加卸荷条件下饱和软黏土蠕变特性试验研究

为了研究上海软黏土的蠕变力学特性,开展了排水和不排水条件下上海软黏土的三轴蠕变力学试验,分析了不同围压水平、加卸荷水平对饱和软黏土蠕变特性的影响,得到了不同试验条件下上海软黏土蠕变的力学特性。试验结果表明:围压水平及加卸荷水平对软黏土蠕变变形有一定影响;土体蠕变变形特性与排水条件密切相关,排水条件下,固结效应削弱了土体蠕变现象;同等条件加载过程中不排水条件下土体变形量大,卸载后不排水条件下土体回弹较明显;不排水蠕变试验加载过程中,孔隙水压力随时间发展的变化规律与土体蠕变变形规律相似;排水蠕变试验加载过程中,固结变形和蠕变变形同时存在,排水量曲线在卸载后没有出现明显下降。     

黏性土固结不排水剪切的滑动损伤模型研究

在工程荷载范围内,不计骨架颗粒的变形,骨架的变形实际是颗粒接触面变形的总和。当剪应力达到某个临界值时,黏性土骨架中有一部分颗粒接触面开始滑动,随着剪应力的增大,出现滑动的颗粒接触面的取向范围也会扩大。将这种颗粒接触面的滑动视为一种损伤。在损伤阶段,黏性土骨架中既有未滑动的接触面,也有已滑动的接触面,宏观剪切模量是这两种接触面的剪切模量的加权平均。在 平面中,根据应力圆与颗粒起始滑动包络线的相对位置,计算出已出现了滑动的颗粒接触面的取向范围,并定义该取向范围与其所能达到的最大值（由破坏时的应力圆计算）之比为骨架的损伤比。按损伤比进行加权平均得到骨架的整体剪切模量。模型中的参数完全可以根据常规三轴试验确定,模型的形式简单,可适用于复杂的应力路径。对试验结果的拟合表明,该模型能较好地反映黏性土在固结不排水条件下剪切变形的主要特征。     

黏性土固结不排水剪切的滑动损伤模型研究

在工程荷载范围内,不计骨架颗粒的变形,骨架的变形实际是颗粒接触面变形的总和。当剪应力达到某个临界值时,黏性土骨架中有一部分颗粒接触面开始滑动,随着剪应力的增大,出现滑动的颗粒接触面的取向范围也会扩大。将这种颗粒接触面的滑动视为一种损伤。在损伤阶段,黏性土骨架中既有未滑动的接触面,也有已滑动的接触面,宏观剪切模量是这两种接触面的剪切模量的加权平均。在σ-τ平面中,根据应力圆与颗粒起始滑动包络线的相对位置,计算出已出现了滑动的颗粒接触面的取向范围,并定义该取向范围与其所能达到的最大值（由破坏时的应力圆计算）之比为骨架的损伤比。按损伤比进行加权平均得到骨架的整体剪切模量。模型中的参数完全可以根据常规三轴试验确定,模型的形式简单,可适用于复杂的应力路径。对试验结果的拟合表明,该模型能较好地反映黏性土在固结不排水条件下剪切变形的主要特征。     

不同温度及排水条件下高温冻土孔隙水压力试验研究

在荷载的作用下孔隙水压力的消散是揭示冻土整体变形机理的关键,为了研究高温冻土中孔隙水压力变化规律,在不同温度、不同排水条件下,对高温冻土开展了压缩固结试验,并监测其在-1℃、-0.5℃和-0.3℃的条件下孔隙水压力及位移变化情况。结果表明：温度对孔压、变形有较大影响,温度越高,土体的变形速率越大,孔隙水压力峰值越大,消散速率也越快;而温度相同时,排水条件下的孔压峰值比不排水条件下的低,位移比不排水条件下的大;从试验结果中可以认识到,孔隙水压力在受骨架挤压增大的同时也在缓慢消散。     

