压实黄土变形特性研究与应用

黄土高填方成为岩土工程领域新的研究课题,研究前景非常可观。针对延安新区黄土高填方工程做了大量的室内压缩固结试验和增湿变形试验,讨论了压实黄土的变形特性,构造了压实黄土应力-应变关系的最佳拟合模型,并且利用试验数据对百米高填方在不同压实度条件下的压缩固结变形量及增湿变形量进行了预测,分析了各种变形量所占的比例。结果表明,（1）压实黄土在侧限条件下的应力-应变关系可以用Gunary模型拟合;（2）压实黄土在低压实度时低压下产生湿陷变形,高压不产生,中等压实度时低压下不产生湿陷性变形,但高压产生;随着压实度的继续增大,低压及高压下均不产生压实黄土的湿陷性变形;（3）在最优含水率条件下,利用试验数据对百米高填方在不同压实度下的工后沉降量进行预测,可指导现场施工并检验施工质量;（4）压实黄土压实度越高,总变形量越小,遇水增湿变形量占总变形量的比例越大,压缩固结变形量占总变形量的比例越小。     

压实黄土变形影响因素与计算模型研究

为研究压实黄土的压缩特性和沉降计算模型,开展了不同压实度、不同含水量下的压实黄土侧限压缩试验,分析了压力、含水量、压实度以及结构性对压实黄土压缩变形量及变形过程的影响,提出了结构性的表示方法及结构强度的计算方式,引入割线模量表达法并推导出了压实黄土加压过程的结构性本构模型及增湿本构模型。结果表明:压实黄土的压缩性随着压实度的增大而减小且压力越大减小越明显;压缩性随着初始含水量的增大而增大且塑限前后差别明显;压实黄土具有增湿变形性质,增湿变形系数随压实度的增大而减小、随增湿含水量的增大而增大;高压实度下的黄土具有结构性且结构强度随着含水量的增大而减小、随着压实度的增大而增大,据此推导出的加压结构性本构模型和增湿本构模型精度更高、物理意义更加明确。     

增(减)湿时黄土的湿陷系数曲线特征

分别采用单线法和双线法对原状 黄土进行了增、减湿情况下的单轴压缩试验。根据试验结果,总结出了黄土的湿陷变形随饱和度及压力变化的规律,分析了湿陷性黄土在增（减）湿过程中的湿陷变形性状及不同应力路径对黄土湿陷变形特性的影响,指出湿陷系数曲线因为试验方法的不同而表现出不同的规律性：初始含水量较低时,单线法的湿陷性大于双线法;当初始含水量达到某个值时,两者的湿陷系数曲线出现交叉现象;当初始含水量超过该值后,单线法的湿陷性小于双线法;这种交叉现象是由黄土本身的特殊结构性所决定的。最后对湿陷系数与初始含水量的关系进行了探讨。     

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。     

非饱和红黏土三轴试验研究

红黏土强度特性直接关系到路基的稳定和边坡坡度的选取,是地基工程、边坡工程和洞室工程设计计算的重要参数。以贵阳红黏土为例,对非饱和红黏土的强度特性进行了常规三轴试验研究。根据试验结果,分析了原状红黏土和压实红黏土的应力-应变关系及破坏类型,提出了压实红黏土的应力-应变关系曲线的数学模型,得出了压实红黏土抗剪强度参数与物理指标指标之间的关系。     

