部分排水条件下饱和黏性土渐近状态本构模型研究

为研究排水边界条件对饱和软黏土强度特性的影响,利用GDS-DYNTTS动三轴仪开展了饱和软黏土的不排水试验和自由排水试验。采用控制体应变与轴向应变增量比ξ的方法进行了部分排水条件下饱和软黏土的强度特性试验,从孔隙水压力、p-q平面的有效应力路径和渐近状态特性等方面研究了排水边界条件对饱和软黏土力学特性的影响。基于渐近状态特性和剪胀特性,将应变增量比ξ引入应力路径本构模型,建立了饱和黏性土渐近状态本构方程。通过与孔压、有效应力路径实验结果的对比验证了模型的合理性。试验结果表明饱和黏性土的应变增量比ξ应小于0.3;排水条件影响正常固结黏土剪胀性的发挥程度、有效应力路径以及土的抗剪强度大小。随着应变增量比ξ的增大,饱和黏性土的孔隙水压和有效应力比减小而强度增大。试验后期,饱和黏性土试样长期处于临界状态,改变排水条件可抑制或加速土体的破坏。     

部分排水条件下饱和黏性土渐近状态本构模型研究

为研究排水边界条件对饱和软黏土强度特性的影响,利用GDS-DYNTTS动三轴仪开展了饱和软黏土的不排水试验和自由排水试验。采用控制体应变与轴向应变增量比ξ的方法进行了部分排水条件下饱和软黏土的强度特性试验,从孔隙水压力、p-q平面的有效应力路径和渐近状态特性等方面研究了排水边界条件对饱和软黏土力学特性的影响。基于渐近状态特性和剪胀特性,将应变增量比ξ引入应力路径本构模型,建立了饱和黏性土渐近状态本构方程。通过与孔压、有效应力路径实验结果的对比验证了模型的合理性。试验结果表明饱和黏性土的应变增量比ξ应小于0.3;排水条件影响正常固结黏土剪胀性的发挥程度、有效应力路径以及土的抗剪强度大小。随着应变增量比ξ的增大,饱和黏性土的孔隙水压和有效应力比减小而强度增大。试验后期,饱和黏性土试样长期处于临界状态,改变排水条件可抑制或加速土体的破坏。     

膨胀土临界状态强度特性及其模型拟合

针对蒙自地区膨胀土,进行了饱和重塑条件下的固结排水(CD)与固结不排水(CU)试验,系统研究了饱和土在不同固结围压3、初始干密度d、初始含水量0、剪切速率、排水条件下的应力应变特性。通过对临界状态试验结果的归一化处理,揭示了不同试验方法对同一土样抗剪强度量测差异的内在统一性,得到了重塑饱和膨胀土在固结排水与不排水条件下p'-q-空间内的破坏线。利用双曲线模型较好地拟合了弱硬化型应力应变曲线,用指数曲线模型拟合了弱软化型应力应变曲线,为模拟边坡在降雨条件下的抗剪强度变化及构筑物土体处于正常水位时的强度状态等工况提供了技术参数与理论支持。     

不同温度应力路径下饱和黏土剪切特性

在精准温控动三轴试验系统上开展了不同温度及不同升温路径饱和黏土剪切试验研究,探讨了不同温度对饱和软黏土不排水剪切特性的影响,分析不同升温固结方式对饱和软黏土孔压发展、体变、强度以及模量的影响规律。试验结果显示：在4～76 ℃试验研究范围内,环境温度升高导致饱和软黏土的不排水剪切强度有所减少,但温度升高对土体模量增加影响明显,温度T和模量ET关系可用ET = 2.69T 0.3表达;升温变化时正常固结黏土产生超孔隙水压力并随着温度增大而增大,升温热固结后土的剪切强度将明显提高,且排水状态下升温固结对土剪切强度增长小于升温完成后再固结情况;土体从26 ℃分别升高20、40 ℃时,升温引起的超孔压比分别为0.41、0.61,剪切峰值强度分别增加8.23%、22.37%。研究表明：升温幅值增大会使土体热固结程度越大,升温分级越多,热固结也越充分,其对应的体变、强度增长率则越大;同时最终温度及热固结路径对其剪切相转换特征存在影响,升温越高、热固结路径越多其剪胀性越明显,但温度变化范围、固结分级、热固结路径总体上对孔隙水压力的发展基本不产生影响。     

