滑坡冲击作用下的阶地砂质粉土层液化机理

为探究阶地饱和砂质粉土在黄土滑坡冲击荷载作用下的力学机理,选取泾阳南塬典型黄土滑坡LD37为研究对象。通过基本性质测试获取了阶地砂质粉土的物理、水理、颗粒级配和矿物组分等指标。采用自制冲击设备进行了3种饱和度条件下的冲击试验,并对水分迁移和剪切强度变化等问题进行了分析,在此基础上探讨了冲击液化机理。结果表明:冲击荷载会使砂质粉土内部的总应力与孔隙水压力剧增,在应力波的作用下,出现多个峰值,且孔隙水压力在1 s内难以完全消散;80%与90%饱和度的砂质粉土受冲击会在深度方向上形成不同程度的液化,而70%饱和度的砂质粉土受冲击后沿深度方向并未发生液化;砂质粉土发生冲击液化时下部水分会向上部迁移,导致其上部土层含水率骤增,剪切强度骤减;冲击液化过程可划分为初始阶段、冲击挤压阶段和冲击回弹阶段。砂质粉土的冲击液化机理是一种由于快速冲压土体的不排水行为,导致其颗粒原始骨架结构破坏重组,从而引起其内部孔压快速积累的一种液化行为。     

不同应力路径条件下原状Q_3黄土的强度特性及破坏方式试验研究

利用西安理工大学真三轴仪对不同含水率、围压条件下的原状Q_3黄土进行了轴对称三轴试验和平面应变试验,研究了原状Q_3黄土在两种应力路径条件下的强度演化特性,对比分析了两种试验条件下的强度差异及破坏方式。结果表明,低固结围压条件下低含水率原状黄土容易产生脆性破坏,其应力–应变曲线为软化型,固结围压增大后其应力–应变曲线呈硬化型;围压对原状黄土的强度起增强作用,含水率对原状黄土的强度起削弱作用,原状黄土的破坏应力与含水率、围压和球应力状态密切相关;随着含水率的增大,黏聚力衰减明显,内摩擦角略有减小,相同条件、平面应变条件下的强度要比轴对称三轴条件下的强度大1.1~1.4倍;轴对称三轴条件下土样呈单一剪切带的侧胀剪切破坏,平面应变条件下呈剪缩侧胀破坏。     

饱和粉砂不稳定性的试验研究

通过对净砂和级配良好粉砂(含10 %粉土)进行一系列三轴固结不排水试验（CU）,研究了粉土、孔隙比和围压对饱和粉砂不稳定性的影响。试验结果表明,净砂与粉砂在不排水剪切条件下均会出现应变软化现象（即不稳定性）。同一围压下脆性指数(IB)随孔隙比增加,但不稳定线的应力比随孔隙比增加而减小。引用等效粒间孔隙比(ege)后,净砂和粉砂在ege-ln p?平面上拥有基本相同的临界状态线。在临界状态理论及等效粒间孔隙比的基础上,提出在同一修正状态参数(?ge)下净砂和级配良好粉砂有相似的不稳定性。     

饱和粉土静态液化性能试验研究

通过固结不排水三轴压缩试验,分析了围压、固结比和干密度等因素对饱和粉土静态液化特性的影响。试验结果表明,在干密度较小时,饱和粉土的偏应力-应变曲线呈现明显的硬变软化型,随轴向应变增大超静孔隙水压力增加、有效应力减小而发生静态液化,当干密度达到1.58 g· cm-3时,饱和粉土的偏应力-应变曲线表现出硬变硬化现象,超静孔隙水压力为负值或接近0,饱和粉土不再发生静态液化,即饱和粉土存在静态液化的干密度临界值;其他条件不变,随着围压、固结比或干密度的增大,偏应力峰值和残余强度均增大,静态液化势降低;根据有效应力路径建立了流滑面以作为饱和粉土稳定区与非稳定区的分界面。     

