K0及三轴应力状态下压实膨胀土膨胀模型研究

以不同初始压实状态下的南阳中膨胀土为对象,在常规固结仪上开展侧限膨胀试验及采用GDS三轴仪进行恒定偏差应力的三轴膨胀试验,通过多元非线性拟合分析,分别获得考虑初始压实度、含水率、上覆压力耦合关联影响的K0膨胀模型以及体积膨胀率与球应力（体积应力）关系的三轴膨胀经验模型。基于K0膨胀模型,提出了压实土膨胀潜势能的定量计算公式,并推导出膨胀土边坡处理层厚度的理论计算方法。基于膨胀体积应变只随球应力变化而不受偏差应力影响的假设条件,分析了同一起始条件下,膨胀土K0模型与三轴膨胀模型的内在关联,并建立了通过K0模型推算三轴应力条件下体积膨胀率的理论方法。试验结果表明：采用多因素耦合的K0膨胀模型预测压实土膨胀势具有较好的准确度及合理性;联系K0模型与三轴膨胀模型的纽带在于假设侧限膨胀全程存在一个平均静止侧压力系数,采用反演方法得到平均侧压力系数呈现随上覆压力增大而减小的趋势,这种变化规律的根本原因则在于侧向膨胀力随上覆压力的增大而减小。     

考虑状态含水率和密度的膨胀土膨胀模型试验研究

以邯郸强膨胀土为研究对象,通过室内K0应力状态膨胀试验,研究了膨胀土的膨胀率与压实度、初始含水率、上覆荷载之间的关系,进而建立了考虑上述3种影响因素的膨胀率公式。同时,建立了终了含水率与初始含水率、压实度、上覆荷载之间的关系,从而得到了膨胀土线膨胀系数表达式。利用提出的膨胀模型可以得出任一含水率状态下膨胀土的膨胀本构关系。该试验操作简单,模型表达式简洁,具有较强的实用性,可为膨胀土工程的设计施工提供理论依据和参考     

重塑膨胀土非线性强度特性及一维固结浸水膨胀应力-应变关系

采用南水北调中线工程南阳膨胀土和新乡膨胀岩重塑试样,开展一系列干湿循环后的强度试验和一维固结后的有荷浸水膨胀试验。试验结果表明,(1) 膨胀土强度随竖向应力增加表现出明显的两阶段特性,低应力状态与高应力状态下的强度指标差别很大;(2) 同一上覆压力下,膨胀土的有荷膨胀率随着初始含水率的增大而线性减小,随着初始干密度的增大而线性增大,分别给出考虑初始含水率、上覆压力双因素影响的膨胀率表达式和考虑初始干密度、上覆压力双因素影响的膨胀率表达式,给出膨胀土一维固结后有荷浸水膨胀的应力-应变关系。分析认为,(1) 膨胀土边坡多发生浅层滑动,应测定低应力状态下的强度参数用于边坡稳定分析;(2) 膨胀土边坡浅层部分和坡脚的压实度不宜过高。     

基于多场耦合数值分析的膨胀土边坡浅层膨胀变形破坏机制研究

膨胀土地区大量工程实践表明,发生在膨胀土边坡浅表层一定深度范围内的牵引式滑坡现象非常普遍,对于该种渐进性边坡破坏模式,传统极限平衡分析无法反映其失稳状态和破坏机制。借鉴温度场中温度膨胀系数的定义和数值处理方法,以室内无荷/有荷膨胀率试验成果为依据,对膨胀土的湿度膨胀系数进行了反演拟合,得到低荷载条件下含水率-膨胀系数近似符合线性关系。基于降雨作用下膨胀土边坡破坏的大型静力物理模型试验成果,采用FLAC非饱和二相流模型模拟降雨引起的边坡湿度场分布变化状态,引入含水率-膨胀系数的线性关系,提出一种适用于膨胀土边坡的湿度场-膨胀变形场-应力场的多场耦合数值分析方法,并藉此对物理模型试验进行仿真。结合模型试验和多场耦合数值分析,阐述膨胀土边坡浅层渐进性破坏机制的本质是水力边界条件变化引起的膨胀土膨胀变形作用。     

压实膨胀土路基的膨胀变形规律研究

首先分析了现有规范中膨胀土膨胀量计算方法存在的缺陷,然后以宁淮高速公路淮安段膨胀土为研究对象,根据膨胀土的有荷膨胀率试验成果,分析探讨膨胀土有荷膨胀率与填土初始含水率、上覆荷载和压实度的关系,总结提出了在侧向约束条件下,压实膨胀土的有荷膨胀率与初始含水率、上覆荷载和压实度之间的关系式,并使用该公式得到的膨胀率计算了宁淮高速公路直接使用膨胀土作为路堤填料可能产生的膨胀变形量,分析了初始含水率不同对膨胀量的影响。     

