直剪仪和改进型非饱和土三轴仪进行了一系列的非饱和土直剪和各向等压加载以及三轴收缩试验。试验结果表明:原状黄土及其重塑土的黏聚力和内摩擦角均随吸力的增加呈线性增长趋势,吸力越大,抗剪强度越高;Q3原状黄土具有较高的结构性,其抵抗外力破坏的能力较高,而重塑土土粒之间结构比较松散,因此,原状土的抗剪强度要高于重塑土,尤其在低吸力和高含水率情况下;定义了黏聚力结构参数cM和内摩擦角结构参数M?,得到了黏聚力耦合值*c和内摩擦角耦合值*?随吸力变化的拟合公式,为实际工程抗剪强度指标的选取提供另一种尝试;原状黄土的屈服应力和屈服吸力均大于重塑土,在p-s平面上原状黄土的弹性区要大于重塑土;两种土的屈服应力之差随着吸力的增大而线性增大,屈服吸力趋近于一常数,受净平均应力的影响较小;试样屈服前,原状黄土较强的结构性导致其变形要小于重塑土,试样屈服后,两者变形差别不大。试验结果为进一步建立结构性模型提供了试验基础,也为黄土地区工程建设提供了参数依据。     

考虑变形影响的黄土土-水特征及其滞后效应

为了研究变形对非饱和黄土土-水特征和滞后效应的影响,通过先构建恒定吸力条件下土体含水率与孔隙比的关系,再引入吸力的影响,建立了一个能够考虑变形的三维土-水特征曲面模型,模型能够很好地描述不同初始孔隙比黄土吸脱湿过程中含水率随孔隙比和吸力的变化规律。为了证实所提出模型的可靠性,对压实黄土进行一系列吸脱湿过程的土-水特征试验。试验结果表明,恒定吸力条件下土体含水率与孔隙比成线性关系,验证了模型的理论假设。另外由模型可以确定恒定孔隙比状态的土-水特征,将其与试验结果对比发现,脱湿路径由吸力引起的变形对土-水特征影响较大,会使特征参数减小,并抑制滞后效应。     

南票矿区松散层土体结构性参数试验研究

为了研究采空区影响下地表建(构)筑物的变形与破坏,必须首先全面认识建(构)筑物地基土的结构力学特性。基于综合结构势理论,利用TSW-40型土壤真三轴仪,以南票矿区松散层土体为研究对象,开展一系列不同围压、含水率和中主应力比条件下的真三轴试验,揭示了真三维应力状态下松散层土体应力比结构性参数的变化规律,建立了结构性参数数学模型。研究结果表明:原状土的q-ε_s曲线呈现出应变软化型、理想弹塑性型和应变硬化型3种典型的状态。重塑土和饱和土q-ε_s曲线一般均表现为应变硬化型。应力比结构性参数m_η随剪应变、含水率、固结围压和中主应力比的增加而降低;剪切作用初始阶段,m_η下降较快,当ε_s达到5%左右后,m_η逐渐趋于平稳,至ε_s=15%时,m_η趋近于1;结构性参数数学模型结果表明,固结围压对m_η影响最大,含水率次之,中主应力比对m_η影响最小。利用所建立的数学模型预测不同试验条件下松散层土体结构性参数变化规律,模型验证结果与试验结果吻合,证明了模型的有效性,可以作为进一步研究的理论基础。     

基于微结构失稳假说及广义吸力理论的黄土体变模型

针对原状非饱和及饱和黄土的体积变形问题,提出了一个复合体计算模型。该模型将黄土看作由各自均匀分布于土中的原状部分和扰动部分组成的,这两部分土体的体积比率,可由黄土结构的微观几何模型、孔隙率密度曲线及考虑广义吸力的微结构失稳条件计算得出。假设原状部分仅发生弹性变形,扰动部分符合重塑土的变形规律。复合体的应变增量包括原状部分的弹性、重塑土的塑性及结构崩塌3部分;其中：结构崩塌变形特指微结构失稳时原状土体的孔隙率突然变为重塑土的孔隙率;重塑土的体积应变形采用广义吸力理论计算。采用不同的初始饱和度的黄土结构强度计算出非饱和土微观结构刚度与饱和度的函数,从而获得非饱和土黄土微观结构失稳的判别条件。分别计算了低含水天然非饱和及饱和黄土的压缩曲线,并与试验结果对比说明了模型的合理性。