部分排水条件下饱和黏性土渐近状态本构模型研究

为研究排水边界条件对饱和软黏土强度特性的影响,利用GDS-DYNTTS动三轴仪开展了饱和软黏土的不排水试验和自由排水试验。采用控制体应变与轴向应变增量比ξ的方法进行了部分排水条件下饱和软黏土的强度特性试验,从孔隙水压力、p-q平面的有效应力路径和渐近状态特性等方面研究了排水边界条件对饱和软黏土力学特性的影响。基于渐近状态特性和剪胀特性,将应变增量比ξ引入应力路径本构模型,建立了饱和黏性土渐近状态本构方程。通过与孔压、有效应力路径实验结果的对比验证了模型的合理性。试验结果表明饱和黏性土的应变增量比ξ应小于0.3;排水条件影响正常固结黏土剪胀性的发挥程度、有效应力路径以及土的抗剪强度大小。随着应变增量比ξ的增大,饱和黏性土的孔隙水压和有效应力比减小而强度增大。试验后期,饱和黏性土试样长期处于临界状态,改变排水条件可抑制或加速土体的破坏。     

部分排水条件下饱和黏性土渐近状态本构模型研究

为研究排水边界条件对饱和软黏土强度特性的影响,利用GDS-DYNTTS动三轴仪开展了饱和软黏土的不排水试验和自由排水试验。采用控制体应变与轴向应变增量比ξ的方法进行了部分排水条件下饱和软黏土的强度特性试验,从孔隙水压力、p-q平面的有效应力路径和渐近状态特性等方面研究了排水边界条件对饱和软黏土力学特性的影响。基于渐近状态特性和剪胀特性,将应变增量比ξ引入应力路径本构模型,建立了饱和黏性土渐近状态本构方程。通过与孔压、有效应力路径实验结果的对比验证了模型的合理性。试验结果表明饱和黏性土的应变增量比ξ应小于0.3;排水条件影响正常固结黏土剪胀性的发挥程度、有效应力路径以及土的抗剪强度大小。随着应变增量比ξ的增大,饱和黏性土的孔隙水压和有效应力比减小而强度增大。试验后期,饱和黏性土试样长期处于临界状态,改变排水条件可抑制或加速土体的破坏。     

饱和剪胀性砂土液化后流滑现象与机理

基于完全不排水试验的已有研究结果表明,只有在饱和松砂中才可能发生流滑现象,较密实的饱和剪胀性砂土在初始液化后的不排水循环或单调剪切作用条件下,则会呈现出所谓往返活动性或抗剪强度恢复现象。然而,实际土工抗震边值问题中的饱和砂土在许多情况下并不能够被视为处于完全不排水条件,可能由于土性和变形等因素的不同而处于剪切排水甚至剪切吸水条件。通过对饱和砂土液化后常剪切吸水率试验结果的分析指出,剪切吸水条件可能导致剪胀性砂土的抗剪能力显著降低、甚至发生流滑现象。基于可逆性与不可逆性剪切体应变的概念以及3种体应变分量变化的特性规律,推导出剪切吸水条件下的体变约束条件。不同排水条件下的体变约束条件决定了剪胀性砂土应力-应变响应的不同变化,当满足自由吸水剪切条件时饱和砂土会出现具有流动特征的大变形;当满足强制吸水剪切条件时会发生具有非稳定特征的流滑现象。     

材料状态对粗粒料力学特性影响的试验研究

粗粒料的力学特性与材料状态诸如围压、密度、岩性、级配等因素密切相关。通过粗粒料常规大型三轴各向等压固结排水剪切试验,研究了材料状态对粗粒料力学特性的影响,试验结果表明,初始干密度越小,应力–应变曲线硬化性越强,剪缩性越明显,随着初始干密度的增大,应力–应变曲线的软化性和剪胀性逐渐增强;岩性对粗粒料的力学特性也有明显影响,岩性越硬,应力–应变曲线的软化现象越明显,试样的剪胀性也越大,抗剪强度也越高;级配对粗粒料的力学特性也有重要影响,粗砂和细砾含量相同时,粗砾含量越低,粗粒料抗剪强度越小,体胀变形越大;不同围压的试样孔隙比随着剪切变形的发展逐渐趋向于临界孔隙比,且在平均正应力对数坐标系内呈较好的线性关系;围压、密度、岩性、级配等影响因素下,粗粒料的Rowe剪胀模型参数的归一性都较好,说明Rowe剪胀模型能反映粗粒料的材料状态对其力学特性的影响。     

