原状黄土固结蠕变特性试验研究

以陕西杨凌地区黄土为研究对象,对不同初始含水率的原状黄土进行了单向固结试验,获取了各级法向应力下的应变-时间曲线,研究了初始含水率、法向应力水平对黄土固结蠕变耦合特性的影响。结果表明:当初始含水率一定时,法向应力水平对黄土的蠕变固结特性有较大的影响,表现为法向应力愈大,黄土的初始应变愈大;当法向应力水平一定时,含水率对黄土蠕变固结特性影响明显,表现为含水率愈大,初始应变愈大。根据应变-时间曲线特征,推导出杨凌地区黄土的应力-应变-时间关系,拟合得到其中的参数,经验证能较好地模拟杨凌地区黄土的固结蠕变耦合特性。另外,采用BP神经网络对应力-应变-时间关系进行模拟与预测,结果表明该方法具有较高的精度和较好的适用性。     

复杂应力下黄土蠕变特性试验研究

为了研究陕西省杨凌示范区黄土边坡的稳定性,采用改进的应力型三轴蠕变仪对所取黄土试样进行了一系列室内三轴固结不排水蠕变试验。试验结果表明：含水率、干密度、偏应力水平对黄土的蠕变特性均有较大的影响,表现为含水率一定,偏应力愈大时,黄土的蠕变变形量较小;偏应力水平一定时,含水率愈大,蠕变现象愈明显,产生的蠕变应变量愈大;其他条件相同时,干密度愈大,黄土试样的蠕变变形愈小。在黄土边坡治理工程中可通过改善边坡排水和增加边坡土体压实情况减小蠕变破坏的可能性。通过对试验数据分析得出了适合杨凌地区黄土的经验蠕变模型,通过与Singh-Mitchell模型和Mesri模型的比较发现,该模型具有精度高、参数少且易获取的优点,并能很好地描述黄土的蠕变特性。     

三轴应力下水对粉砂质泥岩蠕变力学特性影响作用试验研究

采用岩石流变试验机,在三轴应力下分别对干燥与饱水两种含水状态的粉砂质泥岩开展室内蠕变力学试验。分析了水对粉砂质泥岩蠕变量、蠕变长期强度的影响作用。依据岩石的蠕变性质,选取Burgers蠕变模型对其进行描述,得出两种含水状态下岩石的蠕变模型参数。对比干燥与饱水含水状态下岩石的Burgers蠕变模型参数,分析得出了水影响Burgers蠕变模型参数的基本规律。结果表明:（1）相同应力水平下,水对粉砂质泥岩的瞬时应变特性影响较小,而对岩石的蠕应变特性影响相对较大;（2）饱水试样的蠕变长期强度是干燥试样的39.3%,由于水的作用,粉砂质泥岩的蠕变长期强度大幅降低,在工程中应考虑由于水的影响作用而导致的岩石长期强度降低问题;（3）水对Burgers蠕变模型各参数的影响作用从大到小依次为:η₁、G₁、G₂和η₂,即水对Burgers模型中串联的元件力学特性影响较大,而对并联的元件力学特性影响相对较小;（4）由于水的影响作用,粉砂质泥岩达到稳定蠕变阶段所需的时间显著增加,岩石的稳态蠕变速率显著增大;（5）由于水的影响作用,导致粉砂质泥岩的蠕变力学特性发生显著改变。因此,在重大岩石工程中应重视水对岩石时效变形的影响作用。     

