剪切速率对结构性吹填软土力学特性影响试验研究

黏土在剪切变形过程中,剪切速率的不同会对其结构破坏产生不同影响,从而影响其力学特性.本文以天津滨海新区吹填软土为研究对象,在对吹填软土关于结构性讨论的基础上,开展了剪切速率对其力学性状影响的三轴试验研究,分析其剪切速率力学效应.试验结果表明:随着剪切速率的提高,在低围压条件下,吹填软土的强度及其结构屈服应力均先减小后增大,存在临界剪切速率,而在高围压条件下,强度及其结构屈服应力则逐渐增大,与剪切速率呈正相关关系,临界剪切速率逐渐消失; 吹填软土的黏聚力在不同围压下随剪切速率提高均呈现减小趋势,内摩擦角在低围压条件下随剪切速率提高呈现增大趋势,在高围压条件下则随剪切速率提高呈现减小趋势; 在剪切过程中,孔隙水压力均随着轴向应变的增大到某一值然后稳定下来,随着围压的进一步加大,孔隙水压力的稳定值会随剪切速率的提高呈减小趋势.     

不同围压及应变速率下页岩变形及破损特性试验研究

为揭示围压及应变速率对页岩力学特性的影响规律,对志留统龙马溪组页岩试样开展了不同围压及不同应变率下的三轴压缩力学试验研究。结果表明,围压和应变率对页岩的弹性模量、峰值强度及破裂形态等均具有显著影响,弹性模量和峰值强度均随围压的升高而增加,峰值强度增加的幅度明显大于弹性模量,峰值强度呈线性增加趋势,低围压时应变率从低到高,弹性模量和峰值强度都呈逐渐升高的趋势,两者与应变率对数的关系可用二次多项式描述;随着围压增大,页岩的应变率效应逐渐减弱,在较高高围压(50 MPa)下峰值强度和弹性模量随应变速率增加而增加现象均变得极不显著。对试验后岩样的破坏模式进行分析可知,页岩在低围压高应变率状态下主要是劈裂–剪切破坏,随着围压的增加和应变率的减小,试样的破坏由脆性劈裂–剪切破坏向单一剪切破坏转变,再逐渐向延性破坏过渡。研究结果对于合理确立页岩力学参数及设计压裂方案具有较好的参考。     

吹填软土UU三轴剪切应力松弛特性试验研究

当透水性较差的饱和软黏土处于施工速度快(加荷速率快)的实际工况时,往往夹杂着应力松弛现象,给工程实践的安全运营带来巨大隐患。以天津滨海吹填软土为研究对象,采用WF应力路径三轴仪,通过不固结不排水(UU)三轴剪切试验,分析了不同初始应变、围压、剪切速率、取样深度和结构性等因素对其应力松弛特性的影响规律。试验结果表明:不同试验条件下,天津滨海吹填软土的应力松弛过程都可分为快速、慢速和稳定3个阶段;应力松弛速率随初始应变和取样深度的增大而增大,而围压和剪切速率对其影响不太显著,土的结构性增强会明显增大应力松弛速率,从而加剧应力松弛现象的产生;通过对比分析,确定幂函数模型更适合描述不同试验条件下吹填软土的应力松弛变化规律。研究结果对天津滨海吹填软土场地安全施工与运营具有重要的现实意义。      

冻融循环作用后饱和黏土的应变速率效应试验研究

为研究不同应变速率加载对融化饱和黏土力学效应的影响,对不同初始压实度的融化饱和黏土进行了不同应变速率和围压下的固结不排水三轴剪切试验,分析了融化饱和黏土的应力-应变关系曲线特征、孔隙水压力、割线模量(E_(50))、峰值强度、残余强度、抗剪强度指标的变化规律。结果表明:随着应变速率的增大,融化饱和黏土峰值强度和残余强度均先增大后减小,随后持续增大;而E_(50)模量则一直增大。应变速率未改变偏应力峰值所对应的应变大小;初始压实度不影响融化饱和黏土峰值强度对应的应变值,且在围压为120 k Pa、应变速率为0.15%/h时初始压实度对融化饱和黏土孔隙水压力发展趋势的影响不大,而当应变速率超过1.5%/h时,初始压实度的影响显著。随着围压增大,融化饱和黏土峰值强度对应的应变值及孔隙水压力明显增大。应变速率小于15%/h时,内摩擦角随着应变速率增大而减小,应变速率大于15%/h时,内摩擦角则随着应变速率增大而增大;黏聚力随着应变速率的增大持续增大。其研究结果对加深融土应变速率效应的理解具有一定的理论意义。     