不同应力路径下饱和重塑黄土的力学特性

土体的力学特性往往因应力状态和应力路径而异。为了探讨垂直加载和等剪路径下饱和土的力学特性,制备饱和重塑黄土试样,通过固结不排水（CU）和常剪应力排水剪（CSD）三轴试验,分别测定并绘制其应力-应变曲线、孔隙水压力变化曲线和应力路径曲线。试验结果表明,饱和重塑黄土在2种路径下有明显不同的变形特点:CU路径下的应力-应变曲线皆呈弱软化型,孔隙水压力先快速上升后逐渐趋于稳定;CSD路径下维持偏应力为一常量,施加孔隙水压力后的很长时间内试样变形很小,当孔隙水压力增大至试验围压的60%~75%时,试样迅速破坏。CSD路径无偏应力峰值,文中根据轴应变随平均有效应力变化曲线定义了等效峰值破坏线。通过对比发现,2种路径下饱和重塑黄土的有效峰值强度指标差异明显,而有效残余强度指标相近,表明有效残余强度指标是重塑黄土内在属性,受应力路径的影响不大。该研究结果可为实际工程选取正确的应力路径试验提供参考。     

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。     

干湿-冻融循环下延吉膨胀岩的力学特性及其应力-应变归一化

为了研究干湿、冻融和干湿-冻融循环作用对延吉膨胀岩的应力-应变关系、体变特性、抗剪强度的影响,开展了一系列的固结排水剪切试验。结果表明：未循环试样的应力-应变关系曲线表现为稳定型或弱应变软化型,3种环境作用后试样应力-应变关系曲线呈现出一定的应变软化特性,剪胀明显,而且围压越小、循环次数越高的试样软化和剪胀的程度越高;随着循环次数的增加,3种环境作用下试样的黏聚力急剧减小,而内摩擦角略有增加;干湿-冻融循环作用下试样的应力-应变关系软化程度最高,剪胀最显著,试样的黏聚力降低的幅度最大。基于Konder双曲线模型,对循环处理前后试样的应力-应变特性进行归一化分析,建立了考虑干湿-冻融循环次数和围压影响,能同时描述应变软化型和硬化型的应力-应变关系式,并对不同干湿-冻融循环次数试样的应力-应变曲线进行预测,预测值与实测值较为接近,预测效果较好。     

不同排水条件下饱和砂土快速大剪切力学特性

为探索滑坡灾害中土在复杂条件下的剪切力学特性,本文利用大型环剪试验机,通过进行各种排水条件下的连续大位移剪切试验,对不同法向应力、剪切速率和孔隙水压力等复杂条件下饱和砂土的力学特性及其变化机理进行了研究。结果表明：1）在连续快速剪切条件下,砂土剪切力学特性在干燥、不排水和排水等条件下呈现不同的变化形式。其中在不排水条件下,饱和砂出现一定的应变软化现象。2）在相同正应力和剪切速率的环剪试验中,饱和砂在不同排水条件下（上排水、下排水、上下排水）的抗剪强度出现显著差异。3）在排水环剪试验条件下,砂土剪切应力与强度的差异性变化不仅与土体内细土颗粒运移和结构变化有关,并且受到剪切过程中不同排水条件下孔隙水压力变化的影响和控制。4）排水环剪条件下,饱和砂孔隙水压力的消散变化不仅与不同排水方式下土体内所形成的排水通道顺畅程度有关,并且受到不同剪切速率和法向应力的影响作用。     

