吸力历史对非饱和弱膨胀土力学性质的影响

对经历较广吸力范围内不同吸力历史的非饱和弱膨胀土进行了一系列吸力控制的三轴剪切试验。关于最大吸力的施加,高吸力采用蒸汽平衡法;较低吸力采用轴平移技术。试验结果表明：在净应力和吸力相同条件下,经过湿化试样的应力-应变关系曲线升高、剪缩体变小;经过高吸力试样的应力-应变关系曲线也升高、剪缩体变小,随着经历过最大吸力的增加其应力比-应变关系、体变表现出的超固结土特性明显。其主要原因是前期试样受过较大的吸力,相当于受过较大前期固结压力,同时弱膨胀土失水收缩性明显,经过较大吸力后试样孔隙比明显减小,使试样剪切过程中表现出超固结黏土的特性。因此,讨论非饱和弱膨胀性土的应力-应变关系和强度时需考虑吸力历史引起的体积收缩影响。     

吸力历史对非饱和弱膨胀土力学性质的影响EI北大核心CSCD

对经历较广吸力范围内不同吸力历史的非饱和弱膨胀土进行了一系列吸力控制的三轴剪切试验。关于最大吸力的施加,高吸力采用蒸汽平衡法;较低吸力采用轴平移技术。试验结果表明:在净应力和吸力相同条件下,经过湿化试样的应力-应变关系曲线升高、剪缩体变小;经过高吸力试样的应力-应变关系曲线也升高、剪缩体变小,随着经历过最大吸力的增加其应力比-应变关系、体变表现出的超固结土特性明显。其主要原因是前期试样受过较大的吸力,相当于受过较大前期固结压力,同时弱膨胀土失水收缩性明显,经过较大吸力后试样孔隙比明显减小,使试样剪切过程中表现出超固结黏土的特性。因此,讨论非饱和弱膨胀性土的应力-应变关系和强度时需考虑吸力历史引起的体积收缩影响。     

膨胀土卸荷蠕变特性及其非线性蠕变模型

鉴于膨胀土滑坡往往表现为长期性、渐进性等与时间相关的特性,利用GDS应力路径三轴仪对膨胀土进行了三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明：当偏应力较小时,膨胀土的蠕变曲线仅出现瞬时变形和衰减蠕变;当偏应力达到一定值时,其蠕变曲线也呈现衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变3个阶段,但其加速蠕变阶段的特征与一般岩土体不同,其蠕变速度近乎常数。膨胀土的应力?应变等时曲线显示,膨胀土卸荷蠕变具有非线性特征,且其非线性程度与蠕变时间和应力水平相关,蠕变时间越长、应力水平越高,其非线性程度越高。基于非线性流变力学理论,提出了一种非线性四元件蠕变模型,将标准线性体与一个非线性黏壶串联,该模型可描述等围压三轴压缩应力状态下膨胀土轴向应变随时间的演变规律。根据膨胀土卸荷蠕变试验结果,采用曲线拟合法对三维非线性模型的参数进行反演识别。拟合曲线和试验曲线对比显示,两者吻合良好,说明该模型可以很好地描述膨胀土的蠕变特性。此外,基于该蠕变模型获取了膨胀土的临界破坏应力,其与常规剪切破坏应力的比值随着固结压力的减小而减小,表明越接近坡面的土层越容易发生蠕变破坏。     

冻结膨胀土应力-应变关系试验研究

通过冻结膨胀土三轴力学试验,主要研究了土体在不同温度与围压条件下的应力-应变关系.结果表明：冻结膨胀土的应力-应变曲线为应变硬化型,具有明显的弹塑性变形阶段;在相同围压条件下,随着温度的降低,偏应力增量随应变的增加而增大,最终达到塑性破坏时应力也随之增大. 通过回归分析,抗压强度与温度呈良好的线性关系.随着围压的增加,土体进入塑性变形阶段时的应力有所提高,抗压强度也随之增加,相比温度,围压对抗压强度的影响不是很大.对试验数据进行拟合表明,应用邓肯-张模型能够很好的描述冻结膨胀土应力-应变关系.     