原状海洋土动泊松比的试验研究

利用空心圆柱扭剪（HCA）仪,针对原状海洋粉质黏土,通过循环三轴及循环扭剪试验,得出相应的杨氏模量、剪切模量和动泊松比,探讨了有效固结围压、固结应力比对动泊松比的影响。试验结果表明：土体的动泊松比随着广义剪应变的增大而增大;有效固结围压、固结应力比均对动泊松比有显著的影响,动泊松比随着有效固结围压、固结应力的增大而逐渐减少;且随着广义剪应变的增大,两者对动泊松比的影响减小,当广义剪应变增大到1.8×10-2左右,试验终止,此时土体动泊松比约为0.48。试验中未出现动泊松比大于0.5的现象,说明土体未出现剪胀现象,试验所采用的粉质黏土在循环荷载作用下具有较好的稳定性     

盾构施工与波浪荷载耦合作用后软土力学特性

针对波浪循环荷载作用和盾构穿越海堤过程中的施工扰动对下卧软黏土地基的弱化效应问题,研究了盾构施工与波浪荷载耦合作用后海洋软土的强度和刚度变化规律。通过逐步降围压的方式模拟盾构施工过程中的地层损失所引起的应力释放,循环加载3 000次模拟波浪荷载长期作用,开展了波浪和盾构施工耦合作用后的软土空心圆柱扭剪不排水剪切单元体试验。试验结果表明:(1) 在盾构施工与波浪荷载耦合作用下,软黏土的强度和刚度均随围压变大而增强,在同一围压下,二者均随波浪循环次数和土体损失率（δ）的增大而减小。(2) 在相同的波浪循环剪切次数下,软黏土初始切线模量随δ的增加而呈线性递减趋势,而软黏土黏聚力和内摩擦角随δ的增加而呈现非线性减小。波浪和盾构施工耦合作用后软黏土的强度和刚度均呈现不同程度的衰减,二者耦合扰动作用对软黏土的弱化效应在实际工程中应充分重视。此研究对探讨复杂扰动条件下海洋结构性软土力学特性规律,丰富和发展扰动状态下结构性软土的计算理论,以及对海岛基础设施建设具有重要的参考价值。     

动扭剪试验中砂土液化后流动特性分析

土体在初始液化后仍然可能承受动荷载作用发生大变形。引入流体力学中的剪应变率和表观黏度的概念,对振动扭剪试验中饱和砂土液化后的流动特性进行了分析。分析中将砂土的状态分为0有效应力状态和非0有效应力状态。结果表明,砂土在0有效应力状态下表现出与静扭剪试验类似的“剪切稀化”非牛顿流体的特征,表观黏度随着剪应变率的增大而减小。加载周数对“剪切稀化”状态下的剪应变率幅值有影响,随着加载周数的增加,剪应变率幅值逐渐增大,而对流动曲线的形状没有影响。在非0有效应力状态下,砂土的表观黏度随应变的增大而增大,随孔压比的减小而增大,且所有的试验得到的表观黏度与孔压比具有一致关系。     

考虑循环围压与振动频率影响的饱和软黏土动力特性试验研究

利用GDS变围压动三轴试验系统对宁波重塑饱和软黏土进行了一系列变围压不排水循环加载试验,重点研究了循环轴向偏应力和循环围压耦合作用下饱和软黏土不排水动力特性,分析了循环围压、振动频率对轴向累积应变及孔压的影响。研究结果表明:不排水条件下,循环轴向偏应力和循环围压耦合作用对试样的累积塑性应变发展具有一定的限制作用,轴向累积应变随应力路径斜率η及振动频率f的增大而减小。不同应力路径斜率、振动频率影响下,应变速率随加载时间的变化规律一致,应力路径斜率η对应变速率-时间关系影响较为明显,随着应力路径斜率η的增大,应变速率减小,而不同振动频率条件下的应变速率-时间关系曲线几近重合。另一方面,最大孔压随循环围压的增加而增大,而随振动频率的增加而减小。在上述试验结果基础上,建立了呈线性关系的应变速率与加载时间关系表达式。     

不同含水率下黏土弹性参数的弯曲-伸展元试验研究

用GDS弯曲-伸展元系统对不同含水率的低液限黏土进行波速试验,根据波动理论测得黏土的剪切模量、侧限模量和泊松比,研究不同含水率、不同试验有效围压、不同信号输入频率对试验结果的影响,并对S波(剪切波)与P波(压缩波)的输出波型信号特征进行分析,将不同信号分析方法所测得结果与共振柱结果进行对比。试验结果表明,(1)在低液限黏土中的剪切波速V_s、压缩波速V_p均随输入频率增大而增大,且增幅随频率增加而减小;在黏土材料中S波的近场效应随含水率和激发频率的提高而减弱;(2)剪切模量G_0和侧限模量M_0均随试验围压的增大而提高,G_0随试样含水率的提高而降低;(3)泊松比随含水率的提高而增大,且随着含水率的增大试验围压对泊松比的影响减弱。     