饱和悬浮塑料砂流动变形可视环剪试验研究

为了分析剪切条件下零有效应力状态砂土的流动变形规律,对传统环剪仪进行了试样可视化改造,研制了透明环形剪切盒,通过对剪切盒膨胀性能分析及与标准砂的剪切试验对比,验证了环剪装置改造的合理性。通过分析不排水条件下饱和悬浮塑料砂的剪应力-应变曲线,发现其剪切强度具有应变软化的特性。通过分析环剪仪中饱和悬浮塑料砂试样的有效应力,证实了可视环剪试验中的土体基本处于零有效应力状态。开展了饱和悬浮塑料砂的流动变形可视环剪试验研究,结果表明：饱和悬浮塑料砂在固结不排水条件下剪切变形不连续,直接在剪切面发生断裂;在不固结不排水的条件下饱和悬浮塑料砂的剪切变形表现出流动形态,且与剪切速率有关：在低剪切速率下,剪切变形仅在剪切面处形成具有曲线轨迹的流动变形而在其他区域不发生变形;而在高剪切速率下剪切变形为整体的倾斜变形,符合黏性流体的流动变形特征。     

陕西泾阳南塬滑坡干湿黄土快速大剪切力学特性

借助于先进的多功能大型高速高压环剪试验机,针对陕西泾阳南塬滑坡中的饱和黄土、干燥黄土在快速大剪切位移条件下的力学响应特性进行了环剪试验研究。研究结果表明:1)在相同试验条件下,与干燥状态黄土相比,泾阳南塬黄土在饱和条件下抗剪强度指标降低。2)在连续快速剪切条件下,泾阳南塬滑坡饱和与干燥黄土均表现出应变软化特征,饱和黄土比干燥黄土的软化特征更加显著。3)在相同法向应力条件下,剪切速率对饱和和干燥黄土峰值强度均有显著影响,但两种状态下土体峰值强度随剪切速率变化特征不同。饱和黄土峰值强度随剪切速率的增大而增大,而干燥黄土峰值强度随剪切速率的增大而减小。4)在不同含水状态下,泾阳南塬滑坡黄土剪切力学特性变化规律具有不同的产生机理。其中,干燥黄土抗剪强度在连续剪切过程中主要受黏土颗粒间摩擦(阻)力、颗粒运移与定向排列以及剪切面形态的控制。与干燥黄土相比,饱和黄土峰值抗剪强度变化主要受土黏聚力的控制并受水的影响;土体内水的作用能够加剧其应变软化程度并可形成光滑平整的剪切面形态,进而对其峰后剪切应力变化产生影响。     

灌溉作用下黄土宏观力学响应及微观结构特性研究

从黄土特有的水敏性和微结构角度出发,开展灌溉作用下,水体入渗过程中黄土宏观力学响应与微观结构特性之间变化规律的研究。设定了不同含水量下的黄土宏观力学与微观结构试验,旨在得到水对黄土的应力应变响应规律及试验前后剪裂面上黄土微观结构的变化特征。结果表明:研究区Q3黄土的应力-应变曲线随着围压的增大呈现出由应变软化型向应变硬化型转变,随着含水量的增大呈现出由应变硬化型向应变软化型转变的规律;并以此确定了研究区黄土结构屈服应力σk所对应的应变值一般小于2%;结合饱和Q3黄土三轴固结不排水剪切试验获得了研究区黄土的稳态线参数及状态边界面参数,并在假设不同围压条件下稳定状态收敛的前提下,得到近似状态临界面公式;分析了Q3黄土在不同围压和含水量下的破坏模式,其特征表现在黄土试样剪切前后的微观结构变化主要表现在微结构类型的转变、孔隙含量减小及微裂隙的发育程度上。     