原状黄土遇水及饱和后软化特征研究

黄土由于特殊的结构性导致其水敏性,以往相关研究多采用室内试验的方法。文章以动三轴弯曲元试验系统对原状黄土和饱和黄土在各级围压下的剪切波速与轴向变形进行了测试,并对兰州市西固区某饱和黄土场地进行了现场钻孔及原位试验。室内及现场试验结果表明,黄土遇水模量软化,饱和黄土更具有触变性。进一步对比饱和粉土与砂土的剪切波速与标贯击数统计关系,发现饱和粉土由于触变性导致标贯击数较小,而剪切波速为小应变无损测试,最终表现为剪切波速相同的饱和粉土与砂土,粉土标贯击数显著小于砂土。     

石碑塬滑坡黄土液化特征及其影响因素研究

石碑塬滑坡是1920年海原地震触发的大型黄土流滑,认识其破坏特征与发生机制对于黄土边坡长距离液化失稳机制的研究非常重要。对石碑塬黄土滑坡的调查和研究表明,饱和黄土或高含水率黄土具有很高的液化势和流态破坏势,在强震作用下,饱和黄土易发生液化或流滑。对石碑塬滑坡的7组原状黄土样品进行振动三轴剪切试验,并结合其微观特征分析,探讨了循环振动荷载作用下的饱和黄土孔隙水压力-应变增长模型,分析了振动液化过程中液化应力比与黄土粒度组成、土体微观结构参数及饱和度之间的关系。结果表明：黏粒含量越低,振动作用下饱和黄土孔隙水压力响应越快,液化应力比越低;黄土孔隙比越大,孔隙结构分形维数越大,液化应力比越低,振动液化后黄土孔隙分形维数降低,结构较液化之前更为致密;饱和度对黄土粒间胶结物质的赋存状态及黄土结构强度影响很大,同一土体饱和度越高,溶滤于孔隙水中的离子浓度越高,土体粒间接触点（或胶结点）越容易发生断裂,使得黄土结构强度降低,液化应力比降低。     

黄土路堑边坡变形破坏机理的三轴试验研究

通过原状黄土的减压三轴压缩试验,研究了黄土边坡不同深度不同含水量土体的应力-应变关系,并与原状黄土的常规三轴试验结果进行了比较,发现减压三轴试验能合理地模拟和解释开挖卸荷作用下黄土边坡土体的变形与破坏过程。试验结果表明:坡脚开挖卸荷时,黄土边坡中浅层非饱和黄土易出现应变软化或塑性流动,强度较低,易产生较大变形,而深层饱和黄土仅在高围压下发生应变硬化,强度增加,在中低围压时均发生应变软化现象。分析认为黄土边坡特殊的工程地质条件,使得黄土边坡的特定部位在开挖卸荷作用下常形成了不利于土体稳定的含水量和围压组合,导致坡体特定部位的土体变形破坏,进而诱发边坡的变形破坏;开挖卸荷作用下黄土边坡变形破坏的力学机制应为蠕滑-压致拉裂或牵引式滑坡。     

重塑饱和黄土长期渗流劣化机制及其渗透性分析

为研究重塑饱和黄土在长期渗流条件下的劣化机制,以杨凌Q3黄土为研究对象,用pH=4的稀乙酸溶液作为渗透液加速劣化,通过长时间的常规渗透试验和不同围压下的三轴渗透试验,测量了渗透系数随时间的变化过程,分析了渗透系数随时间的变化规律,探讨了重塑饱和黄土在长期渗流条件下的劣化机制。结果表明：渗透系数随着渗透时间持续减小,与时间符合幂函数关系;渗透系数是反映黄土劣化最敏感的参数;最小孔隙比面的孔隙比决定了渗透系数的大小;最小孔隙比面的孔隙比与初始孔隙比的比值可以用来描述黄土长期渗流的劣化程度,其比值定义为黄土长期渗流劣化率;结合黄土的非线性渗透模型提出了在一定围压下三轴渗透试验渗透系数与黄土长期渗流劣化率的关系式,进而推导出黄土长期渗流劣化率随时间的变化关系式。     

钙质砂声发射特征的三轴试验研究

钙质砂在低应力水平下就会产生颗粒破碎,并伴随有明显的声发射。在不同围压下,对不同初始孔隙比和级配的南沙群岛永暑礁钙质砂进行室内三轴排水剪切试验,同时监测其声发射信号。试验发现：当围压增加或初始孔隙比减小时,钙质砂偏应力峰值逐渐增加,但在某一界限围压时,声发射活动出现最强,在某一界限孔隙比附近时,声发射活动出现最弱;对于级配较差的钙质砂,试验前期声发射活动较弱,其偏应力峰值较小。     

