宝兰客运专线王家沟隧道原状黄土各向异性研究

针对黄土隧道开挖过程中不同部位（拱顶或拱腰）处围岩表现出的变形及强度各向异性情况,以宝鸡-兰州客运专线王家沟隧道原状黄土为例,着重探讨原状黄土结构强度各向异性问题。分别取王家沟隧道原状黄土水平与竖直方向进行抗剪、无侧限抗压及抗拉强度试验研究,考虑结构性对各向异性的影响,并对王家沟原状黄土进行电镜扫描,从微观结构上分析原状黄土具有各向异性的原因,最后探讨了原位状态下黄土各向异性的发生机制。结果表明：水平与竖直向应变比随围压的增大而减小,随归一化偏差应力的增大先增大后减小,峰值点随归一化偏差应力呈幂函数递增。提出原状黄土结构强度各向异性几何模型,并给出原状黄土各向异性强度参数指标。     

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。     

以塑性功为硬化参数的Q2原状黄土弹塑性模拟

为了研究非饱和Q2原状黄土的力学特性,通过三轴压缩试验、各向等压试验和三轴试验卸载、再加载试验获得Q2原状黄土的力学参数,并结合弹塑性力学理论,推导出Q2原状黄土的屈服函数和以塑性功为硬化参数的硬化规律,采用相关联流动规则,建立非饱和Q2原状黄土弹塑性本构模型。通过模型计算与试验实测值比较,表明该模型基本上能反映Q2原状黄土的力学特性。     

加载速率对砂岩抗拉强度的影响机制

为研究加载速率对砂岩抗拉强度的影响效应及影响机制,设计开展5种加载速率的劈裂试验,综合分析抗拉强度、破坏特征、能量参数和劈裂面微观形貌变化规律及相关性。结果表明,(1) 随着加载速率增大,砂岩劈裂抗拉强度逐渐增大,总体呈现先陡后缓的趋势,加载速率在0.01～0.10 kN/s范围内时抗拉强度增长迅速,0.10～1.00 kN/s范围内时抗拉强度增长趋势渐缓;(2) 随着加载速率的增大,岩样吸收的总能量增大,弹性应变能占总能量的比值逐渐增大,耗散能占总能量的比值逐渐减小,加载至破坏时裂纹扩展形成宏观劈裂面的时间呈数量级减小,达到峰值应力时弹性应变能的释放,导致岩样破坏的突发性增强,使得劈裂面形貌特征在宏观和微观上逐渐变得复杂,对应抗拉强度逐渐增大;(3) 在岩石劈裂试验过程中加载速率、能量参数、劈裂面形貌特征与抗拉强度密切相关,加载速率影响加载过程中能量的总量与分配,能量参数的变化直接影响岩样的破坏过程及劈裂面的形貌特征,最后宏观上表现为抗拉强度的差异。文中相关分析方法和思路可为类似试验提供较好的参考。     

尺寸和加载速率对冻结水泥土单轴压缩影响

为揭示尺寸效应和加载速率效应对冻结改良土力学特性的影响规律,以冻结水泥改良土为研究对象,开展了不同尺寸与加载速率条件下的单轴压缩试验,通过分析试验数据,讨论了高径比和加载速率对试样强度与变形特性的影响。研究结果表明,高径比影响试样的应力-应变曲线类型及峰值后的变形特性。高径比增加,应力-应变曲线出现明显弹性屈服点,峰后脆性增强,试样破坏形式由劈裂破坏变为单一剪切破坏。试样的抗压强度、切线模量、起始屈服模量、破坏应变随高径比变化均可用抛物线进行拟合,综合考虑,推荐试验宜采用高径比为1.62~2.02的试件。在试验设定的温度和加载速率条件下冻结水泥土的单轴压缩应力-应变关系均为应变软化型。与冻土类似,冻结水泥土的抗压强度与起始屈服强度同样随温度的降低和加载速率的增加而增大。不同温度下冻结水泥土抗压强度与加载速率的关系可用幂函数表示。温度越低,起始屈服强度受加载速率影响越大。温度和加载速率对冻结水泥土切线模量也有较大影响,不同加载速率条件下切线模量与温度呈线性关系。冻结水泥土的破坏应变随温度的降低和加载速率的增加而增大,在1.94%~6.94%之间变化,不同加载速率条件下破坏应变与温度呈幂函数关系。     

