强结构性天然沉积土的强度变形特性

广泛分布在日本大分县的天然硅藻土是一种令人惊奇的具有正常固结历史的天然沉积结构土,其含水量如豆腐,却硬如石头。由于具有强结构性,其土样不会受到取样及成形过程的扰动影响,能够在室内对其天然状态进行力学性状研究,是一种难得的天然沉积结构性土。采用最大压力达10 MPa的高压三轴仪对天然沉积硅藻土进行试验,以探讨强结构性天然沉积土的力学性状。结果表明,其固结屈服压力达到上覆压力的57倍以上,固结屈服前的压缩曲线是水平的,固结压力达到固结屈服压力时,压缩性突增。强度试验结果显示,处于固结屈服前状态的强度与应力水平无关,而处于固结屈服后状态时其强度包络线与重塑粘土同样为通过原点的直线。     

天然沉积结构性土的次固结变形预测方法

结构性土存在着其特有的变形和强度特性,次固结特性也表现出明显区别于与重塑土。通过对连云港天然沉积原状土和重塑土进行一维压缩次固结试验,研究了典型结构性土的次固结特性。试验结果表明,土体由于受结构性影响,结构破坏前后其次固结特性发生明显变化;结构屈服前（固结压力小于固结屈服压力）不发生次固结变形或次固结变形甚微;当土体处于屈服状态时,土体次固结变形突然增大,次固结系数Cα出现峰值;结构屈服后（固结压力大于固结屈服压力）,Cα随固结压力的增大而减小,表现为与当前的应力水平和时间密切相关的特性,应力水平对Cα的影响会随着次固结时间的增长而削弱。基于以上机制,建立了考虑结构性影响的次固结变形计算模型,该模型中Cα不仅与压缩指数Cc有关,且也与时间有关,基于该模型计算得到的Cα值和次固结变形均与试验值吻合较好。     

长江漫滩相软土结构性特征及其工程效应分析

采用自由活塞薄壁取土器从地表至深度30 m取得不扰动原状土样,通过室内的固结压缩试验,并结合现场CPTU原位测试,利用重塑土的压缩与强度特性作为描述天然沉积土相应特性的基准框架,探讨了长江漫滩相天然沉积软土的物理力学性质。结果表明,长江漫滩相天然沉积软土具有高位结构性,固结系数Cv在土体屈服后急剧降低,屈服前后有明显的分段特征。同时指出,在静荷载水平相对较低的低路堤结构下,软弱土层沉积过程中形成的固结屈服压力和结构强度对其工程特性的影响相对更加显著。减小对天然沉积土的施工扰动作用、充分利用土结构力学效应、尽可能使地基工作于力学性质良好的屈服前阶段,在实际工程应用中具有重要的现实意义。     

天然沉积结构性黏土原位压缩规律及预测模型研究

通过天然沉积黏土的原状样与重塑样的压缩对比试验,揭示了屈服后土结构性的渐进性破损过程以及由常规 曲线确定的压缩指数 随固结压力呈非线性变化性状给实际工程沉降计算参数选取带来不便。采用 双对数坐标表示方法,通过不同初始结构大小的黏土试验数据证实了 压缩曲线在屈服前后段具有良好的线性关系,实现了结构屈服应力、屈服前后压缩指标有效统一确定。在该坐标体系下给出了考虑取样扰动影响的原位压缩曲线恢复方法,建立了结构性黏土的双线性压缩模型,结合文中与文献中试验数据给出了结构屈服应力与不排水强度、屈服后压缩指标与稳定指数SI和液限wL的经验关系。研究结果可为天然沉积土地基固结沉降计算参数的合理选取提供依据。     

结构性花岗岩残积土的剪切屈服特性试验研究

为研究结构性花岗岩残积土的剪切屈服特性,对未扰动和重塑花岗岩残积土及作比较的掺水泥的重塑土进行了一系列不同围压下的三轴排水对比试验。结果表明,未扰动花岗岩残积土与掺水泥重塑土在剪切过程中的屈服点可以从归一化的剪切切向刚度 与轴向应变 在双对数坐标下的关系曲线中确定;固结压力 对未扰动残积土与掺水泥重塑土的屈服特性都有显著影响, 越大,等向固结作用对土体结构的破坏越严重,剪切开始阶段的初始归一化刚度会相应地越小,屈服时的轴向应变也越小;当固结压力达到足够大时,土体结构被等向固结作用完全破坏,剪切过程中没有结构性屈服现象发生, 曲线与重塑土的 曲线重合;重塑土在不同固结压力下的 曲线重叠,不随固结压力而变化,剪切过程中没有结构性屈服现象发生。     