钙质粉土的固结特性试验研究

由于水力吹填的分选作用,南海吹填珊瑚礁地基中含有厚度不均的细颗粒钙质粉土夹层。相比粗颗粒礁砂而言,钙质粉土的压缩性高、承载力低、沉降变形大,对建筑物安全造成不利影响。通过室内固结试验,查明了钙质粉土的压缩特性,揭示了钙质粉土的主固结沉降量、次固结沉降量、固结时间和固结速率特征,为更好地了解钙质粉土的工程性质和珊瑚礁地基沉降计算提供科学依据。试验结果表明:钙质粉土压缩系数在0.03～0.37 MPa~(-1)之间,压缩模量在6.67～54.79 MPa之间;压缩系数与含水率成正比,与干密度成反比。其中,含水率小于15%的中密和密实钙质粉土的压缩系数小于0.1MPa~(-1),压缩模量大于20.0 MPa,属于低压缩性土;松散的钙质粉土均属于中压缩性土。与相同干密度和含水率的石英砂相比,石英砂的压缩系数比钙质粉土大,即钙质粉土比石英砂压缩性更低;与相同干密度和含水率的杭州湾粉土相比,两者均属于中压缩性土,但钙质粉土的压缩模量比杭州湾粉土略大,压缩系数略小;当荷载大于200 k Pa时,钙质粉土在固结试验前5 h固结度达到了0.95,因此,建议钙质粉土的固结试验在荷载小于200 kPa时固结时间仍取24 h,当荷载大于200 kPa时取5 h,此举将大大节省测试时间,提高测试效率。     

软黏土变形时效性的试验及经验模型研究

对汕头东部入海口的吹填软土进行了一维次固结试验和三轴固结不排水蠕变试验,分析了这两种机制不同的蠕变特性。一维试验结果表明,软黏土的应力-应变关系呈现出明显的非线性特征,且当土体处于超固结状态时,其主固结和次固结变形相对于正常固结状态会变小,预压可以提高土体的结构屈服强度。在三轴固结不排水蠕变试验中,孔压会随时间一直发展,即有效应力不断减小。当偏应力较小时,土体的变形最终会趋于稳定,应变率也随时间一直减弱;而当荷载增加到临界值时,土体的变形会随时间快速发展,发生加速蠕变破坏。引入分数阶导数的概念,建立了含分数阶导数的Merchant模型,对两种试验数据分别进行拟合并给出了参数范围,结果表明:与经典的Merchant模型相比,分数阶导数Merchant模型能更好地描述软土的蠕变变形,而且模型简单、参数少,能很好地应用到实际工程中。     

结构面的剪切蠕变特性研究

岩体结构面的蠕变特性研究对解决岩石力学实际问题具有很重要的意义。本文利用水泥砂浆制作的规则齿形结构面试样进行了剪切蠕变室内试验,针对不同角度结构面试件在不同法向应力条件下的剪切蠕变特性进行了研究,并根据蠕变试验结果,提出了结构面剪切蠕变经验公式;对结构面的长期强度特性进行研究,并选取Burgers模型来描述蠕变的剪切变形特性,文章最后讨论了Burgers模型对于描述结构面剪切蠕变特性的参数特征。     

低频循环荷载下盐岩轴向蠕变的Burgers模型分析

为了研究盐岩在低频循环荷载作用下的蠕变特性,采用恒轴压、循环围压的应力加载方式对盐岩开展了低频循环荷载蠕变试验。试验结果显示,当蠕变时间较短时,盐岩轴向蠕变曲线近似为平滑曲线,波动性不大;当时间增加到一定程度以后,盐岩变形随围压变化而发生明显的波动。总体来看,循环荷载下盐岩轴向蠕变曲线与Burgers模型蠕变曲线较为相似。将Burgers模型分解为Maxwell模型和Kelvin模型,忽略材料的疲劳效应,分别推导了恒轴压、循环围压应力加载方式下Maxwell模型和Kelvin模型的轴向蠕变方程,分析了荷载循环周期对模型蠕变性的影响规律;将循环荷载下Maxwell模型和Kelvin模型的轴向蠕变方程进行叠加,得到了循环荷载下Burgers模型的轴向蠕变方程,并利用盐岩蠕变试验结果对其合理性进行了验证。结果表明:拟合曲线和试验曲线吻合良好,该模型能够较好地反映盐岩在循环荷载作用下的蠕变特性和荷载变化对盐岩蠕变性的重要影响,特别是能够反映出不同荷载循环周期下盐岩变形随荷载变化而发生的明显的波动现象。     