冻融粉质黏土的剪切波速与动态回弹模量及其转换关系

动态回弹模量作为评定路基性能及进行路面设计的重要参数,受土体自身物理力学状态及外部环境的显著影响而复杂多变,亟需一种高效简便的针对性监测方法。以压实粉质黏土为研究对象,开展了不同含水率、压实度和冻融循环次数下粉质黏土动态回弹模量和剪切波速试验,获得了冻融黏土的动态回弹模量、剪切波速及两者之间的转换关系。结果表明：土体动态回弹模量和剪切波速均与其物理状态紧密相关,二者都随含水率和冻融循环的增加而急剧下降,随压实度的增加而有所提升;土体的动态回弹模量还受到应力状况的影响,随围压增大而增大,随循环偏应力增大而减小,应结合实际受力状况选取相应动态回弹模量代表值反映路基的性能;采用三参数复合模型回归确定了冻融粉质黏土动态回弹模量预估模型,并建立了冻融粉质黏土剪切波速预估模型;据此构建了冻融粉质黏土动态回弹模量与剪切波速的转换关系,为实现基于剪切波速确定路基土动态回弹模量提供了理论支持。     

分级循环荷载作用下冻土动应变幅值的试验研究

通过低温动三轴试验,采用分级加载方式逐级施加动荷载,对不同加载频率、围压和负温条件下青藏冻结黏土和兰州黄土的动应变幅值变化特征进行了试验研究。结果表明,同一级荷载作用下,动应变幅值随振次的增加基本不变,可以采用平均值来反映各级加载下的动应变幅值;不同加载频率、围压和温度条件下,动应变幅值随动应力幅值的变化规律相同,即随着动应力幅值的增加,动应变幅值逐渐增大;动应变幅值随加载频率的增加而减小,但减小的速率逐渐降低,动应变幅值最终趋于一稳定值,对于青藏黏土和兰州黄土,该稳定值均随加载级数的增加而增加;随着围压的增加,青藏黏土的动应变幅值变化不大,而兰州黄土的动应变幅值呈逐渐减小的趋势;动应变幅值随温度的降低而减小。动应力幅值对动应变幅值的影响最大,动荷载振动频率的影响次之,温度的影响第三,围压的影响最小。     

循环围压对饱和软黏土永久变形的影响

通过对温州典型饱和软黏土进行一系列不同应力路径下的部分排水循环动三轴试验,研究了部分排水条件下循环围压对饱和软黏土变形特性的影响。试验结果表明：部分排水条件下,与常规的围压保持恒定,偏应力单独循环作用下的三轴试验结果相比,循环围压的存在对饱和软黏土的永久体应变和永久轴向应变均产生了的显著的影响。在相同循环应力比和循环次数下,试样的永久体应变和永久轴向应变均随着循环围压幅值的增大而增大,说明常规的恒定围压循环三轴试验会低估高速交通荷载作用下路基土体的沉降。基于试样第10 000圈的永久体应变和永久轴向应变,分别建立了可以量化部分排水条件下循环围压对饱和软黏土永久体应变和永久轴向应变影响的经验公式,并用于预测饱和软黏土在交通荷载这种包含循环偏应力和循环围压耦合作用的复杂应力条件下产生的永久变形。     

原状膨胀土剪切力学特性的应变速率效应

为研究应变速率对原状膨胀土力学性状的影响,通过GDS三轴试验系统进行了不同速率和围压下的固结不排水三轴剪切试验,分析了应力−应变曲线、孔隙水压力、剪切强度以及破坏模式随应变速率的变化规律。结果表明：不同应变速率下,膨胀土应力−应变曲线均呈应变硬化型。随着应变速率的增加,不排水剪切强度单调递增,引入应变速率参数ρ_0.9后发现,不排水强度增长率为14.3%～23.2%,平均值为18.4%。低围压下,应变速率对孔隙水压力影响较小,随着围压的增大,孔隙水压力的发展趋势由软化型转变为硬化型,孔隙水压力峰值随应变速率的增大而减小。原状膨胀土应变速率效应与其多裂隙性密切相关,破坏形式表现为小应变速率下主剪切带与次剪切带共存,大应变速率下仅有主剪切带,裂隙或多剪切带的出现强化了膨胀土强度的应变速率效应。     

