岩土工程勘察土工试验中的常见问题

用岩土力学理论对现行《土工试验方法标准》中的一些试验方法进行剖析,分析试样制备、土物理性质试验和力学性质试验理论的关键点和模糊认识。结合实践经验讨论土工试验中的常见问题,并提出解决方法和建议。     

冻融循环下膨胀土物理力学特性研究

处在季节性冻土区的膨胀土渠道极易受到冻融循环作用的影响,影响工程的稳定安全。为了探究冻融循环作用对膨胀土物理力学特性的影响,以南阳膨胀土为研究对象,开展了不同含水率条件下膨胀土试样的冻融循环试验,对经历不同冻融循环次数作用后的试样进行了变形测量、无侧限压缩试验和微细结构试验。结果表明,在冻融循环过程中含水率低的膨胀土体积变化规律表现为“冻缩融胀”,含水率高的膨胀土体积变化规律表现为“冻胀融缩”;冻融循环作用对膨胀土的应力应变曲线、强度和弹性模量有着显著的影响,尤其是第1次冻融循环作用;试样的含水率越高,膨胀土的力学参数受冻融循环作用的影响越大;试样的面孔隙度和孔隙定向度的变化规律与力学参数的大致呈负相关,说明冻融循环作用下土体内部微细结构的变化直接影响着膨胀土的力学性质。     

软土流变的物质基础及流变机制探索

采用改进的直剪蠕变仪,研究结合水对软土流变性质的影响。在相同试验条件下分别完成了含高岭土、膨润土不同重量百分比2组烘干试样和1组砂土的流变性质测试。测试结果与近期已取得的试验成果对比分析表明,结合水是产生土样流变性质的重要因素;烘干试样的黏滞系数均比与其矿物成分相同的湿土试样的黏滞系数大,砂土试样的黏滞系数比湿黏土的黏滞系数大,即烘干土样与砂土土样流变变形阻力相对湿黏土的大,流变现象相对不明显。在试验基础上,探索了控制软土流变特性的物质基础,提出了“流变物质”概念,“流变物质”与软土的流变性质互相对应,是软土产生流变的主要物质基础,并给出了与其力学性质相适应的流变机制的软土流变特性的物理描述。     

土工试验指标影响因素分析

土是地壳表层的岩石风化后产生的松散堆积物,不同地区的土具有不同的物理性质和力学性质。土工试验是指对岩和土的物理、力学、化学性质和矿物成分的测试,为工程勘察提供重要的参数,是岩土工程勘察中重要组成部分,其准确性直接影响工程的安全和质量。简述土工常规试验操作步骤,对土工常规试验数据影响因素进行总结,并对如何提高试验数据准确性提出意见和想法。     

压实花岗岩风化土物理力学性状试验研究

吕梁山脉东麓花岗岩风化土的工程类型与我国南方以及日本、韩国等地的花岗岩风化土有较大差别。为了对吕梁山压实花岗岩风化土的物理力学性状有较全面认识,通过常规土工试验、X射线衍射试验、大固结试验、大三轴试验等方法,对其击实特性、承载特性、变形特性、剪胀特性、强度特性等进行了分析。结果表明：黏土掺量对花岗岩风化土的击实特性和承载特性影响较大,存在两个不同的黏土掺量界限值（约8%和4%）,分别使得试样密实状态和承载能力处于最优;试样不存在膨胀潜势,无膨胀性,为低压缩性材料;压实花岗岩风化土颗粒破碎的特点导致试样二次加载→卸载压缩曲线存在两次明显塑性变形增大的现象;剪切时由于试样内部颗粒历经压密→错动→翻越→破碎的过程,导致不同围压下试样表现出不同的剪胀性;剪切过程中由于颗粒破碎的存在,使得试样表现出强度非线性特点。     

土工带加筋碎石土的抗剪强度特性研究

大型三轴固结排水剪切试验表明：土工带加筋后土体的破坏强度和破坏应变均得到提高。从加筋土和未加筋土的强度包线看出,加筋前后土体的强度曲线基本平行,摩擦角相等,粘聚力提高。通过分析加筋土的应力-应变关系试验曲线,研究土工带加筋素碎石土的抗剪强度特性,提出土工带加筋土的抗剪强度表达式。为进一步研究土工带素碎石土加筋机理提供试验基础。     

粗粒土组构之颗粒运动研究

土的结构性是决定土的力学特性的一个最根本的因素,正是由于土的结构性的存在,连续体力学理论用于岩土材料存在明显不足,沈珠江将土体结构性的研究提到“21世纪土力学的核心问题”的高度,但由于土的结构性的复杂性,缺乏测试方法,还没有找到土结构性的定量指标。选择结构特征相对简单的粗粒土作为研究对象,探索建立其力学体系的方法和途径。粗粒土的结构性（称之为组构）主要体现在颗粒的排列特征方面,采用CT测试技术和DDA数值分析方法初步解决了粗粒土组构的量化问题,对粗粒土多种受力过程进行了CT三轴试验和数值模拟,取得了粗粒土的组构信息及其变化,为构成合理的组构量、研究粗粒土组构量与宏观力学响应之间的相互关系、探讨粗粒土的变形机理和力学特征奠定了基础,并侧重介绍粗粒土CT三轴试验成果,展示三轴试验过程中颗粒运动规律。     

粘土的压密状态及其力学性质

本文首先较详细一讨论了一般粘土(“结构强度”的影响可以忽路)和有“结构强度”粘土的压密状态.区分先期固结压力和结构屈服压力不同的物理实质,澄清二者之间的差别并指出混淆这种差别可能引起对土的压密状态的分析和力学性质的估计的错误.其次,讨论了土的结构强度,压密状态和压密性质之间的关系.最后,讨论了土的结构强度、压密状态和抗剪强度的关系.揭示了孔隙水压力变化的规律.     