营口软土的固结不排水剪切蠕变特性

利用自行改装后的三轴蠕变仪对海相沉积的营口软土进行蠕变试验,获得了在不同围压、不同偏应力条件下的剪切应变与时间关系数据。分析表明:(1)固结不排水蠕变中没有体积变化,不同偏应力下剪切蠕变可用对数形式表达;(2)固结不排水剪切蠕变在低应力水平下表现为线性粘弹性,而高应力水平时则具非线性的特性。由此,提出了描述软土蠕变规律的Singh-Mitchell经验模型和五参数的广义Kelvin模型,并确定了相应的模型参数。与试验数据拟合发现:Singh-Mitchell经验模型对应力水平为20%~80%时具有较高的拟合精度;Kelvin模型中的变形模量和粘滞系数均不为常数。     

饱和砂土蠕变特性及其影响因素试验研究

为了研究饱和砂土的蠕变特性及其影响因素,开展了不同密度、不同级配方法（相似级配法、等量替代法）、不同加载方式的侧限高压单向压缩试验。试验结果表明:饱和砂土的蠕变主要经历3个阶段,分别为瞬时变形阶段、快速变形阶段和稳态蠕变变形阶段;压缩模量随密度的增大而增大;用相似级配法所制试样加权平均粒径比等量替代法所制试样的加权平均粒径小42.4%,压缩模量高8%~18%。不同加载方式对试样的最终变形量也有一定的影响。循环加载后,试样压缩模量减小4.3%~10.1%,最终应变量增加4.6%~6.0%。对试验数据进行统计分析表明,用幂函数可以很好地拟合饱和砂土的应力、应变、时间关系,最终得到适用于本砂土的蠕变模型。研究成果可在砂土地基设计、评估中得到应用。     

三轴压缩下粉砂质泥岩蠕变本构模型研究

依据粉砂质泥岩三轴压缩蠕变试验结果,分析了岩石的蠕变力学特性。选取线性黏弹性Burgers模型来描述岩石的衰减蠕变和稳定蠕变特性。引入非线性黏塑性元件,将其与Burgers模型串联起来,建立一个新的六元件非线性黏弹塑性Burgers蠕变本构模型。采用非线性Burgers模型来描述岩石的加速蠕变特性。应用Levenberg-Marquardt算法对蠕变试验曲线进行辨识,得出各级应力水平下岩石轴向与径向的蠕变模型参数。对比试验曲线和模型拟合曲线,二者吻合较好,表明线性Burgers模型与非线性Burgers模型可以准确描述岩石3个蠕变阶段的力学特性。模型参数辨识结果表明,在同一级应力水平下岩石轴向与径向的蠕变模型参数各自独立并不统一,模型参数取值时应考虑岩石蠕变的各向异性以及轴向与径向蠕变量、蠕变速率大小的差异。在前7级应力水平下,模型参数应取以轴向应变辨识得到的Burgers模型参数;在第8级应力水平下,模型参数应取以径向应变辨识得到的Burgers模型参数;在破裂应力水平下,模型参数应取以径向应变辨识得到的非线性Burgers模型参数。     

吹填场区软黏土地基的次固结特性研究

针对天津中心渔港吹填场区软黏土地基进行了一系列的固结压缩试验,获得应力、应变与时间的关系,对比分析了吹填土层和天然沉积土层的固结和次固结特性,为吹填场区软黏土地基变形模型建立及长期工后沉降预测提供理论依据。研究表明,吹填土和天然沉积土的应变速率与时间双对数曲线具有很好的线性相关性;处理后吹填土含水率和压缩性较低,天然沉积土含水率和压缩性高;随荷载P增大,吹填土的次固结系数Ca?变化不大,天然沉积土的次固结系数Ca先增大后减小,最终趋于稳定;次固结系数Ca与压缩指数Cc具有良好的线性相关性,其随时间的增加均呈对数下降趋势。     

Creep behaviour of frozen soils in uniaxial compression tests

The stress—strain behaviour of frozen soils is often described by means of creep curves from uniaxial or triaxial creep tests. Ten or twelve tests of similar samples are required to obtain a good relationship between stress σ, strain ε, temperature T and time t or strain rate ε. To reduce the required number of samples it is possible to apply the compression load in creep tests stepwise. Therefore creep curves for different stress levels can be obtained from one sample.

