结构性黄土的临界压力比及其边界面塑性本构模型预测

结构性黄土的临界状态与初始孔隙比有关,表现出临界状态线不唯一,需通过指标临界压力比反映,而修正剑桥模型及其改进模型预测的临界状态线唯一,这导致结构性黄土的临界状态及应力-应变关系难以被准确预测。针对这一问题,首先基于原状黄土三轴不排水剪切试验结果,根据临界压力比的公式,计算得到了不同初始孔隙比条件下指标临界压力比的值,发现原状黄土的临界压力比与初始孔隙比成反比例关系,阐明了其临界压力比的物理力学意义;进一步,在一个考虑临界压力比的边界面塑性本构模型框架下,引入结构性硬化参数以反映原状黄土在等向压缩路径下的结构劣化,通过临界压力比的不同取值来反映临界状态线不唯一,通过耦合塑性偏应变引起结构强度衰减与塑性体变引起结构劣化两个方面充分反映黄土的结构性劣化行为;最后,采用该模型预测了原状黄土三轴不排水剪切行为与等向压缩行为,临界状态、应变软化、应力路径及孔隙水压力预测效果良好。以上结果表明,结构性黄土的临界压力比物理意义明确,且取值方法可靠,本构模型若考虑临界压力比则能切实反映黄土实际的临界状态。上述研究结果对于黄土地区岩土工程问题的数值分析具有重要的理论与实际意义。     

基于真三轴试验的黄土结构性变化规律研究

基于综合结构势理论,通过自主研发的真三轴仪,研究了原状黄土、重塑黄土和饱和黄土的应力-应变关系和土的结构性变化规律,针对反映黄土变形过程结构性演变的应力比结构性参数,揭示了不同含水率黄土结构性参数与广义剪应变关系随固结压力、应力路径的变化规律,建立了数学描述模型,同时验证了真三轴仪和应力比结构性参数的可靠性。结果表明,土的状态不同,其应力-应变关系存在明显差异。原状土更易呈现应变软化或双曲线特性,而重塑土或饱和土更易呈现双曲线或应变硬化特性。随着剪切变形和含水率的增大,土的结构性均逐渐减小,而固结压力? c和中主应力参数b值也会影响土的结构性变化规律。提出的结构性参数的拟合公式与理论和试验结合吻合较好,可推广工程应用。     

考虑细观结构演化的非饱和Q_3原状黄土弹塑性本构模型

Q_3原状黄土是典型的非饱和土,具有明显的结构性,其力学变形特征与结构性密切相关。建立黄土的本构模型有必要考虑加载和湿陷过程中结构演化特征,才能真实地反映原状黄土的固有特性。假设原状黄土的屈服应力是重塑黄土与结构性两者的耦合,基于细观结构演化规律,考虑吸力和结构性的影响,提出了一个非饱和Q_3原状黄土的弹塑性本构模型。模型包括土骨架变形与水量变化两个方面,土骨架变形方面以修正Barcelona非饱和土弹塑性模型为基础,引入通过CT三轴试验获得的Q_3原状黄土加载-湿陷过程中的结构演化方程,分别得到描述土骨架在加载和湿陷过程的本构模型,以突出加载和湿陷过程中结构性对变形的影响;水量变化方面则采用广义土-水特征曲线描述,以反映净平均应力和偏应力对持水性的影响。模型总计22个材料参数,均可由试验确定。通过对比若干试验数据与模型计算结果,初步验证了模型的合理性。建立的考虑结构性的弹塑性本构模型为深化认识黄土力学特性提供了可能,并为有效分析黄土地基湿陷变形提供了一定借鉴。     

黄土的修正上下加载面模型研究

由于天然沉积的黄土具有显著地结构性,在湿度及荷载变化条件下,其宏观力学特性发生显著的变化。为了分析增湿和加载条件下黄土的结构性损伤演化特性及应力-应变关系的变化特性,引入上、下加载面的概念,在原有超固结及结构性参数的基础上,考虑了含水率变化的影响,定义了新的初始超固结及结构性参数;运用上、下加载面概念,通过引入构度及黄土结构屈服强度,推导了结构性黄土的一般应力-应变关系,并进行了参数的影响变化分析;最后,通过不同含水率条件下的黄土压缩及三轴试验数据与模型预测数据的对比分析,验证了模型的合理性。     