湛江强结构性黏土强度特性的应力路径效应

为探讨湛江强结构性原状土与相应重塑土在不同应力路径下的强度特性及其与结构性的关联性,开展了在不同固结条件下的主动压缩、被动压缩、主动伸长3种应力路径试验,分析了该强结构性黏土在不同应力条件下的力学性状与强度特性。结果表明,湛江黏土的剪切破坏形态主要是单一型、双交叉剪切带与“腰鼓”型3类,应力-应变特性主要为轻度应变软化、强烈应变软化、轻度应变硬化、强烈应变硬化4类;偏压固结下试样破坏应变小于等压固结相应值,破坏强度及初始弹性模量比后者大;不同应力路径下土的强度差异主要反映在结构屈服前有效黏聚力的不同,结构屈服前,原状土的黏聚力高于重塑土的黏聚力,内摩擦角小于后者;结构屈服后,黏聚力逐渐减小,内摩擦角略有增大。原状土到重塑土的转变过程是黏聚力与内摩擦力在土体内部相互消长的过程,强结构性黏土在结构屈服前的强度指标具有较强应力路径依赖性。     

上海重塑粘性土的直剪特性研究

上海地区浅层广泛分布的淤泥质粉质粘土、淤泥质粘土和粘土具孔隙比大、含水量高、压缩性大、强度低等特点,容易对工程造成严重不良影响。对这三种土重塑样的直剪特性进行了系统研究,试验方法包括固结快剪和固结慢剪,剪切过程中量测剪切位移和竖向压缩量,剪切结束后量测了破坏面上的土样含水率。结果显示,固结慢剪试验中土样均硬化,剪切位移达6mm时仍未破坏;而固结快剪试验中,除粉质粘土外另两类土在0.2mm的位移下就达到剪切强度。通过试验得到了剪切应力与剪切位移关系、剪缩变形量和抗剪强度参数等。结合试验结果,对粉质粘土与粘土的不同结构导致直剪特性的差异进行了分析讨论。可为上海重塑土的结构及力学特性研究提供依据和借鉴。     

基于扰动状态概念的结构性土压缩特性分析

由于土结构性的影响天然沉积土的结构是亚稳定的,屈服后的压缩变形阶段必然伴随着结构的破损。将附加孔隙比?e作为表征原状土的一个结构状态参数,基于扰动状态概念,引入定量分析附加孔隙比?e随固结压力变化关系的方法,得到一维扰动状态概念(DSC)压缩模型,以描述结构性土压缩损伤现象,并通过结构破损指数b来刻画压缩过程中的结构破损速率。根据该模型,对太湖湖沼相典型的天然沉积软黏土、粉质黏土和硬黏土不扰动试样的一维压缩试验结果进行模拟和分析,并结合试验数据提出了模型参数的测定方法。分析结果验证了该模型能够描述具有不同结构形式土样的压缩特性及其实际变形过程中表现出的非线性,这给结构性土非线性固结与沉降计算提供了一定的理论基础。     

土结构性对天然软黏土压缩特性的影响

天然软黏土普遍受到土结构性的影响,明确结构性对软黏土压缩特性的影响机制显得尤为重要。对两个天然软黏土原状样进行室内一维固结试验,得到的压缩曲线与已有文献中搜集的39个原状样压缩曲线进行比较。压缩曲线在对数坐标下均呈现倒S形,并存在明显的结构屈服压力。采用双对数坐标处理后,压缩曲线可由双直线较好地表示,易于确定固结屈服压力。41个原状样屈服后的压缩指数和屈服点含水率之间的定量关系,与基于重塑土定量公式计算的压缩指数与固结屈服压力下重塑土含水率的定量关系相一致。对比结果表明：天然软黏土屈服后的压缩特性取决于屈服时的含水率,而与土结构性无关,解释了天然土压缩曲线位于重塑土上方是由于对应屈服点含水率不同而引起的。     

钱塘江冲海积粉土剪胀性三轴试验研究

钱塘江两岸广泛分布着冲海积粉土.通过大量的三轴固结不排水CU和固结排水CD试验,探讨饱和粉土的应力应变性状和剪胀特性。试验表明,钱塘江冲海积粉土显著的特性之一是在剪切中膨胀,剪胀主要与粉土的密度和围压有关。CU试验中密(e=0.739～0.866)的原状样在围压600kPa范围内剪切膨胀,稍密(e=0.890～0.906)的击实样在围压低于400kPa剪切膨胀。由于粉土膨胀的本质不排水强度在剪切中保持增加,对于这种情况就没有惟一的"不排水强度";CD试验稍密(e=0.889～0.945)的击实样在围压低于400kPa时剪切膨胀。钱塘江冲海积粉土的剪切破坏要经历一个大的变形过程,固结排水剪切过程的应力应变性状可分为4个阶段。取应变继续而没有进一步体积变化的临界状态做破坏标准,确定粉土排水剪切强度指标较合理。     