不同地区Q_2黄土的结构性对比分析

对延安和西安Q2黄土进行了单轴压缩和CU剪切试验,研究了含水量和围压对其结构性的影响。结果表明,单轴压缩条件下两地Q2黄土的结构屈服应变均较小,且随含水量变化不明显,而结构屈服强度均随含水量增加呈指数减少。CU剪切条件下含水量和围压都对其结构性有明显的影响,围压增大时两地Q2黄土的结构屈服应力和结构屈服应变均增大,含水量增大时结构屈服应力减低,较大围压和较高含水率时,结构屈服段的应力应变曲线由强软化型向较强软化型甚至弱软化型转变。由于西安Q2黄土和延安Q2黄土的沉积环境不同,使其低含水量时结构屈服强度高于延安Q2黄土,而高含水量时结构屈服强度低于延安Q2黄土。     

基于综合结构势概念的结构性原状黄土屈服准则

为了研究结构性原状黄土在加载条件下的破坏特性,采用试验的方法对Q2原状黄土进行了非饱和土三轴剪切试验研究。基于试验成果,定义了可以考虑球应力、偏应力和基质吸力等因素的土的结构性变量参数m。利用通过试验提出的m的计算方法,找出抗剪强度参数c、 值与m之间的关系,推导出m与c、 值的曲线方程,分别将曲线方程代入到Drucker-Prager（D-P）准则方程中对其进行修正,建立了结构性Q2原状黄土的修正屈服准则,该准则可以考虑Q2原状黄土的结构性影响,符合黄土的结构性特性,绘制出可反应结构性参数影响的屈服面,并验证了其合理性。     

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。     

Q3黄土侧向卸荷时的细观结构演化及强度特性

利用应力控制式CT-三轴仪,在控制吸力的条件下研究了原状Q3黄土的细观结构演化和强度特性。结果表明：侧向卸载时,非饱和Q3黄土的应力-应变关系呈硬化型,可用双曲线描述;利用CT数据与试验中所施加偏应力之间的关系可确定试样的屈服应力,屈服应力随着吸力和固结净围压的增大而增大;侧向卸荷剪切试验结果得到的强度参数低于常规三轴压缩剪切试验的结果;利用定义的非饱和Q3黄土的结构参数,建立了侧向卸载过程的细观结构演化方程。     

甘肃定西原状Q_3黄土各向异性试验研究

通过室内三轴试验,研究了甘肃定西原状Q3黄土的各向异性对于黄土抗剪强度和变形参数的影响。研究结果表明,此种黄土的各向异性对土体力学性质的影响显著。垂直向原状黄土抗剪强度明显高于水平向,随着围压的增大,二者之差明显下降,最终稳定在10%的差值范围内。围压小于100 k Pa时,水平向破坏应变明显大于垂直向,且随着围压逐渐增大二者差值逐渐减小,并在围压高于200 k Pa时,破坏应变达到一致。利用邓肯-张模型对偏差应力实测值与计算值进行差值分析表明,低应变处垂直向与水平向的差值均较大;随着围压增大,差值逐渐减小并最终稳定在±5%差值范围内,且最大偏差应力均符合误差为±5%的范围。无论是垂直样还是水平样,大约在2%应变之前的应力应变曲线都近似为回归系数很高的线性关系,可近似估算不同方向黄土的变形模量,其值分别为130 MPa和85 MPa。     