超固结软黏土的静止土压力系数与不排水抗剪强度

通过应力路径三轴试验对不同超固结比下饱和软黏土的K_0系数及K_0超固结软土的抗剪强度进行了研究,提出了超固结软土的K_0系数计算公式,基于各向异性屈服准则推导了K_0超固结软黏土的不排水抗剪强度,并与试验结果对比证明了计算公式的有效性。分析表明,常用的Mayne-Kulhawy K_0系数计算公式过高地估算较大超固结比OCR时的K_0系数,同时所提出的K_0超固结软黏土不排水抗剪强度公式通过考虑土体K_0系数随OCR的变化,避免了假设以有效上覆压力表示的回弹线斜率为常数所存在的问题。通过与试验结果对比表明,该公式能较好地预测K_0超固结土体的不排水抗剪强度。     

饱和黏土不排水剪切特性及双曲线模型

采用真空抽吸制样技术制备的饱和重塑黏土,在0.015?3.75 %/min应变速率范围内进行了多组不固结不排水（UU）剪切试验。通过对试验结果的分析,着重探讨了应变速率和约束压力对应力-应变关系及其强度特性的影响。试验结果表明,黏土的应力-应变关系与强度特性基本上不依赖于约束压力,而受应变速率的影响较为显著,强度随应变速率的增加而增长,增长幅度可达70 %,通过对数据的归一化,采用线性拟和建立了不排水强度与应变速率之间的经验关系。进而考虑应变速率对不固结不排水应力-应变关系的影响,对双曲线非线性本构模型进行了研究,详细介绍了模型参数的确定方法,并分别采用静力三轴和扭剪试验结果对模型进行了验证。     

不同应力路径下饱和黏土耦合循环剪切特性

地基土单元体在波浪荷载的作用下将发生主应力轴连续旋转,这对土的强度和变形特性会产生显著的影响。针对饱和黏土,利用土工静力－动力液压三轴－扭转多功能扭剪仪进行了均等固结下的耦合循环剪切试验,着重研究了不同循环应力路径对应力-应变关系和强度特性的影响。试验结果表明,耦合循环荷载下黏土扭转剪切分量和正向偏差分量的应力-应变关系曲线与应力路径有关,且随着振动次数的增加逐渐疏松,割线模量 和 不断衰减,这与不固结不排水条件下的应力-应变关系曲线的变化规律明显不同;扭转剪切分量大的椭圆应力路径的动强度略小于正向偏差分量大的动强度。饱和黏土在不同应力路径下的力学特性的试验研究可以为建立复杂应力路径下的本构模型提供试验依据。     

饱和软黏土动力学特性循环扭剪试验研究

以饱和软黏土的循环扭剪试验研究为基础,阐明不固结不排水条件下饱和软黏土的动力学特性。在循环扭剪和循环三轴两种不同试验应力状态下,通过研究不同围压和不同静、动应力组合下饱和软黏土的应力等效破坏关系和应变等效破坏关系,提出在循环荷载作用下饱和软黏土的循环破坏同样遵循Mises屈服准则,且在Mises屈服准则下,饱和软黏土的循环强度趋于不变量。循环破坏的过程可以等效为一种拟静力弹塑性循环蠕变,建立了饱和软黏土循环累积变形随静荷载、循环荷载以及循环破坏振次之间的关系式。上述结论分别从应力和变形两个方面阐述饱和软黏土的动力学特性,与试验应力状态和围压无关,可以推广到一般应力状态下。     

应力路径对黄土固结不排水剪强度的影响

用总应力法研究了应力路径对陇西Q3原状黄土的固结不排水剪强度的影响。试验基于正交设计,考虑了含水率、固结比、固结末径向应力和剪切路径4个因子、4种水平。试验结果表明,当黄土各向异性程度较小时应力路径对黄土的固结不排水抗剪强度有一定影响;基于正交设计的黄土三轴固结不排水剪试验的破坏点与普通三轴固结不排水剪试验（均压固结常规剪切）得到的破坏点处于一个条带内。黄土强度随含水率的变化规律与普通三轴固结不排水剪试验的相同。     