软土固结蠕变特性及机制研究

以黄石地区软土为研究对象,在不同排水条件、固结压力作用下开展固结蠕变试验,对原状样与蠕变后试样进行扫描电镜观测,分析软土的固结蠕变特性及其微观机制。结果表明：不排水条件下蠕变特性表现更为显著。低偏应力作用下,排水条件下试样的变形大于不排水条件下的变形;高偏应力作用下,则与之相反。排水条件下,变形是由蠕变和固结共同产生的,具有线性蠕变特性;不排水条件下,蠕变是变形的主要原因,具有非线性蠕变特性。蠕变过程中,颗粒间以边-边、边-面为主的接触形式向以面-面为主的接触形式过渡,颗粒间距减小,大孔隙减少,小孔隙增多。固结过程中的主要是自由水以及渗透吸收结合水转化为自由水的排出,而蠕变阶段主要受结合水控制,随着压力加大,孔隙体积减小,结合水膜变薄,增大了土的黏滞性,在长时期就表现为蠕变特性。在软土地基加固过程中可提高土体的排水性能,增大土体的固结程度,降低蠕变带来的危害,提高建筑物的稳定性。     

黏土不排水条件下的应力路径损伤本构模型

黏土的变形主要受土颗粒之间的联结方式控制,将土颗粒之间的联结方式分为完善联结和滑动联结。在弹性变形阶段,颗粒之间的联结为完善联结,随着剪应力的增大,骨架中一部分完善联结逐渐变成滑动联结,这种转变即为损伤的演化。骨架的损伤和破坏遵循Mohr-Coulomb准则,在p-q平面中以应力点到初始损伤线和破坏线的相对距离表示损伤比,给出了一种描述骨架损伤和计算损伤演化的方法,进而提出了一种描述黏土在不排水条件下剪切变形的损伤本构模型。模型中的参数可根据常规三轴压缩试验确定,模型的形式简单,可适用于复杂的应力路径情况。对试验结果的拟合表明,该模型能较好地反映黏土在不排水条件下的剪切变形特征。     

基于变固结系数的静压桩周土体力学特性研究

以静压沉桩后桩周土体的应力状态为初始条件,根据桩周土体孔隙比、渗透系数和有效应力之间的相关性,在考虑固结系数随固结时间变化的条件下改进了轴对称条件下的太沙基固结控制方程。随后,采用分离变量法和离散化分析推导得出了桩周超孔隙水压力消散的半解析半数值解,并将解答与实测数据进行对比验证。在此基础上,采用空间滑动面理论改进的修正剑桥模型（SMP-MCC）定义土体三维不排水抗剪强度,研究了静压桩周土体强度、剪切模量随固结时间的变化规律。研究结果表明：由于解答考虑了固结系数随固结时间的变化,因而与实测结果吻合良好;土体压缩指数与渗透指数之比对土体固结系数和孔压消散速率影响较大;当土体压缩指数与渗透指数之比为1时,土体固结系数保持不变,解答退化为经典的太沙基轴对称固结方程;土体强度和剪切模量随固结时间的增长而逐步增加,固结完成后其值超越了土体原位强度和原位剪切模量。     

不同排水条件下软土蠕变特性与微观孔隙变化

对东莞软土进行了固结排水与固结不排水三轴蠕变试验、原状样与蠕变后试样水平测面微结构的扫描电镜试验,分析了不同排水条件的软土蠕变特性与微观孔隙变化规律。结果表明,不同排水条件对试样应变-时间、应变-偏应力关系产生较大影响,土样在不排水条件下屈服破坏,蠕变变形明显;在排水条件下则未有明显屈服,排水过程中的固结效应使其蠕变非线性弱化。蠕变后土样可见大孔隙减少、小孔隙数量增加、形状趋向圆状发展、定向性略有增加,不同排水条件下微观孔隙变化是土体蠕变表现差异的微观内因,孔隙特征的渐变过程揭示了软土蠕变变形的微观机制。     

冲击作用下饱和土性状的试验研究

在三轴条件下,对饱和土（砂土和黏土）进行排水与不排水条件下的冲击试验及冲击后再固结试验,对比研究了不同渗透性土在不同排水条件下的冲击动力响应和冲击后再固结性状。结果表明：饱和黏土不排水冲击时的孔隙水压力随冲击击数增加而升高并逐渐稳定,排水冲击时的孔隙水压力则是先达到峰值然后有所下降;砂土不排水冲击时的冲击能量对孔隙水压力影响最明显;饱和砂土不排水冲击时的轴向应变与冲击击数呈近似线性关系,饱和黏土冲击及饱和砂土排水冲击则呈近二次曲线关系;饱和砂土不排水冲击后再固结阶段的孔隙水压力立即消散为0,同时体变迅速增大到一定值;饱和黏土在冲击后再固结阶段的孔隙水压力在一定时间内逐渐消散完毕,同时体变逐渐增大;饱和黏土排水冲击时,冲击阶段产生的体变占冲击引起总体变的39%～49%,冲击后再固结阶段产生的体变占51%～61%;砂土和黏土的总体变均表现为排水冲击明显大于不排水冲击,改善冲击时的排水条件有利于提高加固效果。     