土与土工织物接触面力学特性的试验研究

在大型土与结构接触面循环加载剪切仪上添加了拉拔试验模块,进行了大尺寸的粗粒土与土工布接触面的单调和往返剪切试验以及土工布拉拔试验。剪切试验结果表明,粗粒土与土工布接触面出现了一定程度的应变软化,相对法向位移的变化受法向应力影响很大,并表现出异向性。土工布拉拔试验结果表明,由于土与土工织物接触面的剪胀造成该类接触面的抗剪强度与法向应力不再是线性关系;将接触面剪切试验和拉拔试验方法结合起来是研究土与土工织物接触面力学特性较为全面和合理的手段。     

海陆交互相下黏性土性状辨析及评价研究

长江口北翼（南通-启东段）沉积物从物性指标判别,物理性质较差,土质分类属于软土或软黏土,而从力学指标判别,力学性质较好,表现出物性与其对应的力学性质指标不完全吻合。分析了出现这种物性“偏软”、力性“偏硬”现象的原因。同时,提出了评价该类土工程特性的新指标,较好地解决了物性与力性不相符合的矛盾。     

现场软土欠固结程度孔压消散试验评价方法

原位测试技术分析软土的应力历史可以避免取样及室内土工试验对土样的扰动,其结果能真实地反映现场土体的工程特性。以往基于孔压静力触探（CPTU）测试技术的超固结比（OCR）计算方法主要是针对超固结土取得的,缺乏对现场处于欠固结状态土体的考虑,具有一定的局限性。在已有研究成果的基础上,提出采用不完全孔压消散曲线的末段及时间平方根倒数外推法计算原位初始孔压,如果初始孔压大于静水压力,表明原位土层中存在固有孔压,为欠固结土。在此基础上,通过计算固结状态参数,可进一步对软土层的欠固结程度进行定量评价。工程应用表明,该方法不受软土性质和地域限制,具有普遍适用性,是合理可行的。在缺乏室内固结试验成果的情况下,可高效快捷地判别软土层的固结状态。研究成果对合理评价欠固结软土的工程特性具有一定的指导意义。     

不同应力路径下某高速公路路基黏性土湿化变形试验研究

针对某高速公路黏性填土路基浸水湿化的情况,进行了大量室内试验研究。为了研究土在实际应力路径下的湿化变形规律,分别在常规三轴应力路径、常规三轴K0固结应力路径、K0固结+常规三轴压缩应力路径以及使用真三轴仪的平面应变下K0固结 + 平面应变剪切应力路径和平面应变等应力比路径下进行了黏性土的湿化试验。通过对试验数据的分析,得到了湿化附加轴向应变与湿化时应力水平的幂函数关系。通过总结研究不同应力路径下应力-应变曲线的规律,提出了不同应力路径下的应力-应变关系的公式。     

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。     

基于载荷试验的土体回弹再压缩变形规律及计算方法

载荷试验成果多用于判断土的变形特性和求得土的变形模量、极限荷载等数据。借助卸荷比、回弹比率、再加荷比、再压缩比率等参数对载荷试验成果中的卸荷及再压缩段的变形特征进行分析,发现其发展变化规律与由固结压缩试验得到的规律一致,载荷试验的特点又恰好弥补了固结压缩试验的一些不足,将其成果应用于回弹再压缩变形的计算中是一种有益的探索性研究。结合工程实例,在固结压缩试验数据处理方法的基础上进行合理改进,将载荷试验成果应用于基坑开挖回弹变形与再压缩沉降的计算,计算结果与原有方法的计算结果、工程实测数据对比分析,验证了该种方法的有效性。现有载荷试验数据也有着明显的不足之处,结合变形计算需要,对载荷试验的试验方法提出了改进性意见,为进一步的研究指出了方向。     

软土固结试验数值模拟

基于太沙基一维固结理论,采用有限差分法对室内固结试验进行了数值分析,编制了室内固结试验的C++数值程序和自动求解固结系数的Matlab拟合程序,该程序能够模拟不同尺寸（排水高度）软土试样的固结过程。讨论了试样尺寸、渗透系数和初始固结应力对模拟结果的影响。数值结果显示随着排水高度和渗透系数的增加,由时间平方根法和时间对数法求解的固结系数比不断减小,且排水高度较小时固结系数比变化较快。土体初始应力越小,主固结完成所需的时间越长。与日本广岛重塑土大尺寸试样固结试验结果进行了比较分析。研究结果表明所采用的数值方法能够较好地模拟软土的固结试验过程,可以进行一定条件下大尺寸软土试样的固结特性研究,研究成果对于揭示软土的固结变形发展有一定的理论价值和实际意义。     