Tensile strength characteristics of contaminated and compacted sand-bentonite mixtures

A theoretical and experimental study of the unconfined penetration test (UP) method was conducted to determine the tensile strength of contaminated and compacted sand-bentonite mixtures, which are used widely in the landfill construction sites as a clay liner. To do this, the original UP device and experimental procedure were modified to reduce the measurement errors and named as the improved unconfined penetration (IUP) test. Experiments were carried out to examine the variation in tensile strength as a function of disk diameter, loading rate and pH level. The results of the experiments provided the following important findings. The tensile strength increases with an increase in the disk diameter. The tensile strength is not sensitive to the loading rate in the range of 0.1%/min–1.0%/min. A specimen compacted with a low pH value of water shows a high tensile strength, because a lower pH solution increases soil particle bonding stresses.     

赤泥改性黄土的基本工程性质研究

为探究赤泥改性黄土的基本工程特性,进行无侧限抗压试验、直剪试验及渗透试验,得出赤泥改性黄土的最佳配比,建立了抗剪强度、无侧限抗压强度与电阻率的经验公式。通过动三轴试验,分析了循环动荷载下改性黄土的累积塑性变形、动弹性模量及浸出毒性。结果表明,随赤泥含量增加,改性黄土无侧限抗压强度和黏聚力都先增大后减小,当赤泥含量为15%时其28 d无侧限抗压强度达到3.5 MPa,较不掺入赤泥时提高约34.7%;改性黄土的渗透系数随赤泥含量增加先快速降低,至赤泥含量5%后趋于稳定;改性黄土的抗剪强度、无侧限抗压强度与电阻率呈良好的线性关系;改性黄土在循环动荷载下的临界动应力达600 kPa,最大动弹性模量比未改性黄土高出6倍,且其浸出液不具有浸出毒性。     

黄土的构度指标及其试验确定方法

黄土的结构性是一个重要的物理性质指标,它与土的粒度、密度和湿度一起影响土的力学性质。依据加荷、扰动、浸水释放土结构势的方法,由土的无侧限抗压强度定义了黄土结构性的构度指标。通过多个场地不同黄土的无侧限单轴压缩试验,测试分析了不同含水率原状土、重塑土和饱和原状土的单轴压缩应力-应变曲线及无侧限抗压强度变化规律,由此得出土的构度指标的变化规律。并且,在粒度、密度、湿度相似条件下,比较分析了土的构度指标与其压缩性之间的关系。土的构度指标与粒度、密度和湿度指标一起能够合理描述土的物理力学基本性质。     

冻结黄土抗拉强度的试验研究

冻结饱水黄土的拉伸试验表明，拉伸破坏均属脆性破坏类型，拉断面上矿物颗粒剪移错粒，裂隙发育。拉伸的应力－应变过程，视荷载作用的快慢大致可分为粘弹－塑性、粘－弹性有脆性破坏三类，它们可用统一的方程形式加以描述，此外，对饱水冻结黄土的峰值应力、破坏应变和破坏时间等特性进行了分析，对抗拉、抗压强度作分析比较后指出，它们的比值为０．４４－０．６３，与负温和加载速率的关系不大。     

黄原胶和玄武岩纤维改良黄土抗压强度试验研究

为改良黄土强度低、易变形破坏的工程特性,在黄土中掺加黄原胶和玄武岩纤维,通过无侧限抗压强度试验探究黄原胶含量和玄武岩纤维加筋率及养护龄期对黄土抗压强度的影响。试验结果表明:与素土相比,分别掺加黄原胶和玄武岩纤维均能提高土体抗压强度和一定程度延性;混合掺加黄原胶和玄武岩纤维时,土体的抗压强度和延性都会提高明显。根据正交试验得到,掺加1.5%黄原胶和0.6%玄武岩纤维时,改良土体的抗压强度最大。     