石灰改良膨胀土的应力-应变-强度特征与本构描述

为探讨石灰改良膨胀土的变形特征与破坏机制,以压实度为95 %的荆门石灰改良膨胀土为研究对象,开展了单轴、侧限、三轴压缩应力状态下的力学性质试验。试验结果表明：即使湿化饱和后石灰土也具有较高的刚度与强度;单轴压缩状态下,无论饱和还是非饱和状态,石灰土的破坏都为典型的脆性破坏;三轴压缩状态下石灰土破坏前剪缩,同时伴随应变强化,即将破坏时开始剪胀,随后表现为应变软化;围压对石灰土的脆性破坏与破坏后的剪胀有一定的抑制作用,但即使在200 kPa围压下,试样仍发生脆性破坏。在辨明石灰土应力、变形机制的基础上,选用Duncan模型描述其脆性破坏前表现出的压硬性、剪缩性与应变强化特性,标定了相应模型参数,通过数值模拟与平行试验的对比验证了模型的适用性与参数的可靠性。     

考虑卸荷速率的K0固结膨胀土应力-应变行为

通过GDS三轴试验系统对K0固结原状南阳膨胀土原状样进行了不同卸荷速率和卸荷路径下的不排水三轴剪切试验,在试验资料的基础上,建立了K0固结膨胀土的初始切线模量Ei和极限偏应力qult与固结应力及卸荷速率的关系式。发现,K0固结膨胀土在卸荷剪切过程中的应力-应变关系曲线呈典型双曲线特征;膨胀土的不排水剪切强度随轴向固结应力及卸荷速率的增加而单调增加;Ei及qult随固结应力及卸荷速率的变化规律与强度基本类似,但Ei随固结应力的增加呈指数增加,而qult则表现为线性增加。通过改进邓肯-张双曲线表达式,建立了K0固结膨胀土下不同卸荷速率时应力-应变关系的预测公式,并进行了模型验证。     

考虑卸荷速率的K_0固结膨胀土应力-应变行为

通过GDS三轴试验系统对K_0固结原状南阳膨胀土原状样进行了不同卸荷速率和卸荷路径下的不排水三轴剪切试验,在试验资料的基础上,建立了K_0固结膨胀土的初始切线模量E_i与极限偏应力q_(ult)与固结应力及卸荷速率的关系式。发现,K_0固结膨胀土在卸荷剪切过程中的应力-应变关系曲线呈典型双曲线特征;膨胀土的不排水剪切强度随轴向固结应力及卸荷速率的增加而单调增加;初始切线模量E_i及极限偏应力q_(ult)随固结应力及卸荷速率的变化规律与强度基本类似,但初始切线模量随固结应力的增加呈指数增加,而极限偏应力则表现为线性增加。通过改进邓肯-张双曲线表达式,建立了K_0固结膨胀土下不同卸荷速率时应力-应变关系的预测公式,并进行了模型验证。     

考虑卸荷速率的K_0固结膨胀土应力-应变行为

通过GDS三轴试验系统对K_0固结原状南阳膨胀土原状样进行了不同卸荷速率和卸荷路径下的不排水三轴剪切试验,在试验资料的基础上,建立了K_0固结膨胀土的初始切线模量E_i与极限偏应力q_(ult)与固结应力及卸荷速率的关系式。发现,K_0固结膨胀土在卸荷剪切过程中的应力-应变关系曲线呈典型双曲线特征;膨胀土的不排水剪切强度随轴向固结应力及卸荷速率的增加而单调增加;初始切线模量E_i及极限偏应力q_(ult)随固结应力及卸荷速率的变化规律与强度基本类似,但初始切线模量随固结应力的增加呈指数增加,而极限偏应力则表现为线性增加。通过改进邓肯-张双曲线表达式,建立了K_0固结膨胀土下不同卸荷速率时应力-应变关系的预测公式,并进行了模型验证。     