淤泥质土固结过程孔压及变形规律研究

对深入了解土在外荷作用下的孔隙水压力与变形变化规律对研究土的排水固结机理具有重要意义。对黄石地区淤泥质土进行分级加荷与一次性加荷的各向等压固结试验及单向固结试验,分析全过程孔压与变形的变化规律,结果表明：两种加荷方式孔压消散的规律并不相同,当孔压降到相应某临界值以下时,固结过程会变得缓慢,即使在较大的外荷载作用下,土中孔压反映也远不如加载初期明显。固结排水过程具有阶段性,这主要是自由水与孔隙水排水速度变化所引起的。黄石淤泥质土的主固结时间总体在5-100min范围内,当固结压力接近先期固结压力时固结系数最小,而次固结系数约为最大值。     

非饱和黏土动力特性及等价黏弹性模型的试验研究

针对非饱和重塑黏土,利用改进的非饱和土静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,在固结排水（CD）条件下进行了应力控制式分级加载的循环三轴试验,通过对试验结果的对比分析,探讨了初始固结压力和基质吸力(孔隙气压力Ua与孔隙水压力Uw之差)对非饱和土动应力-动应变关系特性的影响。以此为基础,将Hardin-Drnerich等价黏弹性模型和Masing加卸载准则进行了改进,并得到了可以考虑基质吸力的非饱和黏土的等价黏弹性模型。进而对试验数据与模型预测结果进行比较,结果表明这种改进的非饱和土等价黏弹性模型能较好预测各种基质吸力下非饱和土的动应力-动应变关系。     

Dynamic analysis of strain localization in water‐saturated clay using a cyclic elasto‐viscoplastic model

A computational framework is presented for dynamic strain localization and deformation analyses of water‐saturated clay by using a cyclic elasto‐viscoplastic constitutive model. In the model, the nonlinear kinematic hardening rule and softening due to the structural degradation of soil particles are considered. In order to appropriately simulate the large deformation phenomenon in strain localization analysis, the dynamic finite element formulation for a two‐phase mixture is derived in the updated Lagrangian framework. The shear band development is shown through the distributions of viscoplastic shear strain, the axial strain, the mean effective stress, and the pore water pressure in a normally consolidated clay specimen. From the local stress–strain relations, more brittleness is found inside the shear bands than outside of them. The effects of partially drained conditions and mesh‐size dependency on the shear banding are also investigated. The effect of a partially drained boundary is found to be insignificant on the dynamic shear band propagation because of the rapid rate of applied loading and low permeability of the clay. Using the finer mesh results in slightly narrower shear bands; nonetheless, the results manifest convergency through the mesh refinement in terms of the overall shape of shear banding and stress–strain relations. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

循环荷载作用下饱和软黏土的损伤模型

基于各向同性弹塑性损伤和Prevost模型的基本理论,把弹塑性等向硬化、运动硬化和各向同性损伤结合起来,推导了循环荷载作用下不排水饱和软黏土的弹塑性动力损伤本构模型。由循环累积塑性偏应变建立损伤演化方程,以描述循环加载对软黏土结构的破坏作用,并通过对循环三轴试验的模拟验证了模型的有效性。结果表明,提出的模型能较好地描述饱和软黏土在循环荷载作用下的变形、孔压变化及模量损伤过程。     