饱和兰州黄土液化过程中孔压和应变发展的试验研究

采用WF12440型空心圆柱扭剪仪,用反压饱和法对初始饱和度较低的原状黄土进行饱和,进行室内原状黄土饱和液化试验研究,探讨了饱和兰州黄土液化过程中孔隙水压力、轴向应变、应力-应变滞回圈的发展规律。结果表明,对初始饱和度较低的原状黄土,反压饱和法使孔压系数B值达到0.95以上,即土样完全饱和;兰州黄土在均压固结条件下液化的孔压发展,开始时上升速率较缓慢,循环数一定后会出现孔压迅速增高的现象直至达到有效围压;应力-应变滞回特性随着振动次数的增加发生变化,塑性逐步增大;当轴向应变小于2%时,孔压增长缓慢;此后,孔压上升速率加大,3%应变可以出现在初始液化前;接近液化时偏应力为负值时的有效应力大于正值时的有效应力。     

饱和土体静态液化失稳理论预测

通过在屈服准则和剪胀性方程中引入材料状态参数,建立了一个与材料状态相关的本构模型,用于模拟不同初始孔隙比和围压下土体的应力-应变关系。基于二阶功理论,建立了饱和土体静态液化失稳理论判别准则。通过预测一系列饱和松砂三轴不排水试验结果,验证了所建立的本构模型及判别预测准则的合理性。分析结果表明,静态液化发生于土体硬化阶段,静态液化触发伴随着剪应力达到峰值,其后剪应力降低且孔隙水压力持续增长。进一步地,模拟了充分降解的城市固体废弃物在不排水条件下的应力-应变特性,并预测到了潜在失稳线及静态液化触发点。     

颗粒-流体耦合算法与饱和土不排水剪切特性研究

在颗粒流方法 PFC~(3D)的基础上发展了颗粒-流体耦合模型。在耦合模型中引入了孔隙度,其可考虑孔隙结构的可变性,并开发了可以考虑孔隙水压力和孔隙结构变化的颗粒-流体耦合计算程序。在此基础上模拟了饱和土的不排水剪切试验,与北京黏质粉土的试验数据及常体积模拟方法进行了对比。结果表明:采用颗粒-流体耦合方法计算得到的结果和常体积法计算结果与北京黏质粉土的试验结果相比均是一致的,验证了耦合算法的可靠性;分析比较了相同计算条件下耦合方法和常体积法计算得到的偏应力及径向应变曲线,研究了不同围压下试样的不排水剪切特性。颗粒-流体耦合计算结果表明:饱和土不排水剪切过程随着围压升高,孔隙水压力和偏应力均升高,而应力比曲线变得平滑,应力比有所降低。     

基于耗散能量的饱和黄土动孔压模型

通过一系列不排水动三轴试验探究了饱和黄土振动液化过程中孔隙水压力和累积耗散能量的演化模式,并讨论了围压、动应力幅值和固结应力比对其演化过程的影响。结果表明：饱和黄土的孔隙水压力和耗散能量随着循环荷载作用逐渐累积。固结围压抑制孔隙水压力增长而消耗更多能量;更大的动应力幅值使得孔隙水压力增长更快而消耗能量更少;等压固结下,孔隙水压力增长至围压从而触发初始液化,而偏压固结下,通常先达到振动液化应变标准而孔隙水压力并没有增长至围压水平,并且固结应力比越大,液化时孔隙水压力越小,消耗能量也更少。归一化孔隙水压力u/σ₀’与累积耗散能量W/W_f之间关系受围压、循环应力比和固结应力比影响较小,可统一用双曲线模型表示。     

冻结粉质黏土三轴抗压强度和变形特性试验研究

通过对-6℃冻结粉质黏土在1～9 MPa的围压范围内进行一系列的三轴压缩试验,分析了冻土的变形和强度特性.结果表明：不同围压下,冻结粉质黏土的应力-应变曲线形态基本相似,而软化程度及初始阶段的硬化速率则有所不同.根据摩尔-库仑准则,得到广义黏聚力和广义内摩擦角随围压的变化规律,同时基于包络线理论建立非线性强度准则,以描述冻结粉质黏土强度随围压先增大后减小的变化规律.     