膨胀土临界状态强度特性及其模型拟合

针对蒙自地区膨胀土,进行了饱和重塑条件下的固结排水(CD)与固结不排水(CU)试验,系统研究了饱和土在不同固结围压3、初始干密度d、初始含水量0、剪切速率、排水条件下的应力应变特性。通过对临界状态试验结果的归一化处理,揭示了不同试验方法对同一土样抗剪强度量测差异的内在统一性,得到了重塑饱和膨胀土在固结排水与不排水条件下p'-q-空间内的破坏线。利用双曲线模型较好地拟合了弱硬化型应力应变曲线,用指数曲线模型拟合了弱软化型应力应变曲线,为模拟边坡在降雨条件下的抗剪强度变化及构筑物土体处于正常水位时的强度状态等工况提供了技术参数与理论支持。     

膨胀土边坡非饱和渗流及渐进性破坏耦合分析

膨胀土边坡受降雨影响产生膨胀变形,是典型的非饱和土多场耦合问题。为探究降雨入渗对其渐进性破坏的失稳过程,基于饱和-非饱和渗流理论、膨胀土弹塑性本构关系和应变软化理论,利用应变软化模型、FLAC3D二次开发平台和内置FISH语言,提出了一种综合考虑非饱和渗流、膨胀变形和应变软化的多场耦合数值分析法。结合工程实例,通过该方法探讨了降雨入渗条件下膨胀土边坡非饱和渗流、位移响应及渐进性破坏的变化规律。结果表明:膨胀变形和应变软化受控于非饱和渗流的时空分布,对边坡位移响应过程影响显著,也易导致饱和-非饱和分界带形成剪应力集中区。膨胀土边坡渐进性破坏由局部破坏转变为整体性失稳,其塑性破坏区首先随悬挂型暂态饱和区的变化向坡内扩展,雨后逐渐形成第二条由坡脚向坡顶扩展的滑动带,呈现出多重滑动性和后退牵引式的破坏特征。     

膨胀土膨胀模型及其反演

对膨胀土膨胀性这一难题,目前通用的做法是施加一个膨胀力,但是无法给出一个合理的解释,膨胀力的大小也是根据经验来施加的,本文提出了膨胀土的膨胀模型(ESEM)并根据土坡的位移采用反演方法来确定了膨胀土的膨胀力;采用公式推导的方式,指出给膨胀土施加膨胀力和施加膨胀变形是一致的;结合降雨分析,运用Drucker-Prager模型编制了有限元程序,选用2范数进行反演运算;计算过程显示,膨胀土膨胀参数与2范数是单值连续具有凹点的,采用牛顿迭代法迭代,计算得出膨胀土膨胀参数;最终的计算结果,确定了膨胀土边坡的膨胀参数以及膨胀力公式。     

Coupled modelling of hydro‐mechanical behaviour of unsaturated compacted expansive soils

The Barcelona basic model cannot predict the mechanical behaviour of unsaturated expansive soils, whereas the Barcelona expansive model (BExM) can only predict the stress–strain behaviour of unsaturated expansive soils without the water‐retention behaviour being incorporated. Moreover, the micro‐parameters and the coupling function between micro‐structural and macro‐structural strains in the BExM are difficult to determine. Experimental data show that the compression curves for non‐expansive soils under constant suctions are shifted towards higher void ratios with increasing suction, whereas the opposite is true for expansive soils. According to the observed water‐retention behaviour of unsaturated expansive soils, the air‐entry value increases with density, and the relationship between the degree of saturation and void ratio is linear at constant suction. According to the above observation, an elastoplastic constitutive model is developed for predicting the hydraulic and mechanical behaviour of unsaturated expansive soils, based on the existing hydro‐mechanical model for non‐expansive unsaturated soil. The model takes into consideration the effect of degree of saturation on the mechanical behaviour and that of void ratio on the water‐retention behaviour. The concept of equivalent void ratio curve is introduced to distinguish the plastic potential curve from the yield curve. The model predictions are compared with the test results of an unsaturated expansive soil, including swelling tests under constant net stress, isotropic compression tests and triaxial shear tests under constant suction. The comparison indicates that the model offers great potential for quantitatively predicting the hydraulic and mechanical behaviour of unsaturated expansive soils. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