不同应力路径下非饱和黄土的结构变化特性

以陕西杨陵非饱和黄土为研究对象,对不同初始含水率的原状黄土及相应的重塑黄土进行不同应力比下的等应力比加载试验,求取非饱和黄土在不同应力状态下的综合结构势参数,研究了黄土在等应力比压缩试验状态下的结构变化特性。结果表明,当初始含水率不变时,应力比(?=?3/?1)对黄土的结构性有较大的影响,表现为应力比愈小,黄土的结构性愈弱;当应力状态不变时,含水率对结构性参数影响明显。含水率愈低,同一应力状态下对应的结构性参数愈大,尤其在低含水率区域,含水率变化强烈影响原状黄土的结构性。     

考虑结构性影响的原状黄土本构关系

将三轴应力条件下同一应变的原状黄土主应力差与扰动饱和黄土主应力差之比定义了一个定量化结构性参数 ,它综合反映了土的排列和胶结特征所表现出的综合结构势。结构性参数的变化量与轴应变关系可以用双曲线来拟合,由此所得到的结构性参数表达式可以反映围压、湿度、密度、应力和应变对结构性的影响。结构性参数对不同含水率下原状黄土的应力-应变曲线有很好的归一化作用,归一化后的结构性应力-应变曲线可用符合邓肯-张模型的扰动饱和土应力-应变关系来描述。在扰动饱和土本构关系中引入结构性参数所得到的原状黄土本构关系能够考虑原状黄土结构性的影响,且可以描述软化型和硬化型的应力-应变关系,计算结果与试验结果之间吻合较好。     

原状黄土的压缩曲线特性

原状黄土是一种具有结构强度的欠压密土,其侧限压缩变形特性区别于一般土。为研究原状黄土侧限压缩变形的共性,对西安、兰州6个场地不同含水率的原状Q3、Q2黄土进行了侧限压缩试验,得到了相应场地不同含水率原状黄土的压缩曲线,分析了其压缩曲线的形态,通过曲线对应的压缩屈服应力及初始孔隙比,将各黄土不同含水率下的压缩曲线归一化为同一曲线,且形成时代相同的黄土归一化曲线位置相同,并利用复合幂?指数模式分别描述了Q3、Q2黄土归一化的曲线。将文献中试验黄土的初始孔隙比与压缩屈服应力代入归一化曲线的表达式,计算得其压缩曲线和压缩性指标。经对比,与文献实测压缩曲线及压缩性指标很接近,验证了黄土压缩曲线的归一化特性并对其进行了应用。结果表明：试验黄土压缩曲线具有可被其初始孔隙比和压缩屈服应力归一化的特性,此特性为黄土侧限变形性质的分析提供了一条便捷的途径。     

原状黄土的结构性及其与变形特性关系研究

在不同含水率下对兰州、西安原状黄土进行压缩试验,根据同一压力下原状、重塑及饱和黄土的孔隙比定义了一个定量结构性参数,探讨了结构性参数随压力及含水率变化的规律性。研究表明：（1）用结构性参数随含水率及压力变化特性来研究结构性对原状黄土的压缩性、湿陷性的影响可以得到良好的规律性。（2）同一含水率下结构性参数在压力未达到结构强度以前,随压力的增大而增大;达到结构强度之后,压力增大使结构性参数明显减小或缓慢增大。（3）同一压力下结构性参数在含水率未达到结构破坏起始含水率?f之前降低很小;达到?f之后,含水率增大,使结构性参数快速减小。?f随压力的增大而减小,高压力处含水率变化对结构性参数有显著影响。（4）两地黄土在不同压力或含水率下湿陷系数与结构性参数mp关系可以归一为一条直线,即湿陷系数受结构性影响的规律是相同的。     

黄土结构性力学特性研究与应用的探讨

大孔隙、高孔隙比、欠压密的非饱和黄土具有显著的结构性,结构性是影响土力学性质的关键因素。在讨论土结构性力学特性研究途径的基础上,从反映土的结构可稳性和可变性的综合结构势出发,阐述了反映力、水作用的黄土压缩变形结构性参数、应力结构性参数和应力比结构性参数,以及与土的物理性质指标对应的反映结构特征的构度。通过黄土的单轴抗压试验、非饱和直接剪切试验、三轴试验和真三轴试验,揭示了结构性参数和构度的变化规律,以及它们分别与强度指标之间的关系,提出了湿、剪变形过程等结构性临界状态的概念。将正常固结土视为结构性参数或构度等于1的无结构性土,在修正剑桥模型的基础上,考虑临界状态线和等向压缩曲线随结构性参数的变化,建立了结构性屈服面方程,为建立结构性弹塑性本构方程打下了基础。同时,阐述了黄土隧道围岩和黄土地基稳定性分析中应用结构性强度变化规律研究成果的途径,深化了黄土体稳定性分析的理论基础。     