非饱和填土侧限压缩变形特性试验研究及应用初探

为研究吸力及压实度对非饱和压实填土压缩变形特性的影响,并建立脱湿（吸力增长）状态下的填方土体工后沉降变形修正计算应用模型,开展了控制吸力和压实度的一维非饱和土侧限压缩试验。结果表明：压缩曲线平缓段随压实度和吸力的提高而增长,表明土样的结构屈服强度同步得到提高;在比容v变化差值序列上,饱和土压缩土样最大、常规压缩土样次之、脱湿土样最小,并且吸力越大,比容v变化差值越小。经历脱湿（吸力增长）后的压实土压缩性降低,定义和建立了吸力压缩系数 及其经验模型,用以表征和度量吸力和压实度对压缩特性的影响规律及程度,发现 随竖向应力增加呈现指数型衰减。对模型参数与压实土相关参量间的关联性进行了分析探讨,同一压实度土样不同吸力所对应的参数 均值随压实水平提高而线性减小,参数λ总体上随吸力的增加而增大,但随压实度的提高吸力对于土体抗压性增强的贡献水平降低且参数 试验数值点靠拢线性趋近线,土样的压缩性随压实度和吸力大小变化而动态调整。基于分层总和法的基本原理初步构造建立了高填方非饱和填土压缩变形修正计算模型（MS）,其应用途径应建立在进一步对非饱和压实填土受荷状态下脱湿土-水特征关系的研究基础之上。     

软土非线性蠕变压缩模型

从土的力学行为与微观结构相结合的途径探讨滨海软土单向压缩的本构特征,旨在构造一个用于软土一维变形计算的合理形式.据多级加荷压缩试验成果,进一步证明了软土具有非线性蠕变特性;并用幂函数描述了软土压缩蠕变规律,用割线模量法概化了单向压缩的应力-应变的关系.提出了压缩蠕变率(CCR)的概念,并建立与土的结构定量参数(定向概率熵和孔隙分布分维数)、应力比之间的幂函数关系.在此基础上,建议了一个考虑非线性蠕变特性的单向压缩本构模型,并用试验资料初步验证了模型的有效性.建议的模型具有参数少、简便实用之特点,可用于软土地基的沉降计算分析.     

地基沉降大变形计算方法的关键问题研究

针对大、小变形法地基沉降量结果的差异问题,从大变形应力和应变度量、本构关系以及本构参数等概念的角度进行探讨。在连续介质力学有关原理基础上,先后研究了基于Green应变、Almansi应变和自然应变的地基大变形沉降量计算式。基于欧拉应力--Almansi应变对、欧拉应力--自然应变对的大变形法压缩本构关系整理方法,以及大、小变形法切线体积压缩系数之间的转换方法等。理论分析和算例分析结果表明,遵循该转换关系的条件下,同一问题所得的大、小变形法最终沉降量结果是相同的,忽略该转换关系将导致大变形法沉降量计算结果偏大或偏小于小变形法的结果,这也为合理确定大变形法本构参数提供新的参考。     

考虑含水率影响的结构性黄土临界状态模型

根据不同初始含水率原状黄土结构性演化规律,基于临界状态土力学理论,以应力、初始含水率和应变为基本变量,提出了一个可以反映原状黄土结构性演化规律及软化特性的临界状态本构模型。模型通过对比不同初始含水率下重塑与原状黄土等向压缩曲线,建立了不同含水率下原状黄土的结构性参数及其演化方程。此外,模型采用非相关联流动法则,以剪胀方程的形式来求解塑性偏应变。模型共计9个材料参数,均可由压缩试验和常规三轴剪切试验求得。通过与已有试验数据的对比发现,本模型不仅可以较好地体现初始含水率对原状黄土结构强度、变形特性以及结构破坏规律的影响,而且能较为合理地预测原状黄土的硬化及软化特性。所建立的结构性黄土临界状态模型为深化黄土力学特性研究提供了可能,同时为有效计算黄土地基湿陷变形提供了一定的理论依据。     

黄土的湿载结构性本构模型研究

土结构性是土结构空间排列几何特征和联结特征所表现出的力学性质,是影响土力学特性的重要内在因素。它与土的密度、粒度、湿度相联系,能够综合反映土的强度、变形等力学特性的变化和发展。从综合反映增湿导致土结构内在主动变化和加载变形导致土结构被动变化两个方面出发,沿用土综合结构势的应力比结构性参数,首先建立压缩、剪切及增湿作用下黄土的结构性演化规律;其次,通过压剪湿作用下黄土的应力-应变特性、屈服破坏特性及其与结构性之间的关系,揭示结构性变化对土力学性质的影响;进而,建立了反映压剪湿作用下黄土结构性发展演化的湿载结构性本构模型。最后通过与试验数据、修正剑桥模型的比较分析,初步验证该模型的准确性。     