基于孔穴扩张理论的黏土不排水抗剪强度计算方法对比研究

为了利用旁压试验准确获取不排水黏土抗剪强度,对比研究了3种基于孔穴扩张理论的不排水黏土抗剪强度评价方法。其中,Gibson和Anderson提出的直接传统法忽略了土体超固结比和旁压探头实际长度的影响;Cao提出的基于修正剑桥模型的解析法考虑了土体超固结比的影响;基于修正剑桥模型的有限元法同时考虑了土体超固结比和旁压探头实际长度的影响。在两个试验场地的轻度超固结黏土和超固结黏土中开展了一系列旁压试验,采用上述三种方法对比研究了土体超固结比和旁压探头长度的有无限性对不排水抗剪强度的影响,结果表明:单独考虑超固结比的影响时,由直接传统法估算的黏土不排水抗剪强度较解析法小,且二者的差值随着超固结比的增大而增大;单独考虑旁压探头长度有无限性的影响时,由解析法得到的黏土不排水抗剪强度较有限元法高,且旁压探头的无限长度效应随着超固结比的增大急剧减弱。当以特定长度的旁压探头在黏土中进行旁压试验时,存在一个超固结比临界值。低于这个临界值时,旁压探头的无限长度效应对不排水强度的影响大于超固结比;高于这个临界值时,旁压探头的无限长度效应与超固结比的影响相互抵消。对于例1中的粉质黏土,超固结比临界值约为23;对于例2中的粉质黏土,超固结比临界值为34。在实际工程中,有限元法能够同时考虑旁压探头实际长度和超固结比对黏土抗剪强度的影响,为最佳方法。当黏土处于重度超固结状态(超固结比大于临界固结比)时,直接传统法和有限元法计算结果相近,可利用直接传统法计算黏土抗剪强度。     

考虑应力历史的饱和土抗剪强度测试方法探讨

通过直剪试验和三轴试验,研究了超固结状态和正常固结状态土强度指标的差异性。抗剪强度指标在大于和小于前期固结压力的压力段明显不同,试验资料整理时应分别确定抗剪强度指标。剪切前,试样在其自重固结压力（重塑土为预固结压力）下作预处理,比较了在垂直压力或围压小于前期固结压力和大于前期固结压力两个压力段的强度指标,前者不固结不排水剪黏聚力c小于后者,内摩擦角φ大于后者;固结不排水剪黏聚力c大于后者,内摩擦角φ小于后者。重塑土强度试验模拟的应力历史很难真实反映实际工况土体的强度特性,室内试验应尽量使用原状土进行抗剪强度测试。室内试验确定土的抗剪强度指标时,应先确定地基土的前期固结压力、K0状态参数,按工程实际应力状态确定。     

Stress-strain behaviour of reconstituted illitic clay at different temperatures

Tests on specimens of reconstituted illitic clay have examined the influence of temperature on the mechanical behaviour of clay soils. The program involved consolidation to effective confining pressures up to 1.5 MPa, heating to 100°C, and tests on normally consolidated and overconsolidated specimens with OCR = 2. The tests included isotropic consolidation, undrained triaxial compression with pore water pressure measurement, drained tests along controlled stress paths to investigate yielding behaviour, and undrained tests which involved heating and measurement of the resulting induced pore water pressures. The large strain strength envelope is independent of temperature. However, peak undrained strengths increase with temperature because smaller pore water pressures are generated during shearing. An important contribution from the study is a series of results for the yielding of illitic clay at three different temperatures. For the first time, there is clear evidence of yield loci decreasing in size with increasing temperature. An associated flow rule can be assumed without serious error. The results contribute to the confirmation of a thermal elastic-plastic soil model developed by the authors from cam clay following the addition of a small number of extra assumptions. Depending on the initial stress state, heating under undrained conditions may produce shear failure.     

含气软黏土的不排水抗剪强度计算模型

含气软黏土广泛分布在世界五大洲,大量离散气泡的存在对软黏土的不排水抗剪强度具有强化或损伤作用,然而目前仍缺乏能综合考虑气相强化与气相损伤竞争机制的含气土不排水剪切强度解析表达式。结合临界状态土力学理论,基于笔者提出的含气土屈服函数,建立了v-lnp¢ 空间下临界状态线截距与土体含气特性(u_{w 0},y₀)的数学关系,进而推导了含气软黏土在三轴应力状态下不排水抗剪强度s_u的理论显式表达式。同时,采用所提出的含气软黏土不排水抗剪强度理论计算公式,分别对比了3种典型的含气软黏土在不同含气特性下的不排水抗剪强度理论预测与试验结果,包括马来西亚高岭土、Combwich 黏土和高岭黏土。另外,对比分析了4种不同的含气软黏土不排水抗剪强度理论计算模型的预测误差百分比,证明了提出的基于改进的含气软黏土本构模型的不排水抗剪强度理论计算式的合理性,能够更加准确地同时考虑含气软黏土的气相强化与气相损伤双重效应。     