非饱和黄土结构性定量试验研究

非饱和黄土是典型的结构性土,对4种含水率的原状非饱和黄土和重塑非饱和黄土进行了3种围压下的三轴剪切试验。基于二元介质理论,通过原状非饱和黄土和重塑非饱和黄土的应力-应变曲线对比,定义了结构性参数结构应力分担比。考察了不同围压和含水率对结构应力分担比随应变变化的影响,并给出了其定量表达式。试验结果表明,围压和含水率是影响结构性的两个主要因素;随着应变增长,结构应力分担比分先线性增长后指数形式减低,其最大值可以表示成围压和含水率的函数。最后给出了考虑结构性的原状非饱和黄土本构模型的建模思路。     

结构性黄土一维湿陷特性的离散元数值模拟

针对结构性湿陷性黄土大孔隙和胶结特性,应用离散元生成了不同含水率结构性黄土试样,研究试样的一维湿陷特性。首先,根据已有的结构性黄土试验资料和胶结颗粒材料离散元数值试验成果,建立胶结强度和初始饱和度之间的关系。其次,采用蒋明镜等提出的分层欠压法[1]和胶结模型[2]制得不同含水率结构性黄土离散元试样,然后进行不同含水率双线法和同一含水率4个压力下单线法湿陷试验的离散元数值模拟。数值模拟结果表明,提出的离散元分析方法能模拟天然结构性湿陷性黄土的主要力学性质,随着含水率的减少,结构屈服应力和最大湿陷压力增加,湿陷系数随着压力先增加后减小,湿陷起始压力为饱和试样的结构屈服应力,单线法湿陷后压缩曲线与饱和试样的压缩曲线接近。此外,模拟结果还表明,不同含水率结构性黄土离散元试样的最大湿陷系数与天然结构性湿陷性黄土相差较远,但在最大湿陷系数与孔隙比的比值上相接近;结构屈服对应着胶结的逐步破坏,湿陷伴随着大量的胶结破坏。提出了基于胶结点数目的损伤变量,研究了其在加载和湿陷过程中的变化规律。研究成果为认识黄土复杂力学特性和建立其本构理论提供了基础。     

黄土路堑边坡变形破坏机理的三轴试验研究

通过原状黄土的减压三轴压缩试验,研究了黄土边坡不同深度不同含水量土体的应力-应变关系,并与原状黄土的常规三轴试验结果进行了比较,发现减压三轴试验能合理地模拟和解释开挖卸荷作用下黄土边坡土体的变形与破坏过程。试验结果表明:坡脚开挖卸荷时,黄土边坡中浅层非饱和黄土易出现应变软化或塑性流动,强度较低,易产生较大变形,而深层饱和黄土仅在高围压下发生应变硬化,强度增加,在中低围压时均发生应变软化现象。分析认为黄土边坡特殊的工程地质条件,使得黄土边坡的特定部位在开挖卸荷作用下常形成了不利于土体稳定的含水量和围压组合,导致坡体特定部位的土体变形破坏,进而诱发边坡的变形破坏;开挖卸荷作用下黄土边坡变形破坏的力学机制应为蠕滑-压致拉裂或牵引式滑坡。     

黄土初始结构性及其湿载作用下演化规律

黄土的结构性是除粒度、密度、湿度之外更为重要的指标。通过总结分析综合结构势理论框架内业已提出的结构性参数及其演化规律,并将结构性参数分为过程结构性参数和初始结构性参数两类,这种分类说明了合理的结构性参数既要反映土的基本物理属性还要反映其在外部扰动作用下的演化过程。针对目前结构性参数及其演化规律存在的问题,采用能够反映初始结构性的构度指标与反映过程结构性的应力比结构性参数,提出了球应力与剪应力对结构性参数综合影响的综合应变,并分析综合应变与结构性参数之间的关系,建立了一个能反映结构性从初始到湿载作用下衰减演化的数学模型。通过理论分析和常规三轴试验研究表明,该数学模型避免了试验围压对初始结构性的影响,并且考虑了湿载过程中体应变与剪应变的共同影响,更加准确地反映黄土的结构损伤演化规律。     

天水黄土结构性变化诱发滑坡敏感性分析

黄土高原地区黄土滑坡频频发生,尤其是近年来极端气候条件增多,集中强降雨导致甘肃天水地区黄土滑坡群发.2013年8月,在经历一周持续降雨之后,天水地区产生了大量的黄土滑坡以及黄土-泥岩接触面滑坡.黄土地区滑坡发生后一些滑坡的复活往往与黄土的结构性存在紧密联系.选取天水花南村滑坡后壁黄土为研究对象,利用GDS三轴仪对滑坡区黄土原状样和重塑样进行了固结不排水三轴压缩试验.试验结果表明,原状黄土表现出明显的应变软化特征,而重塑黄土的应变软化现象急剧减小,二者的孔隙水压力变化特征也有差异.同时基于三轴试验结果,绘制了原状黄土和重塑黄土的应力路径图,应力路径图再次证实了重塑样应变软化减小的现象.孔隙水压力随轴向应变变化图中可见,剪切初始阶段,重塑样的孔隙水压力增加较原状样更为迅速,对于滑坡的诱发更加敏感.     

