新型静止侧压力系数试验仪的研制与应用

研制了一种新型静止侧压力系数试验仪,介绍了该仪器结构及工作原理。对干砂进行了试验,测定其静止侧压力系数,与传统的水囊式 固结仪试验结果进行了对比。分析了该试验仪的可能误差来源,主要包括加载过程中的试样侧向变形和试样与压力室筒壁之间的摩擦力,具体分析了试样侧向变形引起 值误差的大小,提出了摩擦力影响修正方法,充分论证了仪器的准确性和有效性。对某粗颗粒土进行了静止侧压力系数试验,测定了该土在加载及卸载条件下 随应力状态的变化,验证了仪器对粗颗粒土的适用性。该仪器结构简单,操作方便,结果准确,适用于包括粗颗粒土在内的各种土的 试验,克服了现有的静止侧压力系数试验仪不适用于粗颗粒土的缺陷,而且适用高应力范围。     

粗颗粒土的静止土压力系数非线性分析与计算方法

确定静止土压力系数在土压力计算中非常重要,但是粗颗粒土的静止土压力系数非线性特征长期被忽视,专门研究其非线性特征具有重要现实意义。为弥补粗粒土K0非线性研究的不足,分析了粗颗粒土的静止土压力系数非线性特征。基于邓肯?张模型的应力?应变增量关系,引入邓肯?张模型参数,建立了静止土压力系数数学公式。同时,提出了粗颗粒土静止土压力系数非线性计算方法,并对公式参数敏感性进行了分析。基于K0试验数据和数值试验结果,对粗颗粒土静止土压力系数非线性计算方法进行了应用分析。应用结果表明：K0预测值与K0实测值吻合,所提出的非线性K0计算方法可用于粗颗粒土K0计算。通过与Jaky公式的结果的对比分析,讨论了初始应力条件对粗颗粒土静止土压力系数非线性计算结果的影响。该研究成果有助于加深对土体静止土压力系数非线性的理解,并为粗颗粒土静止土压力系数计算提供参考。     

基于离散元法的静止土压力系数分析

采用三维离散元法（DEM）对不同初始孔隙比的粒状土进行一维压缩 试验模拟。对比了传统定义静止土压力系数 以及增量型定义静止土压力系数 ,分析了静止土压力系数的影响因素（初始应力状态、初始孔隙比和应力历史）,检验了Jaky公式及Mayne和Kulhawy公式的适用性。结果表明,对于初始等向围压试样,随着竖向压力的增大, 减小,则 先增大到峰值后再减小;对于初始 状态试样, 、 随着竖向压力的增大均减小。 、 分别在竖向压力达到初始等向围压6～10倍及4倍左右达到稳定值,即真实的 值; 、 随孔隙比减小而明显减小。应力历史对 有显著影响,对于相同应力状态的加载和卸载阶段 差别很大。Jaky公式及Mayne和Kulhawy公式计算结果与数值模拟结果有一定差 异,采用峰值摩擦角比采用残余摩擦角的公式计算结果更接近数值模拟结果。     

粗粒土卸载－再加载力学特性试验研究

进行了3种不同粗粒土的常规三轴加载－卸载－再加载的剪切试验,对粗粒土的卸载－再加载的力学特性进行了分析。结果表明：粗粒土存在卸载体缩现象,且随着应力水平的增加,卸载体缩量增加;随着围压的增加,卸载体缩量减小。根据试验数据总结了卸载体缩量与应力水平、围压之间关系式。回弹模量随应力水平的增加呈驼峰型曲线,即应力水平在0.7左右时最大,小于或大于0.7时的弹性模量均较小。平均回弹模量与单调加载时的初始弹性模量的比值随围压呈幂函数降低,母岩硬度大的土料,该比值较大,相反,母岩较软的土料,该比值较小。由单调加载得出的邓肯模型参数k、n和卸载回弹确定的kur、nur的大致关系为kur=(2.64～4.60) 、nur =(0.540～0.885) n。     