不同水化状态下的压实膨胀土应力-应变-强度特征

为探讨水化状态对饱和压实膨胀土应力-应变-强度特征的影响,以压实度为95%的荆门弱膨胀土为研究对象,开展了2种典型水化状态下的固结与三轴试验,其中第1种水化状态采用常规饱和方法,第2种水化状态为试样自由膨胀至稳定状态。结果表明：（1）受变形约束条件与渗径的影响,不同水化状态下体膨胀率有较大差别;（2）第2种水化状态下的饱和压实膨胀土具有更大的硬化指数λ与膨胀指数κ、较小的弹性剪切模量,其有效内摩擦角为第1种水化状态下的77.2%,体现出膨胀土饱和强度的变动性;（3）2种水化状态下的固结曲线均呈现出明显的屈服现象,其屈服应力分别为123.2 kPa与94.5 kPa;（4）第1种水化状态下,低围压下试样应变软化与剪胀,高围压下应变强化与剪缩;第2种水化状态下试验围压范围内均发生剪缩和轻微的应变软化;（5）2种水化状态下试样在固结与剪切过程中均表现出超固结性,这种超固结性并非完全由先期固结压力所致,而是试样受荷过程中膨胀受到约束造成的;（6）不同水化饱和状态下初始孔隙比不同,膨胀势也不同,膨胀势与外部约束条件、排水条件、应力状态相互作用,造成其应力-应变-强度特征的差异性。     

基于大型直剪试验的强风化粗粒料剪胀特性试验研究

剪胀性是岩土材料的重要特性之一,为研究不同工况条件下粗粒料室内大型直剪试验中的剪胀特性,采用新型室内大型直剪仪对3组不同含水率、4组不同剪切速率、5组不同含砾率等3种不同影响因素的试样进行了室内大型直剪试验,分析了剪切时试样的垂直位移与水平剪切位移及垂直应力的关系。试验结果表明：在保持其他影响因素相同条件下,垂直应力的增加导致相同水平剪切位移对应的剪缩量增加;试样的最大剪缩量随着含水率的增加有一定程度的增大,而随着剪切速率的增加而减小;含砾率低于30%试样的最大剪缩量较含砾超过于30%试样的剪缩量大很多,最大剪缩量差别为3倍。当试样含砾率小于50%时,由于试样中富含细颗粒的影响,使得应力-应变曲线具有应变软化属性以及剪胀性趋于一固定值。峰值强度前的应力比-位移增量关系采用非线性的二次项拟合比线性关系的拟合度更好,认为Matsuoka提出的二维剪胀公式不适用于粗粒料,将其修正成二次多项式并给出试验中的经验参数μ的取值区间。     

颗粒物质在等比例应变加载下的分散性失稳模式

由地下水引起的静力液化可能是边坡失稳的隐含机制之一,松砂在不排水剪切条件下可能发生静力液化,密实的颗粒集合体在特定的应变路径下也会出现相似的现象,即试样整体发生急剧的失稳,应力状态尚处于峰值强度线以内。该种失稳模式称为分散性失稳,是为了强调失稳模式中没有出现应变局部化或者剪切带。采用连续-离散耦合分析方法,研究由不规则形状颗粒组成的密实集合体在等比例应变加载路径下的力学特性。根据Hill的材料失稳理论,当试样的应力增量 和应变增量 对应的2阶功 为负时,试样即发生不可逆的整体失稳破坏。以根据不同等比例应变路径得到 曲线为界,在 平面内将试样的应力状态分为剪缩区、剪胀-稳定区和剪胀-非稳定区,连接不同围压下试样发生分散性失稳时的应力状态形成失稳线发现,峰值强度线高于临界状态线,临界状态线高于失稳线。     

不同应力路径条件下原状Q_3黄土的强度特性及破坏方式试验研究

利用西安理工大学真三轴仪对不同含水率、围压条件下的原状Q_3黄土进行了轴对称三轴试验和平面应变试验,研究了原状Q_3黄土在两种应力路径条件下的强度演化特性,对比分析了两种试验条件下的强度差异及破坏方式。结果表明,低固结围压条件下低含水率原状黄土容易产生脆性破坏,其应力–应变曲线为软化型,固结围压增大后其应力–应变曲线呈硬化型;围压对原状黄土的强度起增强作用,含水率对原状黄土的强度起削弱作用,原状黄土的破坏应力与含水率、围压和球应力状态密切相关;随着含水率的增大,黏聚力衰减明显,内摩擦角略有减小,相同条件、平面应变条件下的强度要比轴对称三轴条件下的强度大1.1~1.4倍;轴对称三轴条件下土样呈单一剪切带的侧胀剪切破坏,平面应变条件下呈剪缩侧胀破坏。     