In this paper the bearing capacity of cylindrical samples of frozen medium sand under constant uniaxial compression stress and under stepwise increased stresses is compared. It is shown how to use these different creep curves to describe the stress—strain behaviour of frozen soils.     

k0固结条件下淤泥土排水蠕变特性研究

利用室内试验研究土体蠕变特性时,因受试验条件限制较少开展土体的排水蠕变特性试验研究。对于先还原土体的先期固结条件,然后再开展土体的三轴排水蠕变特性试验的研究更少。为此,以淤泥土为研究对象,通过 固结三轴排水蠕变试验探讨了饱和淤泥土在轴向加载和侧向减载条件下的排水蠕变特性。由试验数据可知：排水条件下,两种应力路径的轴向蠕变规律基本一致,体积应变明显小于轴向应变,且随时间的延长呈现一定程度的剪缩与剪胀交替性。首次利用三单元力学模型推测出淤泥土的蠕变起始时间为施加偏应力荷载后的100～200 min之间。提出淤泥土蠕变系数的概念并总结其变化规律,得知淤泥土的蠕变系数与偏应力水平密切相关,即不论围压及加载方式如何,蠕变系数均随应力水平增大而增大,且基本呈直线关系,而与前期固结围压大小、蠕变荷载施加方式关系不大。最后提出了淤泥土蠕变本构模型建立的思路,即用南水双屈服面模型描述瞬时变形量和用蠕变经验公式描述蠕变变形量相结合的方式来建立蠕变本构模型。     

快速加固吹填土的室内模拟试验

吹填造陆是解决沿海地区建设用地不足的主要方法之一。为了使吹填土在较短的时间内获得较好的加固效果,结合吹填土特殊工程地质性质和加固过程中强度增长具有阶段性的特点,提出了边吹填边加固的加固思路。在该思路的指导下进行室内模拟试验。试验发现不同加固阶段吹填土强度增长表现出明显的分带性;与竖向排水体距离小于25 cm的土体强度增长较快;随着加固时间的延长,待加固土体强度整体增长;当持续真空加荷一个月时,部分待加固土体承载力已达到80 kPa。可以看出,强度增长与外部荷载的大小、渗透路径的长短、附加应力的大小密切相关。分阶段加固的方法在一定程度上抑制了泥皮的形成,缩短了真空加荷时间,节约工期,有利于吹填土的加固。     

固结与荷载耦合作用下吹填土力学性质与微结构参数关联性

固结条件与荷载条件对吹填土的力学特性具有明显的影响,且土的微观结构特征是决定其宏观力学性质的本质因素,为了研究吹填软土力学特性在不同固结条件和荷载条件下的变化规律及与微结构参数的关联性,对天津滨海新区重塑吹填软土进行不同初始固结条件与荷载效应综合作用下的蠕变试验和微观结构测试,研究此条件下吹填土力学特性的变化规律,并通过灰色关联度理论建立宏观力学参数与微结构参数之间的关联性。试验结果表明:稳定性蠕变对吹填软土强度的增长起到积极作用,有偏压固结较无偏压固结强度增长更快,且初始固结越充分,强度增长越快;随蠕变时间的增加,颗粒的等效直径、形态比和圆度呈增大的趋势,而颗粒和孔隙的数量与周长、孔隙的等效直径、形态比和圆度则呈减小的趋势;抗剪强度指标C,φ值随颗粒等效直径、形态比和圆度的增大而增大,但随颗粒和孔隙的数量与周长、孔隙的等效直径、形态比和圆度的增大而减小。关联度分析表明,颗粒（孔隙）等效直径和圆度是影响吹填土力学性质演化的重要微结构参数,固结与蠕变越充分,土体微结构参数调整越稳定,强度越高。     

中国南海钙质砂蠕变-应力-时间四参数数学模型

钙质砂是一种海洋生物沉积形成的具有特殊结构和力学性质的岩土材料,是我国南海岛礁吹填工程的物源材料。为进一步了解其蠕变特性,采用三轴流变仪对取自中国南海某岛礁的钙质砂进行不同围压条件下的长期蠕变试验研究。试验结果表明,在小于其破坏强度的恒定应力作用下,饱和钙质砂发生衰减蠕变,随时间增加,变形不断增加,但变形速率不断减小,直至变形稳定,所受应力越大则达到变形稳定所需时间越长,且蠕变变形量与所受偏应力正相关、与有效围压反相关。应力-应变与应变-时间均为非线性关系。试验研究发现,可采用幂函数对钙质砂蠕变应变-时间进行数学描述,基于试验结果,提出了一种蠕变应变与时间、偏应力和有效围压相关的四参数新的蠕变模型,可以对钙质砂的蠕变过程进行较好的数学描述;与经典的Mesri蠕变模型相比,所提出的数学蠕变模型不需要开展常规三轴压缩试验确定破坏时的峰值偏应力,减少了试验工作,具有一定的优势。     