结构性软黏土时效特性的一维弹黏塑性模拟

为了研究土体结构破坏对软黏土一维变形的时效特性的影响,在Bjerrum的等时间线体系基础上,提出了等黏塑性应变率线等黏塑性应变率线概念,建立了非结构性软黏土的一维弹黏塑性模型;为了描述土体结构渐进破坏特征,定义了结构性参数--结构应变,在非结构性模型的基础上推导了结构性软黏土一维弹黏塑性模型;讨论了通过试验法直接确定模型参数的方法,并利用新建模型对温州天然软黏土的一维常规压缩试验、天然Ariake 黏土的分级快速固结试验、结构性Berthierville黏土的一维等应变率压缩试验及长期蠕变试验进行模拟。模拟与试验结果的对比表明,该模型能较好地描述结构性软黏土一维压缩变形的时效特征。     

天然沉积粉质黏土的应力路径试验研究

天然沉积土在沉积过程中产生了结构性和各向异性,使其受力变形特性与重塑土存在明显的差异。实际工程中的天然土体往往在受荷过程中会经历不同的应力路径,因此,需要开展考虑结构性和各向异性影响的应力路径试验。通过研究不同应力路径下土体的力学特性,为建立复杂应力路径下的合理的本构模型提供试验依据。采用大直径PVC管取样器获取张家港地区地下2.5 m深的粉质黏土不扰动土样,通过GDS三轴仪对土样进行了K0固结不同排水应力路径试验。结果表明,应力路径对不扰动土样的体积变形和剪切变形均有显著影响,且球应力和偏应力对土的体应变和剪应变存在交叉影响。无论以体积变形为主还是剪切变形为主的应力路径下,应力-应变曲线都有明显的屈服性状。通过描绘试验所得各应力路径下的屈服点,获得张家港不扰动土样的屈服轨迹大致呈倾斜的椭圆形状,采用Wheeler模型的屈服面与试验屈服点的吻合程度要优于Nakano模型。     

Constitutive modeling of the destructuration and anisotropy of natural soft clay

The mechanical behavior of natural clays is affected by their inherent anisotropy and metastable soil structure. A simple hierarchical model that considers initial anisotropy and destructuration was formulated within the framework of critical state soil mechanics. In the proposed model, stress sensitivity and a destructuration index were introduced to account for the degree of bonding and the rate of destructuration, respectively. An inclined yield surface was used to incorporate the effect of the initial anisotropy. The proposed model can be degenerated to the Modified Cam Clay model by setting the initial stress sensitivity equal to unity and using a horizontal yield surface. Reasonable agreement between the model simulations and the experimental results on a variety of stress paths demonstrated that the proposed model can capture well the deformation behavior of natural clay and reconstituted soil. The model was implemented into the finite element program for the numerical analysis of an embankment on soft clay improved with prefabricated vertical drains. The numerical predictions were compared with the field-measured data in terms of embankment settlement. Additionally, the numerical simulations were analyzed in terms of horizontal displacements, excess pore water pressure, mean effective stress and volumetric strain. All of the simulations and comparisons indicate the importance of considering the effects of plastic anisotropy, interparticle bonding and destructuration caused by loading beyond yield stress and field disturbance in analyzing the behavior of an embankment on natural soft clay.     

结构性土UH模型

在描述重塑土的统一硬化模型（UH模型）基础上,以动态地移动正常固结线（MNCL）代替静态的正常固结线（NCL）作为参考线来确定参考应力,将土的结构性衰减体现在MNCL的演化中,从而把UH模型扩展为可考虑土结构性的结构性土UH模型。结构性土UH模型可以合理地并连续光滑地描述结构性土的等向压缩规律、应变硬化、应变软化、剪切体积收缩、剪切体积膨胀、不排水剪切减压软化以及结构性和密度耦合影响等力学特性。相比于UH模型,结构性土UH模型新增3个参数,分别用于描述结构性的程度、衰减速度、以及塑性流动规律。通过3种天然土的试验结果与模型预测对比验证了结构性土UH 模型的合理性。     

吹填超软土固结特性试验分析

为探讨吹填超软土的固结特性以及含水率与加荷比对次固结系数的影响规律,利用改装后的低压固结仪和常规的高压固结仪进行了分级加载固结试验。试验结果表明,正常沉积重塑土的固结系数随着固结压力的变化整体上呈现出逐渐增加的趋势,而超软土则表现为S型,即在低应力水平作用下,超软土的固结系数呈现下凹型增长; 之后随着固结压力的增加,固结系数近线性增长,但增量比逐渐减小。与正常沉积重塑土不同,超软土的次固结系数随着固结荷载的变化存在峰值; 加荷比对超软土次固结系数影响较大,较小的荷载增量可降低次固结系数; 超软土及正常沉积重塑土的次固结系数均表现为随含水率的增加而增加。