宽级配砾质土快速三轴固结排水剪试验影响因素研究

宽级配砾质土是由砾石料和黏土料按一定比例混合而成,其具有压缩性低、抗剪强度大等特点,目前常作为土石坝心墙料或路基填料而得到广泛应用。由于宽级配砾质土渗透系数较小,在常规三轴固结排水剪(CD)试验中固结排水较慢,导致其试验周期很长。为了提高固结排水的效率,可采用一种在试样中心加圆柱形砂芯的快速三轴CD试验方法。基于快速三轴CD试验,通过变化不同砂芯类别、不同砂芯直径、不同掺砾量等各因素,全面研究了各因素对宽级配砾质土快速三轴CD试验的影响。研究结果表明,快速三轴CD试验方法能够有效加快试样排水固结,从而加快整个试验进程;砂芯类别、砂芯直径、掺砾量等因素均对试验固结排水速度和剪切过程应力应变产生不同程度影响;砂芯直径越小,其试验成果与无砂芯试样越接近。     

软土流变的物质基础及流变机制探索

采用改进的直剪蠕变仪,研究结合水对软土流变性质的影响。在相同试验条件下分别完成了含高岭土、膨润土不同重量百分比2组烘干试样和1组砂土的流变性质测试。测试结果与近期已取得的试验成果对比分析表明,结合水是产生土样流变性质的重要因素;烘干试样的黏滞系数均比与其矿物成分相同的湿土试样的黏滞系数大,砂土试样的黏滞系数比湿黏土的黏滞系数大,即烘干土样与砂土土样流变变形阻力相对湿黏土的大,流变现象相对不明显。在试验基础上,探索了控制软土流变特性的物质基础,提出了“流变物质”概念,“流变物质”与软土的流变性质互相对应,是软土产生流变的主要物质基础,并给出了与其力学性质相适应的流变机制的软土流变特性的物理描述。     

考虑卸荷扰动的黏土蠕变特性试验研究

盾构施工过程中,由于盾尾建筑空隙的存在,土体会受到较大的卸荷扰动,尤其是对于结构性较强的黏土。通过卸荷拉力来模拟土体受到的卸荷扰动,进行排水剪切蠕变试验。试验结果表明:卸荷拉力越大,土体的扰动程度增大,同级荷载作用下土样的变形越大,且加载压力较小时土样的变形属于稳定型蠕变,蠕变速率随着卸荷拉力的增大而增大,加载压力较大时土样的变形属于衰减型蠕变;与Singh-Mitchell蠕变模型进行比较,发现卸荷拉力较小土样Singh-Mitchell蠕变模型的计算值与试验值相比吻合较好,但当卸荷拉力较大时,模型计算值与实验值相比有较大的误差;修正了Singh-Mitchell蠕变模型的参数,提出考虑卸荷扰动的修正Singh-Mitchell蠕变模型,计算结果与试验数据在加载压力和卸荷拉力较大时吻合较好,对工程实际有一定的指导意义。     

分散性土蠕变特性试验研究

采用三轴蠕变仪对宁木特水利枢纽工程黏土心墙的分散性土进行三轴固结排水试验,研究分散性土在不同初始条件下的蠕变变形规律,并获取蠕变模型及蠕变参数。试验结果表明,分散性土具有明显的非线性蠕变特征,蠕变过程可以分为瞬时弹塑性变形、衰减蠕变变形和稳定蠕变变形3个阶段;含水率、围压和偏应力水平对分散性土蠕变速率和蠕变量有显著的影响;应力-应变等时曲线具有明显的非线性特征。采用Singh-Mitchell蠕变模型和Mesri蠕变模型描述分散性土的蠕变特性,与试验数据对比表明,Mesri蠕变模型能够比较准确而方便地描述分散性土的蠕变特性,且模型具有参数少、适用性较强的特点。     

加卸荷条件下饱和软黏土蠕变特性试验研究

为了研究上海软黏土的蠕变力学特性,开展了排水和不排水条件下上海软黏土的三轴蠕变力学试验,分析了不同围压水平、加卸荷水平对饱和软黏土蠕变特性的影响,得到了不同试验条件下上海软黏土蠕变的力学特性。试验结果表明:围压水平及加卸荷水平对软黏土蠕变变形有一定影响;土体蠕变变形特性与排水条件密切相关,排水条件下,固结效应削弱了土体蠕变现象;同等条件加载过程中不排水条件下土体变形量大,卸载后不排水条件下土体回弹较明显;不排水蠕变试验加载过程中,孔隙水压力随时间发展的变化规律与土体蠕变变形规律相似;排水蠕变试验加载过程中,固结变形和蠕变变形同时存在,排水量曲线在卸载后没有出现明显下降。     

三轴试样钻孔灌砂固结排水效果试验研究

对渗透性较差的重黏土样进行固结排水试验时,其饱和、固结、剪切过程时间较长。为提高固结排水试验效率,改进了三轴排水工艺,提出在试样中钻孔灌砂形成竖向排水通道,并进行了针对黏土样的固结排水试验的验证。试验结果表明,1 %～3 %置换率的砂井对固结排水试验应力-应变无影响,并有利于加速三轴试样的饱和、固结排水、孔压消散、剪切排水过程,可使试验效率提高5倍以上;试样周边、顶面、底面粘贴滤纸条,再结合试样内部钻孔灌砂,是改善三轴试验排水路径的一种科学合理的、高效的方法,能够获得准确、可靠的E-B模型参数。     