压实黄土非线性压缩应力-应变关系在地基沉降计算中的应用

目前以压缩试验得到的e-p曲线为基础的分层总和法仍然是地基沉降分析中最常用的方法。割线模量法是近年来为人们所熟知的计算地基沉降的新方法,具有不受初始孔隙比影响、便于电算等优点。传统的割线模量法将土体的压缩应力-应变关系视为双曲线形式。通过对压实黄土压缩应力-应变关系曲线的研究和对传统割线模量法计算的割线模量与压缩模量的比较表明,导致割线模量法和e-p曲线法计算结果差异的主要原因是土体压缩应力-应变关系符合双曲线的假定,将压实黄土的应力-应变关系用更符合实际情况的幂函数进行拟合,得到了基于幂函数形式的压缩应力-应变关系曲线的沉降量计算公式,并结合具体工程进行了沉降计算对比分析,将割线模量法进行了推广应用。     

Study on the deformation and failure modes of filling slope in loess filling engineering: a case study at a loess mountain airport

Lvliang airport is a typical loess filling engineering located in 20.5 km north of Lvliang City in Shanxi Province, China. By the end of March 2012, 14 fissures extending more than 7.5 m were observed in a loess-filled slope, of which the longest fissure is up to 82 m. Field monitoring and laboratory tests have been performed to investigate the slope failure modes. The test program includes wetting tests on unsaturated compacted samples and stress path tests on saturated samples. Field monitoring and observations show that differential settlement caused by non-homogeneity in compacted loess density might lead to the formation of fissures in the loess-filled slope. It was founded that the wetting deformation contributed to the development of differential settlement. Fissures are the essential factor for the loess-filled slope failure. Four deformation stages exhibit in the loess-filled slope prior final failure including development of the fissures, softening of the compacted loess, creeping of the slope leading edge and fissuring of the trailing edge and formation of the through-sliding surface. Development of the sliding surface mainly includes upward and downward expansion of the fissures. Upward expansion is a wetting failure process in loading condition, while downward expansion is a load-off wetting process. In addition, development of the sliding surface is accelerated by softening of the compacted soils as a result of water infiltration. Therefore, the key for taking countermeasures against filling landslides is to monitor and control the development of differential settlement and fissures in the slope shoulders. Digging out and extra-filling the fissures are an effective way for preventing these landslides.     

二元介质模型对重塑黄土的适用性探讨

为了论述二元介质模型对于重塑黄土的适用性,针对重塑黄土开展了三轴压缩试验,结合轴向应力-应变曲线及试样的破坏形态分析了围压对其受力变形的影响规律,将其受力及破坏的特点与二元介质模型的基本假设进行了对比,指出二元介质模型可以模拟重塑黄土的受力变形规律。在此基础上,根据模型各参数特点建议了参数厘定的基本思路,并通过与试验数据对比验证了厘定思路的有效性。本文建议的参数确定顺序为“胶结元弹性模量→破损率分布→摩擦元参数→局部应变系数”。结果表明,重塑黄土在三轴压缩情况下呈现二元受力状态,二元介质模型可以很好地描述重塑土的应力-应变关系。围压越大,结构破损越快。对于软化型曲线,加载后期摩擦元分担了绝大部分轴向荷载。随着曲线向硬化型过渡,加载后期摩擦元分担的荷载逐渐减小。     