Study on the strength of frozen clay at high confining pressure

An extensive test program was conducted on East China deep clay to investigate mechanical behavior in the process of axial compression and triaxial compression. In addition, the effect of negative temperature and confining pressure on the strength of frozen clay was analyzed. It is concluded that the stress-strain curves at high confining pressure belong to the strain hardening type and its strength almost corresponds to confining pressure in the range of tested confined stress. With respect to temperature, the strength increases when the temperature decreases. __________ Translated from Journal of Glaciology and Geocryology, 2007, 29(4): 636–639 [译自: 冰川冻土]     

不排水条件下砾石土的应变率效应

为研究应变率对砾石土应力、应变、强度特性的影响和应变率效应产生机制,对砾石和黏土混合备制的饱和砾石土心墙料,在应变率0.028～0.690 %/min范围内进行了不同围压下的固结不排水三轴压缩试验,定量地分析了三轴不排水抗剪强度的应变率效应。试验结果表明,不同的应变率下砾石土应力-应变曲线具有相似性;应变率增大10倍,不排水抗剪强度增大7.4%～29.9%;砾石土的应变率效应是剪切产生的孔隙水压力和土料本身黏滞性共同作用的结果,在不同的围压下二者发挥的程度不同     

分级加载下冻土阻尼比的试验研究

利用MTS-810型振动三轴试验机对不同加载频率、围压和温度下冻结黏土和冻结黄土的阻尼比变化规律进行研究。结果表明:不同频率、围压和温度下,对于冻结黏土,随动应变幅的增大,阻尼比呈先减小再缓慢增大的变化趋势;对于冻结黄土,阻尼比随动应变幅的增加先减小再逐渐保持不变。相同动应变幅下,冻结黏土和冻结黄土的阻尼比随加载频率的增加而减小,随围压的增加变化不大,温度为?0.2~?1℃时,阻尼比的变化规律不明显,温度为?2℃时,阻尼比的取值显著小于?0.2~?1℃时的阻尼比取值。当动应力水平较低时,阻尼比受频率的影响程度较大;当动应力水平较高时,阻尼比受温度的影响程度较大;在整个加载过程中,阻尼比受围压的影响程度最小。当动应变幅较小时,频率对冻结黄土的影响程度要大于冻结黏土,随动应力水平的增高,冻结黄土受频率的影响程度逐渐小于冻结黏土。在整个加载过程中,温度对冻结黄土的影响程度大于冻结黏土,而围压对冻结黄土的影响程度小于冻结黏土。     

高含冰量冻土动强度和残余应变的试验研究

冻土对温度敏感且性质易变, 而高含冰量冻土的性质更是极不稳定, 针对不同温度、 不同围压下50%的高含冰量重塑冻土进行了动三轴试验.结果表明: 动强度随着振次的增大线性减小, 和温度呈二次变化关系, 随着负温的增大而增大, 围压对动强度影响不大;残余轴应变随着振次的增大而增大, 呈幂函数的关系;随负温的增大而变小, 围压对残余应变影响也不大. 根据这些影响因素, 分别给出了高含冰量冻土的动强度和残余应变的计算公式, 这些结果可为该类土的动力特性研究提供参考.     

冻融循环对石灰处置粉质黏土静强度影响研究

以吉林－荒岗高速公路沿线的粉质黏土为研究对象,对不同石灰掺入比的土样试件进行0、2、4、6、8、10、12次冻融循环试验。通过室内静三轴试验,研究了冻融循环作用对石灰处置粉质黏土强度的影响。研究结果表明,石灰处置粉质黏土的应力-应变关系曲线呈应变软化型,峰值强度随围压增大而升高,粉质黏土峰值强度降低幅度值比石灰处置粉质黏土峰值强度降低幅度值大,经历4次冻融后应力-应变曲线峰值强度趋于稳定;冻融作用后石灰处置粉质黏土抗剪强度衰减率比粉质黏土的抗剪强度衰减率小,抗剪强度随围压的升高而增大;同一围压条件下石灰处置粉质黏土弹性模量随着冻融次数增加逐渐减小,经历4次冻融后基本趋于稳定。     

高围压下冻结砂土的强度特性

在高围压条件下，对冻结兰州砂土在不同温度和不同应变速度下进行三轴压缩试验，试验结果表明，围压的增大和应变速度的减小明显增强了冻土的塑性性能；同时，随围压的增大，冻土的抗剪强度增加，但随围压的进一步增加，它出现降低的趋势，存在一个临界 围压，此临界围压值随温度的变化而变化，但不随应变速率而变化。