吹填软土邓肯-张模型与应变硬化指数理论研究

天津滨海新区正在进行大规模吹填造陆工程,由于吹填土成分主要以细粒为主,固结不充分,工后沉降问题成为亟需解决的问题。通过吹填软土重塑样的三轴固结剪切试验,以试验所得的应力应变关系曲线为基础,比较研究了邓肯一张模型和应变硬化指数理论。结果表明：两种模型各有特点,邓肯张模型能够准确预测应力应变曲线的始末段,而应变硬化指数理论参数能够反映吹填重塑土的应变硬化能力。     

高温-高含冰量冻土原位旁压蠕变试验

为了研究高温-高含冰量冻土的蠕变特性,在青藏高原多年冻土区开展了旁压蠕变试验。试验结果表明：旁压蠕变曲线可以借鉴Ladanyi的工程蠕变理论来表示;每个试验中瞬时弹性应变在各级压力下的总应变中所占比例的平均值为3%～7%,冻土温度轻微的改变都会引起剪切模量的大幅变化;冻土的初始蠕变应变可以采用幂函数形式来计算,其强化系数k=1.87,应变系数与负温绝对值之间呈线性正相关关系。稳定蠕变阶段的应变速率可以用Glen蠕变模型来表示,其中参数n随体积含冰量的增加而线性增加;若体积含冰量外推至100%（纯冰）时,n=3.85,这与前人通过室内试验得出的结果有些差异。温度较低时,蠕变速率较小;当温度趋近于0 ℃时,蠕变速率迅速增大。     

孔隙变化对吹填土地基真空预压固结的影响

吹填地基真空加固过程中,吹填土由液体泥浆变为固态土体,其孔隙降低非常大。由于土体的渗透性和压缩性是孔隙比的函数,因此,吹填土在固结过程中固结系数变化很大,而现行设计方法中固结系数取为常数,这导致预测结果和实际结果差异较大。为考虑固结过程中孔隙变化对固结过程的影响,推导了真空荷载作用下土体固结系数与有效应力的关系,并将该关系应用于巴隆固结理论,从而建立吹填土地基真空固结分析模型。通过室内模型试验,验证了该模型的合理性。计算结果表明,考虑孔隙变化的影响时,吹填土地基前期固结速度快,而在后期逐渐变慢。由于排水面附近土体渗透系数迅速降低,阻碍了周围土体中孔隙水向排水面排出,因此,与现行固结设计方法计算结果相比,吹填土地基后期固结速度慢,总体固结时间长。     

冲填软土地基深层加固的优化方案分析

冲填软土地基需要经过地基处理后才能投入工程使用,处理方案一般为浅层地基处理如真空预压处理,但对于大面积大荷载堆载场地,浅层地基处理不足以保证地基稳定性,需进一步做深层地基加固。本文针对广州某造船基地大面积堆载场地,对经真空预压处理后的该类深厚冲填软土地基提出了搅拌桩地基、微型桩地基以及搅拌桩微型桩交错布设地基加固方案,并基于Biot固结理论和有效应力原理,采用有限元分析软件PLAXIS进行数值模拟,对土体选取基于修正剑桥模型的软土模型和Mohr-Coulomb模型,对搅拌桩和微型桩依次选取线弹性模型和弹性模型,计算得到不同加固方案的基础沉降量。基于不同桩型加固机理对计算结果进行进一步分析得出,对此类深厚冲填软土地基,相同桩长的搅拌桩地基加固效果较微型桩效果更明显; 另通过对不同桩长搅拌桩地基加固效果的模拟计算,发现桩长为10m到15m的搅拌桩均能有效加固地基,但随着桩长的增加,加固效果未能显著提高。本研究为冲填软土地基深层加固的设计提供了一定的依据。