非饱和压实黄土结构特性试验研究

对增（减）湿到相同含水率及相同干密度的不同结构性非饱和压实黄土进行土-水特征曲线试验和三轴剪切试验,研究制样含水率引起的结构变化对非饱和压实黄土基质吸力、应力-应变特征及结构性参数的影响。研究结果表明：制样含水率引起的结构性对非饱和压实黄土的土-水特征曲线有明显的影响,小于塑限时基质吸力随制样含水率的增大而增大,最优制样含水率时非饱和压实黄土具有均匀小孔隙的团粒凝聚结构使其吸力相对最大;应力-应变曲线在最优结构状态时位于坐标最上端,小于最优制样含水率时的结构弱化程度相对较低,其应力-应变曲线逐渐下移,大于最优制样含水率时土样的结构弱化程度较高,其应力-应变曲线位于最下端;定义的结构性参数m?r能够合理反映压实黄土的结构性,弥补了压实土工程中用最优含水率和最大干密度指标无法反映土结构性影响的不足;屈服结构性参数m?r0能够合理反映出不同制样含水率压实黄土的结构弱化程度,结构弱化程度还反映在三轴剪切破坏强度上。     

干湿循环作用下压实黄土湿陷特性试验研究

压实黄土作为重要的填筑材料,广泛应用于我国西北、华北公路、铁路、机场等基础设施建设中.由于降雨及蒸发的周期性变化,黄土路基及基础经历着强烈的干湿交替作用.基于此,开展压实黄土风干干燥-滴水增湿条件下的干湿循环试验,利用双线法测试最佳含水量条件下不同初始压实度的黄土土样干湿循环前后的湿陷系数.结果表明：没有经历干湿交替作用的土样,湿陷系数随着压实度的增大而快速减小,当压实度达到90%,提高压实度对于黄土湿陷变形特征的影响较小;5次干湿循环作用后,不同压实度下的试样的湿陷系数均明显增大,且压实度越大,干湿作用对其湿陷变形的影响越显著;压实度K=95%试样在经历5次干湿循环作用后土样上部出现肉眼可见的细微孔隙,体积膨胀,有可溶盐析出,湿陷系数达到0.017,土样出现二次湿陷.     

干湿循环条件下压实黄土变形特性试验研究

由于降雨及蒸发的周期性变化等原因,压实地基土经常处于干湿交替状态,这种干湿循环作用会影响路基及地基的长期稳定性。通过气压式固结仪测试压实黄土试样经过不同次数干湿循环作用后的侧限压缩应变与垂直压力( - )曲线,研究干湿循环作用对压实黄土变形特性的影响,同时利用已有模型对实测曲线进行拟合,并基于割线模量法分析了割线模量与初始压实度及干湿循环次数的关系。结果表明：初始压实度对黄土的压缩变形有显著影响,不同初始压实度的试样其各级压力下的侧限压缩应变均随着干湿循环次数的增大逐渐增加,之后趋于稳定;初始压实度越高,干湿循环作用影响效应越显著;干湿循环作用并不改变土体 - 曲线的形式;割线模量与干湿循环次数及初始压实度的关系均呈指数关系。     

非饱和压实土率相关变形特征与时效模型

为研究高填方路堤压实土率相关变形特征,对不同压实度的非饱和压实土分别开展了不同加载速率以及不同围压条件下的CD三轴剪切试验,探讨了不同工况下压实土的剪切强度指标;借助GDS饱和土静态三轴仪的围压控制器来间接测定非饱和压实土体变的途径。试验结果表明：压实土强度及变形特征具有明显的时间相依性,加载速率越大,压实土的抗剪强度越高,超固结变形特性越强,抗剪强度指标黏聚力c值增幅较大、内摩擦角 值增幅较小;低围压下,压实土呈应变软化及剪胀变形,且压实度越高,应变软化及剪胀变形越显著,c值增加明显、 值增加缓慢。采用基于下负荷面的弹黏塑性本构模型对路基压实土的率相关变形特征进行表征,预测结果与试验数据吻合良好,表明该模型适用于高填方路堤长期沉降分析。