重塑膨胀土三向膨胀变形试验研究

以广西宁明灰白重塑膨胀土为研究对象,运用自制膨胀土三向胀缩测试仪开展了不同初始含水率和三向压力的膨胀试验,研究了初始含水率和三向压力对胀限、三向膨胀率的影响规律。试验表明,三向等压时,竖向的膨胀率始终大于水平向膨胀率,比值为1.21～1.27,该比值与初始含水率、三向压力无关;三向膨胀时程均可以分为快速膨胀、缓慢膨胀和趋于稳定3个阶段;胀限与三向压力的对数线性相关,与初始含水率无关;相等初始含水率和干密度条件下,三向膨胀率均与三向压力的对数线性相关。     

合肥膨胀土标准吸湿含水率的特征

标准吸湿含水率是《公路路基设计规范》（JTG D30-2004）推荐的三项膨胀土判别指标之一,以合（肥）－六（安）－叶（集）高速公路为工程背景,探讨了该指标在合肥膨胀土判别与分类中的适用性以及与其他指标如液限、塑性指数、自由膨胀率和小于0.002 mm胶粒含量的相关性问题。研究发现：标准吸湿含水率能反映膨胀土膨胀潜势的差别,但规范推荐的判别标准不适用于合肥膨胀土的判别。标准吸湿含水率与液限等其他判别指标具有一定的相关性,相关系数的平方达0.468～0.663,说明标准吸湿含水率能够反映膨胀土的本质属性,可以作为判别指标。     

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。     

引江济淮试验工程膨胀土电导率特征实验研究

南水北调中线工程实践研究表明,膨胀土的电导率与自由膨胀率呈现线性关系。引江济淮试验工程为开发膨胀土判别快速方法以及提出针对江淮地区土质的电导率法判别适用标准,开展膨胀土电导率特征实验研究。工程现场取多组土样进行基本性质、膨胀性和不同含水率下的电导率实验,寻求该地区膨胀土电导率与含水率和自由膨胀率的关系。研究表明,电导率随土体含水率增加呈现先增加后减小的变化趋势,土体处于液限含水率附近状态下,具有最强的导电性,电导率具有峰值特征。相同含水率条件下,土体的膨胀性越强电导率越大;电导率和自由膨胀率总体上线性相关,试样在液限含水率附近时相关性最大;线性经验模型的精度由相关性水平控制,本试验提出的江淮地区弱膨胀土电导率经验模型的精度控制标准为R2=0.78,可以达到自由膨胀率实测值的精度水平,具有实用价值。     

南水北调南阳段弱膨胀土增湿膨胀与力学特性试验研究

为了研究膨胀土自然状态下的膨胀及力学特性,对南阳弱膨胀土进行了不同增湿程度时的膨胀及力学特性试验。通过对相同初始条件下不同增湿程度膨胀土的膨胀特性试验得到,随着含水率的增大自然膨胀力和有荷自然膨胀率均是先逐渐增大后有小幅减小再逐渐稳定,无荷膨胀率的变化趋势是前期接近线性的增大后逐渐稳定。通过不同增湿程度膨胀土的抗剪强度试验,建立了黏聚力、内摩擦角与增湿含水率的线性关系曲线及关系式。对于已建工程,通过监测含水率得到膨胀土的实时膨胀特性以及抗剪强度,进而评价工程的安全运行情况。     

多级荷载下弱膨胀土的膨胀变形特性试验研究

为研究压实弱膨胀土的膨胀变形特性,对取自高淳某边坡的弱膨胀土进行固结及浸水膨胀变形试验,研究了在300,200,150,100,75,50,25和12.5 kPa共8种上覆压力下不同初始干密度及初始含水率土体的固结及膨胀变形特征。试验结果表明:初始含水率及初始干密度对弱膨胀土的膨胀变形特性均存在一定的影响,在其余条件相同的情况下,膨胀土的膨胀变形量随着初始干密度的增大而增大,随着初始含水率的增大而减小。分析了膨胀土固结及膨胀变形过程的典型曲线特点,研究了不同初始干密度及初始含水率下土体固结与膨胀曲线膨胀区与压缩区分界点特征,得出在初始含水率相同时,分界点的上覆压力与分界点孔隙比及土体的初始干密度均呈正比关系。通过对土体试验数据的分析拟合,结合土体变形过程中的孔隙比与初始状态关系的推导,提出了弱膨胀土的膨胀变形量计算方法,结合工程包边法路堤填筑的荷载分布,采用分层总和法推导了工程包边法膨胀土路堤填筑的膨胀变形量计算方法,并用于路堤膨胀量的预估中。     