利用扁铲侧胀试验确定粗粒砂土的超固结比

本文利用扁铲侧胀试验对超固结砂土的土力学参数进行测试,目的是获取砂土的超固结比OCR和静止土压力系数k_0。经过一系列室内试验箱砂土物理模型试验的精确测试,分别得到在加载和卸载阶段的P_0压力值和P_1压力值,并换算成各项扁铲侧胀试验指标。试验结果表明,在扁铲侧胀试验指标中,侧胀水平应力指数K_D更能反映粗颗粒砂土的超固结比,因此,可用相对密实度D_r和侧胀水平应力指数K_D建立超固结比OCR的表达式;由于K_D/k_0和E_D/σ'_m之间有共同的因子,即状态参数ψ,因此可建立两者的关系式来计算静止土压力系数k_0。     

砂性土成拱应力释放特性的模型试验及数值模拟研究

通过室内模型试验研究了卸荷尺度及孔隙率对砂性土成拱应力释放特性的影响,并应用离散元分析软件PFC2D进一步对颗粒摩擦性质影响、成拱后应力场以及位移场变化规律和应力释放分区进行了细观研究。研究发现：（1）数值模拟对卸荷尺度影响因素的研究结果与室内试验一致,应用PFC2D研究砂性土应力释放特性是可行的。（2）应力释放区内竖向应力释放大于应力加载区,而水平应力释放小于应力加载区;侧压力系数在应力释放区内距离卸荷位置越近增量越大,而在应力加载区距离卸荷位置越近增量越小。（3）砂性土摩擦性质会减小土体成拱对应力释放以及侧压力系数变化的影响。（4）应力释放随着卸荷尺度及孔隙率的增大而增大;对于侧压力系数,在应力释放区内随着卸荷尺度或孔隙率的增大而增大,而在应力加载区随着卸荷尺度或孔隙率的增大而减小。     

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。     

湖沼相土K0值与微结构参数的关联性分析

土的静止侧压力系数K0是实际工程中经常需要用到的重要数据,影响土的静止土压力系数的主要因素就是土本身的性质。静止土压力系数是土的工程性质的一个重要指标,土的工程性质与土的微观结构联系紧密,土的许多工程性质可以从土的微观角度进行解释。通过研究静止侧压力系数K0与土的微观参数之间的关系,得出静止侧压力系数K0与微观参数中的等效直径、数量、形态比关联不大,而与圆度比较相关。     

珊瑚颗粒形状对钙质粗粒土的压缩性能影响

珊瑚颗粒形状不规则是其显著区别于陆源土的一大特征。为揭示珊瑚颗粒形状对钙质粗粒土压缩性能的影响,人工挑选出不同形状(块状、枝状、棒状、片状)的珊瑚颗粒,以块状颗粒为基础,与其他3种不同形状的粗颗粒任意一种混合,控制不同颗粒形状配比制成钙质粗粒土试样,完成室内压缩试验,对比分析试验前后珊瑚颗粒的圆度、长宽比、扁平度和凹凸度等形状参数,评价颗粒形状对压缩性能的影响。结果表明:(1)粒径为10~20 mm钙质粗粒土的压缩模量是4~5. 5 MPa,回弹系数为42~53;(2)随枝状、棒状或片状颗粒掺量的增加(0、10%、20%、30%),试样压缩模量呈小幅波状变化,回弹系数呈持续减小趋势;(3)各加载区间应力-应变曲线包括应力快速增长阶段、应力-应变同步增长阶段、应变增长阶段共3个阶段和1个稳定点;(4)随枝状颗粒掺量的增加,试样的长宽比和凹凸度逐渐增加,圆度和扁平度基本无变化;因颗粒破碎的影响,试验后试样的长宽比及扁平度有所增加,圆度及凹凸度则有所减小。选择钙质粗粒土地基时,应考虑其压缩性能,避免施工初期的快速加载。     