原状和重塑海洋粘土经历动载后的静强度衰减

根据海洋粉质粘土原状和重塑土样的动三轴试验结果, 比较和分析了两种土样应力、应变、孔隙水压力和不排水抗剪强度行为, 得到了土样的静不排水抗剪强度衰减与波浪荷载作用下土样产生的动应变以及平均累积孔压之间的关系。 并将波浪荷载作用使土样内孔压升高, 有效应力降低, 形成拟超固结现象的理论, 应用到土样不排水抗剪强度衰减与平均累积孔压之间关系的分析;同时与重塑土样的超固结静态剪切试验结果进行比较, 得到了土样在波浪荷载作用后的归一化不排水抗剪强度与拟超固结比之间的关系式。 建议以少量原状土样, 配合大量重塑土样的动三轴试验结果, 实现对实际海洋粘土地基在波浪荷载作用后的静不排水抗剪强度衰化规律的评估。     

饱和悬浮塑料砂流动变形可视环剪试验研究

为了分析剪切条件下零有效应力状态砂土的流动变形规律,对传统环剪仪进行了试样可视化改造,研制了透明环形剪切盒,通过对剪切盒膨胀性能分析及与标准砂的剪切试验对比,验证了环剪装置改造的合理性。通过分析不排水条件下饱和悬浮塑料砂的剪应力-应变曲线,发现其剪切强度具有应变软化的特性。通过分析环剪仪中饱和悬浮塑料砂试样的有效应力,证实了可视环剪试验中的土体基本处于零有效应力状态。开展了饱和悬浮塑料砂的流动变形可视环剪试验研究,结果表明：饱和悬浮塑料砂在固结不排水条件下剪切变形不连续,直接在剪切面发生断裂;在不固结不排水的条件下饱和悬浮塑料砂的剪切变形表现出流动形态,且与剪切速率有关：在低剪切速率下,剪切变形仅在剪切面处形成具有曲线轨迹的流动变形而在其他区域不发生变形;而在高剪切速率下剪切变形为整体的倾斜变形,符合黏性流体的流动变形特征。     

用快剪试验推求先期固结压力

土体先期固结压力是判断土体应力历史的关键性指标。依据Wroth在一维固结条件下提出的不排水强度与超固结比（OCR）的关系式,利用快速直剪的剪切强度计算临界状态孔隙水压力系数Λ₀,从而计算出OCR以及先期固结压力。对南京某黏土的重塑饱和黏土的试验分析结果表明,快剪试验确定的超固结比与设计超固结比基本一致,因此可作为求解土体先期固结压力的一个途径。      

不同排水条件下地基土的抗剪强度

依照地基土的实际受力和排水条件,建立了抗剪强度的一般表达式;随后讨论了不排水、部分固结后不排水和剪切过程中部分排水时抗剪强度的计算公式和用常规方法计算与测定时的偏差。     

天津市区第一海相层粉质黏土卸荷路径下强度特性的试验研究

土的强度特性与土体中应力变化过程、固结状态有关,常规的三轴试验并不能真实地反映土体经历的应力路径对其强度特性的影响。采用自制的应力-应变联合控制式三轴试验仪,对天津市区地层中第一海相层的粉质黏土原状饱和试样进行一系列特殊三轴试验,研究了排水卸荷条件对其强度特性的影响。试验结果表明：经历排水卸荷路径的土体的加荷剪切总应力强度指标大于常规试验结果,也大于前人在不排水卸荷路径下的试验结果,但几种应力路径下土体的有效应力强度指标基本相等。研究成果对天津市区基坑开挖及支护结构设计计算、软土隧道施工研究及其他相关岩土工程问题的研究均有较大的实用价值。     

Undrained lower bound solutions for end bearing capacity of shallow circular piles in non-homogeneous and anisotropic clays

The undrained bearing capacity of shallow circular piles in non-homogeneous and anisotropic clay is investigated by the lower bound (LB) finite element limit analysis (FELA) under two-dimensional (2D) axisymmetric condition using second-order cone programming, and the new solution of the problem is presented. Modified from the isotropic von Mises yield criterion, a cross-anisotropic undrained strength criterion of clays under the axisymmetric state of stress requiring three input shear strengths in triaxial compression, direct simple shear, and triaxial extension is employed in the 2D axisymmetric LB FELA. Parametric studies on the effects of pile embedment ratio, dimensionless strength gradient, anisotropic strength ratio, and pile roughness are investigated extensively, while the predicted failure mechanisms associated with these parameters are discussed and compared. Numerical results of undrained end bearing capacity of shallow circular piles are summarized in the form of design tables that are useful for design practice and represent a new contribution to the field of pile capacity considering the combined effects of undrained strength non-homogeneity and anisotropy.