陕西泾阳南塬滑坡干湿黄土快速大剪切力学特性

借助于先进的多功能大型高速高压环剪试验机,针对陕西泾阳南塬滑坡中的饱和黄土、干燥黄土在快速大剪切位移条件下的力学响应特性进行了环剪试验研究。研究结果表明:1)在相同试验条件下,与干燥状态黄土相比,泾阳南塬黄土在饱和条件下抗剪强度指标降低。2)在连续快速剪切条件下,泾阳南塬滑坡饱和与干燥黄土均表现出应变软化特征,饱和黄土比干燥黄土的软化特征更加显著。3)在相同法向应力条件下,剪切速率对饱和和干燥黄土峰值强度均有显著影响,但两种状态下土体峰值强度随剪切速率变化特征不同。饱和黄土峰值强度随剪切速率的增大而增大,而干燥黄土峰值强度随剪切速率的增大而减小。4)在不同含水状态下,泾阳南塬滑坡黄土剪切力学特性变化规律具有不同的产生机理。其中,干燥黄土抗剪强度在连续剪切过程中主要受黏土颗粒间摩擦(阻)力、颗粒运移与定向排列以及剪切面形态的控制。与干燥黄土相比,饱和黄土峰值抗剪强度变化主要受土黏聚力的控制并受水的影响;土体内水的作用能够加剧其应变软化程度并可形成光滑平整的剪切面形态,进而对其峰后剪切应力变化产生影响。     

黑方台黄土斜坡变形破坏机理研究

黑方台常年农业灌溉引起地下水位上升,在透水性差的粉质黏土层顶部形成了厚度不断增大的饱和黄土软弱带,导致斜坡蠕动变形诱发了大量的黄土滑坡,滑坡体在地下水的浸润作用下转化为黄土泥流向前运动。为对黄土斜坡的变形破坏机理进行分析研究,进行了8个围压下的固结不排水试验。试验结果表明:饱和黄土应力应变模式表现为强烈的应变软化剪缩型,并具有一定的稳态特性。300 kPa围压以下,试样强度丧失,土体完全液化,其余围压下的试样产生部分液化,抵抗变形能力增加,土体应力状态可划分为完全液化区和部分液化区。斜坡的变形破坏特征因上覆黄土厚度不同而有所差异,通过插值计算,黄土层厚度大于临界黄土厚度（约20 m）时,斜坡产生突发性滑动变形破坏,反之斜坡产生缓慢变形的黄土泥流。研究结果证明了黑方台削方减载治理工程的科学性,并为滑坡的防治和治理提供了一定的理论依据。     

基于PFC3D的黄土三轴试验细观参数敏感性分析

从细观角度出发,研究各细观参数对黄土三轴试验宏观力学响应的影响,基于三维离散元PFC3D软件及理论,结合室内三轴试验结果确定数值模拟基本细观参数取值范围,在50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa围压下对三轴试样进行颗粒流模拟,通过改变各细观参数值对黄土数值试样宏观力学行为影响程度及正交试验设计的方式,开展黄土三轴数值模拟过程中摩擦系数、孔隙率、颗粒刚度比k_n/k_s、颗粒粒径分布的敏感性分析,建立土体细观参数与宏观力学的关系式。结果表明:不同围压下数值试样峰值强度和剩余强度均与摩擦系数正相关,与颗粒刚度比、孔隙率负相关,而颗粒粒径分布的变化对其影响均小于2%。低围压下(50 kPa),孔隙率对数值试样峰值抗剪强度和剩余强度影响最大,颗粒刚度比次之,高围压下(200 kPa),摩擦系数对数值试样强度的影响比颗粒刚度比更为显著;对数值试样的初始线弹性模量和应变软化特性影响最大的细观参数为孔隙率,刚度比次之,颗粒粒径分布最小,200 kPa围压下正交试验分析结果与数值分析结果一致。通过改变细观参数取值范围的方式系统地分析了其对黄土三轴试验宏观力学性能的影响,为今后离散元软件用于黄土室内试验研究提供了参考。     