荆门非饱和膨胀土的变形与强度特性试验研究

通过压力板试验,对比分析了荆门原状膨胀土与石灰改良土持水特征的差异性;应用非饱和土三轴仪,开展了原状膨胀土、石灰改良膨胀土与重塑膨胀土的变形及强度特性试验。结果表明：①石灰改良膨胀土与原状膨胀土相比,其进气值有显著降低,残余含水率显著升高,土-水特征曲线两个特征点的斜率较为平缓,说明其水稳定性较好,土体性状更为稳定;②原状膨胀土和石灰改良膨胀土在非饱和与饱和状态的应力-应变关系曲线均呈应变软化型,随净围压的增大,应变软化的程度趋缓;随含水率的减小,峰值应力增大,应力峰值点有所提前,应变软化现象更加显著。饱和重塑膨胀土的应力-应变关系呈应变强化型,非饱和重塑膨胀土则呈现为应变软化型,但其应变软化的程度较前两类土大为趋缓;③经石灰改性后,膨胀土强度参数值有大幅度提高,即使在湿化饱和后,石灰改良膨胀土仍保持了相对稳定的力学性质和较高的抗剪强度参数值。相比之下,无论是重塑膨胀土,还是原状膨胀土,对湿化作用均十分敏感,其强度参数值或波动较大,或整体水平较低。     

A method for extending a general constitutive model to consider the electro-chemo-mechanical phenomena of mineral crystals in expansive soils

The mechanical behavior of expansive soils varies according to the chemical composition of the pore fluid. It is well known that electrochemical phenomena on the surface of clay mineral crystals considerably affect their macrostructural behavior. In particular, a change in the pore fluid composition causes osmotic consolidation or swelling. In this study, a model is constructed to describe the characteristic behavior of expansive soils by coupling the interlaminar behavior of clay mineral crystals and the soil skeleton behavior. The interlaminar behavior is derived from the electro-chemo-mechanical coupling equilibrium of mineral crystals, and the soil skeleton behavior is given by a general elastoplastic constitutive model for soils. This modeling approach extends a general model to consider the electro-chemo-mechanical phenomena of mineral crystals. Oedometer tests with the replacement of the cell fluid and the swelling pressure and deformation tests on expansive clays are simulated with the proposed model. The simulation results indicate that the proposed method can reasonably represent the typical behavior of expansive soils.     

降雨入渗条件下非饱和膨胀土边坡原位监测

为了对降雨诱发的非饱和膨胀土边坡失稳的机理有较深入的了解,在湖北枣阳选取了一个11 m高的典型的非饱和膨胀土挖方边坡进行人工降雨模拟试验和原位综合监测。监测成果表明：降雨入渗造成2 m深度以内土层中孔隙水压力和含水量大幅度增加,致使膨胀土体的抗剪强度由于有效应力的减少及土体吸水膨胀软化而降低;同时,降雨入渗造成土体中水平应力与竖向应力比显著增加,并接近理论的极限状态应力比,以致软化的土体有可能沿着裂隙面发生局部被动破坏,此破裂面在一定条件下（如持续降雨条件下）可能会逐渐扩展,最后发展成为膨胀土中常见的渐进式滑坡。     

南宁膨胀土非线性流变模型研究

对南宁非饱和膨胀土进行一系列的加载-卸载固结蠕变试验,得到了不同含水率的膨胀土在不同应力水平下应变-时间曲线和不同时刻的应力-应变等时曲线簇。通过对膨胀土各阶段蠕变变形的分析,得到了膨胀土的固结蠕变是包含有黏弹性变形和黏塑性变形成分的非线性蠕变。采用模型流变与经验流变理论相结合的方法,将膨胀土的蠕变变形分成线性和非线性两部分进行分析,蠕变柔量和线性黏弹性模量随时间减小,而线性黏塑性模量随时间增大。结合膨胀土的线性黏塑性模型和非线性黏塑性经验模型,建立能够描述膨胀土非线性流变的黏塑性本构方程。根据试验所得数据,通过非线性拟合方法得到各模型参数,用该模型进行数值分析得到的理论与蠕变试验结果对比非常吻合。研究成果为实际工程提供了流变变形计算分析的可靠依据。     

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。