Hydromechanical characteristics and microstructure of unsaturated loess under high suctionEI北大核心

联合压力板仪和蒸汽平衡法在全吸力范围内对原状与重塑黄土进行持水特性试验,使用非饱和三轴仪对高吸力下的原状与重塑黄土进行剪切试验,同时采用扫描电镜仪(scanning electron microscope,SEM)和压汞仪(mercury injection apparatus,MIP)进行微观试验,探讨了非饱和黄土结构性差异对其水力力学特性的影响。试验结果表明:随着吸力的增大,原状和重塑土的饱和度、含水率均减小,孔隙比稍有减小。由于原状及重塑黄土的初始孔隙比基本一致,因此两者压汞试验总进汞量接近。由扫描电镜和压汞试验得到的原状及重塑黄土的孔隙结构形态及优势孔径范围不一样,结构性有所差异,导致土-水特征曲线在不同吸力范围内呈现不一样的规律。原状和重塑土的应力-应变关系多呈软化现象,吸力为3.29 MPa的重塑土呈硬化现象。且随着吸力的增大,原状和重塑土的黏聚力和峰值强度均明显增加,体变由剪缩趋向剪胀现象。由于原状土具备一定结构性,胶结作用较强,其黏聚力的增幅会大于重塑土,峰值强度也高于重塑土,而两者的内摩擦角基本一致。     

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。     

剪胀性砂土边界面模型的研究

剪胀性对于砂土,尤其是中密以及密实砂土,是一个非常显著的特性。相变线是剪胀性砂土的特征曲线,能够反映砂土的围压以及初时孔隙比对变形特性的影响。本文在边界面塑性理论的框架内,把相变状态参量引入到剪胀方程以及塑性硬化模量中,建立了一个能够描述砂土剪胀性以及循环特性的本构模型。本模型采用一套参量可以模拟不同初时孔隙比、不同围压、排水(或不排水)条件下单调(或循环)加载的应力-应变特性。验证表明本模型数值计算与试验结果相吻合。     

高边坡开挖应力路径下黄土变形和强度特性的试验研究

为了探究高边坡开挖路径下黄土的力学性质,首先采用线弹性有限元法模拟一高150m的人工边坡在开挖条件下,潜在破坏区黄土的应力路径。据此路径分别对天然和饱和试样做了三轴固结不排水试验,并做了相同固结应力的加载应力路径试验（CTC）。结果表明开挖应力路径下饱和试样的应力应变关系为应变软化,天然试样为应变硬化;CTC试验条件下,饱和试样应力应变也为应变软化,天然试样亦为应变硬化,但硬化比开挖应力路径明显。上述两种试验条件下,饱和试样的有效应力路径接近,强度包络线相同,有效强度参数相同;天然试样则不同,强度包络线近似平行,开挖应力路径下有效黏聚力c’高于CTC,有效内摩擦角φ’相差不大。实际工程中获取土体变形和强度性质时应考虑应力路径和含水率的影响。     

钙质砂剪切特性的围压效应和粒径效应研究

为研究钙质砂剪切特性的围压效应和粒径效应,开展了在不同粒径、不同相对密实度以及不同围压条件下的三轴剪切试验,并引入应力相对软化系数和剪胀系数对应变软化特征及剪胀特征进行了定量表征。试验研究表明,随围压的增大,不同粒径钙质砂试样应变软化特征及剪胀特征逐渐减弱,且围压与应力相对软化系数和剪胀系数均呈半对数线性相关。不同粒径钙质砂试样存在一强度临界围压和体变临界围压分别使得应变软化特征和剪胀特征消失。在粒径为5～0.075 mm范围内,对松样而言,围压对软化特征和剪胀特征存在显著影响,但与粒径不存在显著相关性;对密样而言,随粒径逐渐减小,围压对试样软化特征的影响逐渐增强,而对试样剪胀特征的影响逐渐减弱。在低围压（50 kPa）条件下,0.5～0.25 mm粒径组试样破碎最显著。