考虑循环载荷下饱和黏土软化的损伤边界面模型研究

研究表明,循环载荷作用下饱和黏土将发生软化,其机制主要有两个：一是孔压的积累;二是土体原有结构的不断损伤和新结构的不断重塑。针对上述机制,基于广义各向同性硬化准则建立了考虑饱和黏土循环软化的损伤单面模型。该模型在有效应力空间中引入损伤变量,表征土体结构的损伤和重塑程度,在连续的循环加载下,损伤不断累积,边界面则随着损伤的累积不断收缩,以模拟饱和黏土刚度和强度的软化;以应力反向点作为边界面的广义各向同性硬化中心和映射法则的映射中心,灵活地选择塑性模量的插值公式以模拟塑性变形和孔压的累积以及应力-应变的滞回特性。应用该模型对不排水循环三轴试验进行模拟,并且考查了循环周次、循环应力水平和固结历史对饱和黏土循环软化特性的影响,并与相关试验比较,验证了模型的有效性。     

珠江口海洋软土不排水抗剪强度及循环弱化特性试验研究

为了获得广东珠江口海洋软土的不排水抗剪强度,分别开展了不固结不排水剪切和固结不排水剪切三轴试验、无侧限抗压试验、现场取土离心机正常固结模型地基的T-bar静力贯入试验以及现场十字板剪切试验和静力触探试验（CPT）,并采用土力学经验公式进行计算,确定了珠江口海洋软土不排水抗剪强度沿深度的分布规律,并综合评价了各种方法的有效性。为了获得该区域软土的循环弱化规律,分别开展了循环动三轴试验、现场取土离心机正常固结模型地基的T-bar循环贯入试验和现场单桩水平循环加载试验,揭示了软土循环动模量比与循环次数之间的双对数线性关系,获得了3种试验条件下珠江口海洋软土的循环弱化因子。其研究结果可为该区域海洋建筑物设计提供直接依据,也可为其他类型工程提供借鉴。     

循环荷载作用下饱和软土的各向异性边界面模型

在临界状态弹塑性力学的框架内,建立了可以考虑循环荷载作用下各向异性对饱和软土力学特性影响的边界面塑性模型。该模型采用非关联的流动法则,引入了反映土体各向异性的内变量,利用该内变量的初始值描述初始各向异性,采用一种理论更为严谨、模型参数确定更为恰当的旋转硬化法则描述循环加载过程中各向异性的演化,利用更新映射中心的径向映射法则和与塑性偏应变路径长度有关的塑性模量插值规律,保证模型能够模拟循环加载时应力-应变响应的非线性、滞回性、应变累积性等基本特性,解释了模型参数的物理意义和确定方法,特别是给出了一种合理确定描述土体初始各向异性状态变量方法。通过文献中等压固结和偏压固结饱和黏土的循环三轴试验结果与模型预测结果的对比验证了模型的合理性。     

Frequency-dependent dynamic behavior of a poroviscoelastic soil layer under cyclic loading

In this study, a linear poroviscoelastic model based on the Biot theory is proposed to analyze the dynamic response of partially saturated soil. Both the flow-dependent and flow-independent poroviscoelastic behaviors are described in the proposed model. The compressibilities of both the constituents, including the skeleton material and porefluid, are considered, and the effective skeleton stress is determined using the linear viscoelasticity law based on the generalized spring-dashpot model. The soil surface is subjected to two types of harmonic loading, namely, vertical compressive loading and lateral shear loading. The influences of the relaxation time, saturation degree, and soil permeability on the surface and interior dynamic responses of the soil layer are investigated. It is revealed that the amplification factor, effective stress, and pore pressure decrease as the viscous damping increases, indicating that neglecting the viscoelastic property of solid skeleton could overestimate the induced dynamic responses. Furthermore, in comparison with the viscous damping of the solid skeleton, the viscous coupling involving the viscous resisting forces between the solid skeleton and pore fluid has limited effect on the dynamic behavior of the soil layer.     

循环荷载作用下软黏土刚度软化特征试验研究

循环荷载作用下,软黏土将发生软化现象,而以往的研究中大多未考虑初始偏应力的影响。通过对萧山正常固结饱和软黏土进行应力控制的循环三轴试验,研究了循环荷载作用下土体的刚度软化情况。通过分析每一次循环过程中割线剪切模量的变化规律,探讨了循环次数、循环应力水平、初始偏应力对刚度软化的影响。结果表明,随着循环次数的增加,土体刚度逐渐减小;循环应力水平的提高,初始偏应力的施加将加快刚度软化。在试验的基础上推导了反映土体刚度软化规律的经验公式,得到了萧山软黏土的破坏刚度比。