冻土离心模型试验相似准则分析

在研究土壤冻融问题时,土工离心模型试验在时间效应和应力全等型模拟方面更具优势。然而,目前关于冻土离心模型试验的研究成果较少,其中的相似准则也不够完善。针对这一现状,在充分考虑土体的水-热-力耦合作用过程的基础上,采用Butterfield量纲分析法确定了控制饱和土冻融变形性状的无量纲项,建立了冻土离心模型试验中孔隙压力、热扩散、未冻水迁移、融土固结以及冻融变形的相似准则。分析结果表明,冻土离心模型试验中未冻水迁移、融土固结及热扩散效应的非稳态时间具有统一的比尺,即离心模型是原型的1/N2倍,而未冻水迁移流速的比尺为离心模型是原型的N倍。此外,利用冻土离心模拟装置完成了一则对渠道基土冻融作用的离心模拟。     

柔性侧限条件下软土的变形特性及固结模型

软黏土具有含水率高、压缩性强、泊松比大的物理特性。对于深厚软黏土地基而言,在竖向荷载的作用下很难保证侧向变形为0,适当考虑侧向变形的柔性约束条件可能更符合工程实际。因此,提出了柔性侧限条件下的竖向固结试验方法,对原状土样及重塑土样分别进行了不同侧向约束条件下的竖向固结对比试验,分析了侧限条件对软黏土沉降特征及变形参数的影响。试验成果表明,柔性侧限条件下土体的主固结变形量、次固结变形量均较K0侧限条件下的大,主固结完成时间较短,且等时曲线非线性化程度更高。基于试验成果及ε-lgp曲线,引入非达西渗流理论,对一维Terzaghi经典固结理论进行修正,建立了柔性侧限约束条件下的非线性控制方程,此计算模型参数通过柔性侧限固结试验获取,可计算一定侧向变形条件下土体的变形特性,通过对室内试验成果的模拟验证了模型的有效性。     

超载预压处理软土的次固结特征及沉降计算

为了研究超载预压软土的次固结特征,分析超载预压处理软土地基的工后沉降,文章考虑应力历史对软土结构性的影响,模拟现场工况,对重塑洞庭湖软土试样进行超载预压后再压缩的一维固结蠕变试验。研究结果表明:经过超载预压的软土卸荷后再进行加载,压缩变形过程中主固结时间明显缩短,约为未经超载预压处理软土主固结时间的1/3,打设排水竖井对软土主固结时间几乎没影响;预压荷载越大,次固结系数越小,超载预压有利于消除软土的次固结沉降;随着建（构）筑物荷载的增加,次固结系数增大;打设排水竖井,未经预压处理软土的次固结系数略有增加,经过超载预压处理软土的次固结系数略有减小,但影响效果不是很明显。考虑应力历史,引入超载增量比,发现次固结系数与超载增量比呈线性递减关系,建立了相应的计算模型,提出了次固结沉降计算公式。试验及分析结果对预压处理地基的设计和施工具有一定的指导意义。     

k0固结条件下淤泥土排水蠕变特性研究

利用室内试验研究土体蠕变特性时,因受试验条件限制较少开展土体的排水蠕变特性试验研究。对于先还原土体的先期固结条件,然后再开展土体的三轴排水蠕变特性试验的研究更少。为此,以淤泥土为研究对象,通过 固结三轴排水蠕变试验探讨了饱和淤泥土在轴向加载和侧向减载条件下的排水蠕变特性。由试验数据可知：排水条件下,两种应力路径的轴向蠕变规律基本一致,体积应变明显小于轴向应变,且随时间的延长呈现一定程度的剪缩与剪胀交替性。首次利用三单元力学模型推测出淤泥土的蠕变起始时间为施加偏应力荷载后的100～200 min之间。提出淤泥土蠕变系数的概念并总结其变化规律,得知淤泥土的蠕变系数与偏应力水平密切相关,即不论围压及加载方式如何,蠕变系数均随应力水平增大而增大,且基本呈直线关系,而与前期固结围压大小、蠕变荷载施加方式关系不大。最后提出了淤泥土蠕变本构模型建立的思路,即用南水双屈服面模型描述瞬时变形量和用蠕变经验公式描述蠕变变形量相结合的方式来建立蠕变本构模型。     

滑带土原位直剪试验条件的不确定性及基于BP网络的抗剪强度参数估计

滑带土原位直剪试点的物质构成、含水率、应力历史均具有随机性,预剪面边界约束、恢复初始固结状态的程度、剪切过程中的排水条件等因素则具有模糊性,这些不确定性因素导致试验成果离散、代表性受到局限。以原位直剪强度参数以及破坏面现场定性地质描述、含水率测试、颗粒分析结果训练BP网络,利用BP网络的高度容错性和强大的非线性映射能力,估计滑带土的抗剪强度参数,可在一定程度上可克服试验成果离散的影响。