岩土体吸水膨胀应力系数的试验研究

基于岩土体膨胀性是其含水量的函数的认识,提出了岩土体吸水膨胀应力系数的概念。从膨胀应力与含水率的变化关系出发,研制出吸水膨胀应力系数试验装置;根据试验得到的膨胀应力与含水率增量的关系曲线和计算得到的岩土体吸水膨胀应力系数,对不同状态与类型重塑土样吸水膨胀应力系数的变化规律进行了深入研究。试验研究结果表明:试验装置所测土样的最终含水率误差在1.0%左右,能够较好地得到不同岩土体的吸水膨胀应力系数;由于黏土颗粒水化程度的不断增加,各岩土体的膨胀应力都随含水率的增加而增大,且膨胀应力与含水率增量呈线性关系;初始含水率15.0%条件下云南呈贡强膨胀土、成都弱膨胀土、成都粉质黏土的膨胀应力系数分别为92.2(kPa/%)、42.6(kPa/%)、0.9(kPa/%),是由于不同类型岩土中黏粒含量的差别,导致不同类型岩土体的膨胀应力系数有较大的差别;膨胀应力系数能够有效地区分岩土体的膨胀性,可以用膨胀应力系数对岩土体的膨胀性进行分类。     

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。     

纤维加筋膨胀土的三轴蠕变特性试验研究

为了初步探究纤维加筋膨胀土的蠕变特性,采用室内非饱和三轴蠕变试验,分析了初始含水率和纤维掺量两个因素对玄武岩纤维加筋膨胀土蠕变特性的影响,通过等时应力-应变曲线得出加筋土的长期强度,并尝试建立了纤维加筋膨胀土的蠕变模型,得到的结论主要有以下几点:通过对比分级加载条件下的应变-时间曲线,发现纤维加筋对于减小膨胀土的蠕变变形有显著的作用,并存在最优纤维掺量,当纤维掺量超过最优纤维掺量,蠕变效应无显著改善;纤维加筋膨胀土的蠕变变形随着含水率的减小而减小,并存在最优含水率,当小于最优含水率时蠕变效应无明显改善;纤维加筋可以显著提高膨胀土的长期强度,纤维掺量分别为0.4%和0.6%的加筋土长期强度比相同条件下的素土分别提高了26.7%和23.3%;通过拟合,得到了Mesri蠕变模型参数,认为该模型从总体上可以反映纤维加筋膨胀土的三轴蠕变特性。     

Swelling model study of expansive soil at K-0 and triaxial stress stateEI北大核心CSCD

A series of swelling tests is performed on a typical Nanyang expansive soil with medium swelling capacity compacted at various initial densities and water contents. The swelling tests are separately conducted using the conventional oedometer to confine the lateral swelling of the soil specimens, and using the GDS triaxial apparatus to allow the free volumetric swelling. The multiple nonlinear mathematical method is adopted to obtain the lateral swelling model (i.e. K-0 model), which fully considers the coupled effect of initial degree of compaction, moisture content and overburden pressure on the swelling strain. Also, an empirical model for the relationship between spherical stress and volumetric strain is proposed by triaxial swelling test. Based on the K-0 swelling model, a formula is proposed to quantitatively evaluate the swell potential, and also a theoretical calculation method is derived to determine the processing layer thickness of expansive soil slope. Based on the assumption that volumetric swelling strain only changes with spherical stress and is not affected by the deviatoric stress, the correlations between the K-0 model and triaxial model are analyzed, and a method to calculate the volumetric swelling strain by only employing the K-0 model is given. Experimental results show that the proposed K-0 model with multifactor coupling is reasonable to predict the swelling potential of compacted expansive soil. It is found that the key factor to link the K-0 model and triaxial swelling model is assuming an average static lateral pressure coefficient. The average static lateral pressure coefficient tends to decreases with increasing overburden pressure by inversion method. This tendency of average static lateral pressure coefficient is believed to rely on the fact that lateral swelling pressure decreases with the increase of overburden pressure.     

冻融循环下初始含水率对非饱和膨胀土剪切特性试验

为探究冻融循环条件下初始含水率对膨胀土偏应力-应变关系和剪切特性的影响,本文对不同初始含水率的非饱和膨胀土进行了不固结不排水三轴剪切试验。结果表明：1）非饱和膨胀土的偏应力-应变曲线的形式随含水率增大由应变软化逐渐转变为应变硬化,偏应力峰值随含水率增大而降低;2）非饱和膨胀土的抗剪强度随初始含水率的增加呈线性下降趋势;3）非饱和膨胀土在第1次冻融循环后偏应力及抗剪强度大幅度下降,在3~7次冻融循环后达到稳定。初始含水率是影响非饱和膨胀土力学性质的主要原因。     

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。     

Numerical Simulation of Moisture Movement in Unsaturated Expansive Soil Slope Suffering Permeation

INTRODUCTION Theinfiltrationandevaporationofwaterinasoil slopeareofparamountimportanceindetermining slopestability.Previousengineeringcasesandstud ieshaveshownthatrainwaterisoftenamajorfactor intheslopefailureofexpansivesoils.Expansivesoils intropicalandsubtropicalzonesareoftenunsaturat ed,andsoilslopesareinastablestateinnormalcli mateconditionsbecauseofthehighsuctionandshear strengthofthesoilmass.However,oncepermeation happensrainwaterwillinfiltrateintothesoilmasswhichleadstoanincreasein…