砂土拱效应的挡板下落试验及机理研究

土拱效应对考虑拱效应时土压力的计算非常重要,而目前对土拱效应的形成机理认识还不深刻。通过自行设计的室内挡板下落试验对砂土拱效应的问题进行了试验研究。得到了不同的土体埋深情况下,随挡板下移挡板上土体重量、箱内土体的应力和侧压力系数的变化规律。试验结果表明,挡板微小的位移挡板上土体的重量就会快速降低;随着挡板继续下移挡板上土体重量降低的趋势逐渐减缓,认为挡板下移2.5 mm时上部土体达到临界状态;随挡板下移箱底挡板上部中心线上的竖向土压力减小,挡板两侧上部土体的竖向土压力增大;挡板上部中心线上的侧压力系数明显增大。通过土体内的应力变化规律对砂土拱效应的形成机理进行了分析。     

土体三维卸荷弹塑性模型及其试验验证

天然土体经历开挖卸荷应力路径后,其应力变形特性与常规加载应力路径条件下规律存在较大差异。目前常用土体本构模型大多建立在等向固结单向加载三轴试验基础上,没有考虑初始K0固结和开挖卸荷应力路径的影响。以剑桥模型为基础,借鉴关口-太田模型的建模思想,通过引入新的应力比参数,对p-q平面上屈服轨迹硬化轴进行旋转,调整弹性区范围,以反映初始K0固结的影响;再运用变换应力法将模型三维化处理,从而使模型可以描述土体三向不等向应力状态,最终得到一个能综合反映土体K0固结开挖卸荷应力-应变特性的三维弹塑性本构模型。通过和典型室内应力路径试验结果进行对比,验证了模型的合理性。     

泥炭质土K0固结不同开挖路径应力-应变关系研究

基坑开挖过程中不同部位的土体会因不同的卸荷力学行为而表现出动态的破坏特性。为研究基坑土体开挖过程中复杂的卸荷应力路径,利用TSZ-1S应力控制式三轴仪分别对湖相沉积的泥炭质土进行固结不排水及K₀固结下的加、卸荷试验,并按侧向、轴向、轴侧向同时卸荷等不同卸荷条件制定试验方案,模拟基坑开挖过程中不同部位土体卸荷路径下的应力-应变曲线、卸荷剪切破坏时的强度及初始切线模量等的变化规律。试验结果表明：土体的应力-应变特性与应力路径密切相关,各路径下应力-应变曲线都近似呈双曲线型;卸荷剪切破坏时强度明显低于加荷破坏。对不同卸荷路径下初始切线模量(E_i)的研究发现,E_i受侧向卸荷影响较大,卸荷后E_i有所提高,轴向卸荷对其影响较小。对各应力-应变曲线进行归一化处理,构建了考虑不同归一化因子的归一化方程,以该方程为基础对不同应力路径下的泥炭质土进行归一化处理,并对结果进行了验证,效果良好。本研究可为泥炭质土场地上基坑在不同卸荷路径下的变形参数和本构关系的研究提供参考。     

K0应力路径试验在上海地区工程勘察中的应用

上海地区在进行软粘性土的变形特性试验时,勘察过程中极少进行对原状土在不同应力路径下的变形及强度试验研究,这使得报告中提供的参数不能很好地和基坑开挖卸荷过程中土体地层的实际相吻合。本文以上海市徐家汇某深大基坑项目为例,在勘察阶段进行K0应力路径三轴试验,试验内容为对选取的代表性土样进行加荷、卸荷及再加荷,并记录各阶段的应力应变及变形模量。对试验结果的分析表明,应力路径对软粘性土的影响较明显,K0应力路径可以较为真实地反映土体在天然状态下进行基坑开挖过程中的变形特性。建议以后在对变形敏感的深大基坑工程中加强推广应用。     

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。     

粗颗粒土的应力应变特性及其数学描述研究

大型三轴试验研究了粗颗粒土的应力应变特性及邓肯-张模型的适用性。试验结果表明粗颗粒土表现出明显的低围压下体胀高围压下体缩的体变性质,邓肯-张模型在描述粗颗粒土的体变特性方面存在不足。基于试验结果提出了新的体变描述公式,在未增加模型参数的条件下提出了邓肯-张模型的改进模型。采用改进模型对多种粗颗粒土三轴试验结果进行了预测,结果初步表明改进模型能够更好地模拟粗粒土的体变特性。     