砾质土的力学特性

砾质土分布很广,在水利工程,大型厂矿的建设中常遇到这种土类。由于土样其颗粒大小对试样尺寸有一定要求,一般常规室内土工仪器都不适合对这种土进行试验研究。本试验的目的是采用自行设计、加工的大型三轴剪力仪(图1),对具有一定代表性的安庆砾质土的应力～应变关系以及影响抗剪强度的主要因素进行试验研究,从而希望对砾质土的基本力学性质有一个较清楚的认识。     

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。     

非饱和重塑黏土渗透性试验研究

工程中常常遇到非饱和土渗流问题,其渗透性是非饱和土的重要研究内容。采用常规压力板仪详细研究了重塑黏土在3种不同击实功和5种不同击实含水率下的土-水特征曲线,并用变水头法测量了相应的饱和土渗透系数。结合土水曲线和饱和渗透系数,基于Van Genuchten模型和Fredlund模型,详细探讨了重塑非饱和重塑黏土在不同击实条件下的渗透性。结果表明,土样饱和渗透系数随着击实含水率的增大而减小,且随着基质吸力的增大土样渗透性差别逐渐减小。当试样吸力达到1 MPa时,可认为不同击实含水率下试样的渗透性基本相同;在轻型击实和简化轻型击实下,试样渗透性很相似。重型击实功下试样的渗透系数和轻型击实下土样渗透系数的比值 随着吸力的增大而逐渐增大,在饱和状态时比值约为1/100,当吸力达到1 MPa时比值逐渐稳定在1/10右。     

砾钢渣抗液化特性试验研究

陈化的钢渣作为土工回填材料是废弃钢渣循环利用的主要途径之一。按土的工程分类方法,将废弃钢渣划分为砾钢渣、粗钢渣和细钢渣。针对砾钢渣,考虑固结应力比、振动频率、围压和含砾量等影响因素开展动三轴试验研究。分析了砾钢渣的应力、应变和动孔隙水压力的特性,分析了砾钢渣试样的动强度与振动次数、动应变与振动次数、孔隙水压力与振动次数和动应力与动应变关系。采用Seed和Finn提出的饱和砂土动孔压计算模型分析砾钢渣的动孔压曲线类型,并与传统砂砾土的抗液化强度进行比较。得出砾钢渣的抗液化特性较好,工程中可以用砾钢渣替代传统的砂土、砂砾土、砂砾料和砂卵石作为回填料,解决砂砾资源日渐短缺的问题。     

重塑黄土饱和与固结时间三轴试验研究

饱和黄土三轴试验中,土样饱和及固结过程是否完成对试验结果至关重要。土工试验饱和方法中,通常所使用的抽气饱和是提高土样饱和度的有效方法,但对于重塑马兰黄土样,抽气饱和中试样浸水后会发生结构溃散。因此,土样只能在三轴仪上进行饱和。本研究基于GDS非饱和三轴仪对兰州地区的马兰黄土重塑样进行多次饱和试验与固结试验,提出在GDS三轴仪外压力室外部设置三通接头,将试样顶部和底部接通汇集为同一路径,将饱和路径与排水路径均缩短为原来的一半,可明显缩短试验饱和时间与固结时间,进而实现在土样达到预定饱和度情况下缩短试验总时间的目标。而且,本试验中土样上、下同时进水或排水,也符合土体在自然界真实赋存状态下的饱和与固结过程。经反复验证,该方法在粉质黏土重塑样的三轴试验中使用效果较好。     

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。     

主应力轴旋转下K0固结饱和粉质黏土孔压及变形特性试验研究

主应力旋转将加速孔压和塑性应变的累积,影响土体的力学特性。为研究主应力轴循环旋转对 固结饱和粉质黏土孔压和变形的影响,利用GDS-HCA试验系统开展了不同应力路径的 固结饱和粉质黏土不排水循环三轴试验和循环扭剪试验,研究了主应力轴循环旋转对 固结饱和粉质黏土累积塑性应变、孔压等动力特性的影响。结果表明：动剪应力幅值、心形应力路径所包围的面积、循环偏应力幅值等均随循环剪应力比和循环动应力比的增大而增大。试样未发生破坏时, 固结饱和粉质黏土的孔压比随着振动荷载作用次数的增加而增大;当试样发生破坏时,孔隙压力迅速消散,孔压比急剧下降。循环扭剪试验时试件产生的轴向累积塑性应变始终大于循环三轴试验产生的累积塑性应变,说明主应力轴循环旋转会加速试件轴向应变的累积。试件的累积塑性应变随循环剪应力比和循环动应力比的增大而增大。循环动应力比越大时,主应力轴旋转造成的轴向累积塑性应变差异越显著。在Monismith幂次函数模型的基础上,建立了主应力轴循环旋转条件时K0固结饱和粉质黏土累积塑性应变方程,并对模型的可靠性进行了分析和验证。     

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。     

不同应力路径下某高速公路路基黏性土湿化变形试验研究

针对某高速公路黏性填土路基浸水湿化的情况,进行了大量室内试验研究。为了研究土在实际应力路径下的湿化变形规律,分别在常规三轴应力路径、常规三轴K0固结应力路径、K0固结+常规三轴压缩应力路径以及使用真三轴仪的平面应变下K0固结 + 平面应变剪切应力路径和平面应变等应力比路径下进行了黏性土的湿化试验。通过对试验数据的分析,得到了湿化附加轴向应变与湿化时应力水平的幂函数关系。通过总结研究不同应力路径下应力-应变曲线的规律,提出了不同应力路径下的应力-应变关系的公式。     

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。     

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。     

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。