含水率对重塑黄土的变形特性影响的实验研究

采用侧限压缩实验,对相同干密度、不同含水率的重塑黄土进行压缩固结实验。借鉴原状黄土湿陷性的研究方法,分析了含水率对于重塑黄土的变形影响。结果表明:低含水率时,孔隙比随应力的变化近似为线性、割线模量随应力的变化表现明显的非线性、应变速率衰减得快;高含水率时,孔隙比随应力的变化表现为明显的非线性、割线模量随应力的变化近似为线性、应变速率衰减得慢。     

陇东Q3结构性黄土压剪损伤本构模型试验研究

Q3黄土在我国西北地区分布广泛,且大部分都具有显著的结构性。随着国家“一带一路”倡议的不断向前推进,作为丝路沿线的西北黄土分布地区将迎来新的建设大潮。黄土的结构变形特性非常复杂,深入研究黄土在压缩、剪切条件下的结构损伤变形特性,并依此构建黄土的本构关系在理论研究及现场工程应用中具有非常重要的意义。通过对黄土进行均等压缩试验及三轴剪切试验,基于损伤力学思想,提出黄土结构在均等压缩条件下的平均正应力损伤比,在剪切条件下的平均正应力损伤比及偏应力损伤比。根据弹性、塑性应变确定塑性势线,进而确定其屈服函数;将确定的黄土结构损伤比引入到屈服函数中,得到一定结构损伤时黄土的屈服函数表达式;验证了选取塑性体应变作为本构模型硬化参量的合理性;根据硬化参量与相关试验参数的联系,推导出结构性黄土在压剪条件下的损伤本构模型。经过实测应力-应变曲线与本构模型推算得到的应力-应变曲线对比可知,所建立的本构模型可以较好地反映黄土在压剪条件下结构损伤演化变形过程,具有较好的工程应用前景。     

强震区黄土结构演变与力学响应机制

黄土因其遇水产生湿陷变形而对工程构筑物的安全性造成严重威胁.强震区黄土遭遇先期地震后其内部结构将发生变化,结构演变与黄土初始含水量密切相关.先期地震对黄土的结构性破坏引起宏观力学特征变化,为揭示强震区黄土结构演变与力学响应的内在机制,基于动三轴对黄土试样预先施加不同PGA（peak ground acceleration）条件下动荷载进行预震处理,模拟强震区先期地震对黄土的扰动,后进行固结不排水试验,分析抗剪强度指标与地震荷载及初始含水量的关联性.试验结果表明,初始含水率为2%时,预先施加地震动荷载的黄土试样与未预先施加动荷载的试样相比,其峰值强度出现了明显降低,且随着预先施加动荷载PGA的增加,峰值强度降幅增加.孔隙水压力随应变的不断增加趋于平缓,有效轴向应力和有效围压随应变的不断增加而持续减小,最终趋于平缓;初始含水量增加至12%,预震处理后的黄土试样强度增大.通过绘制应力路径关系曲线,确定了强震区黄土失稳的临界失稳线,对于同一黄土试样,PGA增加后引起黄土失稳线不断下移,表明黄土中的应力状态随地震动荷载的增加而发生变化.初始含水量为12%时,预震后的黄土试样剪切强度增大,表明含水量增加后,前期地震荷载开始破坏黄土初始结构性,导致试样密度增大,产生强度增加效应.      

不同地区非饱和黄土动力结构性研究

对兰州、洛川、杨凌地区黄土在不同含水率与不同应力状态下进行动扭剪三轴试验,测定了黄土的动剪应力-应变关系曲线;同时,依据Hardin-Drnevich双曲线模型,改进了基于动剪应力考虑的土结构性定量化参数,并应用该参数对三地区非饱和黄土的动力结构性进行了分析。结果表明,三地区非饱和黄土的动力结构性参数随动剪应变的增大先降低,而后保持在一个稳定的水平;含水率与固结应力对黄土的动力结构性影响显著,在相同的固结应力条件下,含水率越低,黄土的动力结构性参数越大,在相同的含水率条件下,固结应力越小,黄土的动力结构性参数越大;在相同的条件下,杨凌地区黄土的动力结构性最强,洛川地区黄土次之,兰州地区黄土最弱,即黄土的动力结构性在地理空间分布上存在从西北向东南方向增强的规律。