初始应力条件对松砂动力变形特性影响的试验研究

实际建筑物地基或土坡中土体在地震或波浪等复杂动力荷载作用前往往处于复杂的初始应力状态,而常规的土工动力试验通常无法再现这种复杂固结应力条件下土的动力特性。利用最新研制开发的土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,针对福建标准砂（ %）,进行了循环扭剪试验,探讨了初始主应力方向角 和初始偏应力比 等初始固结条件对松砂动剪切模量G和阻尼比 等动力变形特性的影响。     

考虑卸荷速率的K0固结膨胀土应力-应变行为

通过GDS三轴试验系统对K0固结原状南阳膨胀土原状样进行了不同卸荷速率和卸荷路径下的不排水三轴剪切试验,在试验资料的基础上,建立了K0固结膨胀土的初始切线模量Ei和极限偏应力qult与固结应力及卸荷速率的关系式。发现,K0固结膨胀土在卸荷剪切过程中的应力-应变关系曲线呈典型双曲线特征;膨胀土的不排水剪切强度随轴向固结应力及卸荷速率的增加而单调增加;Ei及qult随固结应力及卸荷速率的变化规律与强度基本类似,但Ei随固结应力的增加呈指数增加,而qult则表现为线性增加。通过改进邓肯-张双曲线表达式,建立了K0固结膨胀土下不同卸荷速率时应力-应变关系的预测公式,并进行了模型验证。     

软土在不同应力路径下的力学特性分析

通过固结不排水剪应力路径试验对广州南沙典型软土在不同固结条件的力学特性进行了系统研究。分析了初始固结状态对软黏土应力路径依赖性的影响,比较了不同应力路径下土的应力-应变关系特征和孔隙水压力变化规律,探讨了孔压分布与土体变形特征的关系,认为侧向卸荷会造成剪应力增加、体应力减小,从而使土体产生剪胀趋势。研究结果还表明,不排水条件下的有效应力路径主要与土样初始固结状态有关,因而同一固结状态下的有效应力路径具有唯一性。另外,试验中的剪切控制方式对有效应力路径有明显影响,但对土体抗剪强度的影响可以忽略。     

黏土强度指标的测定和选取

在岩土工程界,强度指标的测定和选取存在着不统一的现象。具体表现在（1）强度试验的划分;（2）不排水强度的测试;（3）加载工程强度指标的选取;（4）卸载工程强度指标的选取。针对上述问题,指出不固结不排水试验宜称为天然固结不排水。讨论和比较了国内外常用的地基天然强度测试方法。对国内的改进有效应力法和有效固结应力法进行了理论分析,指出二者均低估了现场固结不排水强度。建立了采用各向等压固结试验模拟现场K0固结时的等效围压计算公式及等效于CK0U试验的有效固结应力法强度增长公式。分析了国外的不排水有效应力法、QRS法和不排水强度分析法的特点和适用条件,指出不排水强度分析法所采用的SHANSEP试验方法能合理考虑分期施工过程中地基土的强度增长,适合在国内采用并对国内常用的加载-卸载-加载方式获取卸载强度指标的适用情况做了分析。     

Nonlinear radial consolidation of vertical drains under a general time‐variable loading

By incorporating the nonlinear variation of a soil's compressibility and permeability during the process of consolidation, an analytical solution for the radial consolidation of vertical drains has been developed for a general time‐variable loading. The general solution was verified for the cases of instantaneous loading and ramp loading. Detailed solutions were further derived for two special loading schemes: multistage loading and preloading–unloading–reloading. The nonlinear consolidation behavior of a vertical drain subjected to these two types of loading schemes was then investigated by a parametric study. The results show that the loading rate, the ratio of the compressibility index to the permeability index (C_c/C_k), and the initial stress state have a significant influence on the consolidation rate. A smaller value of C_c/C_k, a larger initial stress, or a fast loading rate always leads to a rapid consolidation rate. During the unloading period, a negative excess pore water pressure may occur, and a slower unloading rate may reduce this negative value. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.