兰州九州重塑黄土的抗拉变形破坏机理

通过对不同干密度及含水量的重塑黄土进行室内抗拉强度试验,探究轴向压裂法致使试样破坏的机理及一般规律。结果表明,黄土的抗拉变形破坏可分为4种类型：I类,高干密度低含水量（干密度大于1.65 g·cm^-3,含水量小于15%）,抗拉强度介于8~12 kPa;Ⅱ类,低干密度低含水量（干密度小于1.60 g·cm^-3,含水量小于15%）,抗拉强度介于4~8 kPa;Ⅲ类,高干密度高含水量（干密度大于1.65 g·cm^-3,含水量大于17%）,抗拉强度介于4~8 kPa;IV类,低干密度高含水量（干密度小于1.60 g·cm^-3,含水量大于17%）,抗拉强度介于3~4 kPa。I类、Ⅱ类破坏类型属于脆性破坏,Ⅲ类、IV类属于塑性破坏。重塑黄土抵抗变形最弱的含水量为15%。通过对比分析黄土、普通黄黏土、红黏土及膨胀土的抗拉强度发现,在最优含水量处,不同干密度下黄土的抗拉强度均最小。黏性土的持水能力远超过黄土。黏土及膨胀土的抗拉强度均在最优含水量处达到最大值,而黄土的抗拉强度随着含水量的增加持续减小。研究结果对黄土强度特性的理解具有一定的参考意义。     

Weak tensile characteristics of loess in China — An important reason for ground fissures

By means of uniaxial tensile tests, we analyzed the tensile characteristics of undisturbed and disturbed loess samples taken from the areas where ground fissures are prevalent. The study shows that the tensile strength and ultimate tensile strain of loess are very small, no more than 25 kPa and 0.5%, respectively. Water content and dry density are the two important factors for the tensile strength of loess, and show a decreasing exponential and increasing exponential relationship with the tensile strength, respectively. From the results of tensile tests on loess and the mechanism of ground fissure development in loess areas, we may draw a conclusion that the weak tensile strength, the loose structure and the collapsibility are the important contributing factors to the development of ground fissures in China's loess areas.     

长余高速公路稳定土强度试验研究

将长余高速公路三个路段的天然土，配成不同比例的石灰土和二灰土，并通过不同的时期养生，对各土样进行无侧限抗压强度试验和抗拉强度试验。总结了配合比、期龄对混合料强度特性的影响规律，为高速公路路堤填土设计提供指南。     

单轴拉伸法测定土的抗拉强度试验研究

采用单轴拉伸法研究了影响土的抗拉强度测试方法的因素,探讨了加荷速度、样品直径、高径比对土的抗拉强度测试值的影响,试验结果表明,样品直径对土的抗拉强度测试结果影响不大,加荷速度和高径比是影响土的抗拉强度的测试结果的重要因素。给出了单轴拉伸法测试土的抗拉强度的加荷速度和高径比的建议值。     

冻融循环作用下黄土无侧限抗压强度和微观规律的试验研究

青海地处多年冻土地区,属于青藏高原大陆性气候带,冻融循环是路基和地基基础的一种常见破坏因素,为研究冻融循环作用对青海地区实际工程的影响,揭示冻融循环作用对其损害的机理,通过对青海西宁地区原状黄土和重塑黄土进行冻融循环试验、无侧限抗压强度试验和电镜扫描试验,分析不同冻融温度和不同冻融循环次数对原状黄土、重塑黄土无侧限抗压强度和微观结构的影响。结果表明:当黄土经历0～6次冻融循环时,原状黄土和重塑黄土的强度逐渐降低,而8～10次冻融循环后其强度先增大后趋于稳定;原状黄土的强度随冻融温度降低而降低,而重塑黄土的强度随冻融温度降低先增大后减小;从微观角度分析,冻融温度的降低和冻融循环次数的增加,均导致黄土大颗粒逐渐分解为小颗粒,颗粒的排列方式发生改变。