初始固结应力对平面应变黄土剪切破坏特性影响

针对黄土工程中大量存在的平面应变问题,在均压固结条件下研究的较多,但与土实际的应力状态不符,利用平面应变改造后的真三轴仪,模拟土体的实际应力状态,通过原状黄土在不同初始固结应力比、含水率和围压条件下的竖向加载平面应变试验,揭示不同初始固结应力比、含水率和围压对原状黄土强度特性影响及破坏时中主应力变化规律。研究结果表明:偏压固结原状黄土的强度随着初始固结应力比的增大而增大,且明显大于均压固结;抗剪强度及破坏时p、q随着初始固结应力比的减小或含水率的增大而减小;土体原生结构损伤程度随着初始固结应力比的增大而增大使得黏聚力减小;当次生结构形成土颗粒间挤密使得内摩擦角增大;破坏时刻的中主应力随初始固结应力比增大而增大;破坏时刻的中主应力系数范围在0.15~0.45之间;平面应变条件下原状黄土破坏时的固结围压及含水率对中主应力系数的影响较明显。研究结果对进一步完善原状黄土的平面应变试验研究,进而解决平面应变条件下的黄土工程建设问题,提供试验依据和理论基础。     

结构性黄土的临界压力比及其边界面塑性本构模型预测

结构性黄土的临界状态与初始孔隙比有关,表现出临界状态线不唯一,需通过指标临界压力比反映,而修正剑桥模型及其改进模型预测的临界状态线唯一,这导致结构性黄土的临界状态及应力-应变关系难以被准确预测。针对这一问题,首先基于原状黄土三轴不排水剪切试验结果,根据临界压力比的公式,计算得到了不同初始孔隙比条件下指标临界压力比的值,发现原状黄土的临界压力比与初始孔隙比成反比例关系,阐明了其临界压力比的物理力学意义;进一步,在一个考虑临界压力比的边界面塑性本构模型框架下,引入结构性硬化参数以反映原状黄土在等向压缩路径下的结构劣化,通过临界压力比的不同取值来反映临界状态线不唯一,通过耦合塑性偏应变引起结构强度衰减与塑性体变引起结构劣化两个方面充分反映黄土的结构性劣化行为;最后,采用该模型预测了原状黄土三轴不排水剪切行为与等向压缩行为,临界状态、应变软化、应力路径及孔隙水压力预测效果良好。以上结果表明,结构性黄土的临界压力比物理意义明确,且取值方法可靠,本构模型若考虑临界压力比则能切实反映黄土实际的临界状态。上述研究结果对于黄土地区岩土工程问题的数值分析具有重要的理论与实际意义。     

Hydromechanical characteristics and microstructure of unsaturated loess under high suctionEI北大核心

联合压力板仪和蒸汽平衡法在全吸力范围内对原状与重塑黄土进行持水特性试验,使用非饱和三轴仪对高吸力下的原状与重塑黄土进行剪切试验,同时采用扫描电镜仪(scanning electron microscope,SEM)和压汞仪(mercury injection apparatus,MIP)进行微观试验,探讨了非饱和黄土结构性差异对其水力力学特性的影响。试验结果表明:随着吸力的增大,原状和重塑土的饱和度、含水率均减小,孔隙比稍有减小。由于原状及重塑黄土的初始孔隙比基本一致,因此两者压汞试验总进汞量接近。由扫描电镜和压汞试验得到的原状及重塑黄土的孔隙结构形态及优势孔径范围不一样,结构性有所差异,导致土-水特征曲线在不同吸力范围内呈现不一样的规律。原状和重塑土的应力-应变关系多呈软化现象,吸力为3.29 MPa的重塑土呈硬化现象。且随着吸力的增大,原状和重塑土的黏聚力和峰值强度均明显增加,体变由剪缩趋向剪胀现象。由于原状土具备一定结构性,胶结作用较强,其黏聚力的增幅会大于重塑土,峰值强度也高于重塑土,而两者的内摩擦角基本一致。