吸力历史对非饱和弱膨胀土力学性质的影响EI北大核心CSCD

对经历较广吸力范围内不同吸力历史的非饱和弱膨胀土进行了一系列吸力控制的三轴剪切试验。关于最大吸力的施加,高吸力采用蒸汽平衡法;较低吸力采用轴平移技术。试验结果表明:在净应力和吸力相同条件下,经过湿化试样的应力-应变关系曲线升高、剪缩体变小;经过高吸力试样的应力-应变关系曲线也升高、剪缩体变小,随着经历过最大吸力的增加其应力比-应变关系、体变表现出的超固结土特性明显。其主要原因是前期试样受过较大的吸力,相当于受过较大前期固结压力,同时弱膨胀土失水收缩性明显,经过较大吸力后试样孔隙比明显减小,使试样剪切过程中表现出超固结黏土的特性。因此,讨论非饱和弱膨胀性土的应力-应变关系和强度时需考虑吸力历史引起的体积收缩影响。     

吸力历史对非饱和土力学性质的影响

现在被广泛公认的由Fredlund提出的非饱和土力学的双参数理论,即净应力和吸力为非饱和土的应力状态变量,不能直接考虑吸力历史及其饱和度对非饱和土的应力-应变关系和强度的影响。非饱和土三轴试验结果表明,即使净应力和吸力相同的条件下,经过干-湿循环试样与未经过干-湿循环试样的应力比-应变关系和强度是不相同的。在其他条件相同时,经历过干-湿循环的试样比未经过干-湿循环试样的应力比-应变关系要高、强度大和体变小。经过干-湿循环试样的饱和度低而强度高,主要是由于经过先期较高的吸力,相当于受过较大的前期有效压力,使试样成为超固结土。更多不同吸力历史的对比试验有待于进一步研究,以便为非饱和土的水力-力学特性耦合弹塑性本构模型定量地表示上述非饱和土的性质提供基础性试验数据。     

吸力路径对非饱和土力学性质的影响

基质吸力的存在使得土的工程性状变得十分复杂.非饱和土的力学性质,不仅受基质吸力及竖向荷载等应力状态的影响,吸力路径也起着不可忽视的作用.为了探讨不同吸力路径对非饱和土应力-应变关系和强度的影响,采用非饱和土直剪仪对不同吸力路径固结平衡的非饱和土样进行直剪试验,获得其固结量及应力-应变关系,得到了不同吸力路径对非饱和土抗剪强度的影响规律.试验结果表明:在相同的竖向荷载条件下,非饱和土的抗剪强度随着吸力的增加明显增大.在相同吸力及竖向荷载条件下,经历过较高吸力历史的试样固结量和前期剪切强度明显增大.     

宽广吸力范围非饱和土剪切强度试验研究及其预测

以弱膨胀土为试验材料，开展了宽广吸力范围内非饱和土的持水和强度特性试验研究，并提出适用于宽广吸力范围的非饱和土强度模型。结果表明，在广吸力范围内，应力-应变曲线随吸力增加而增高，在低吸力范围呈现应变硬化，在高吸力范围呈现应变软化。低吸力范围，试样呈现剪缩变形；高吸力范围，试样在轴向应变2%处开始呈现剪胀趋势。此外，提出一种区分吸附水和毛细水的土-水特征曲线模型，并假设吸力引起的强度增强部分主要由毛细水决定。将有效应力系数用毛细水饱和度替代，并代入Bishop非饱和土强度公式，利用不同类型土剪切强度的实测数据和文献中剪切强度模型对比，表明该强度模型可以很好地描述宽广吸力范围内的非饱和土强度。     

冻融循环下初始含水率对非饱和膨胀土剪切特性试验

为探究冻融循环条件下初始含水率对膨胀土偏应力-应变关系和剪切特性的影响,本文对不同初始含水率的非饱和膨胀土进行了不固结不排水三轴剪切试验。结果表明：1）非饱和膨胀土的偏应力-应变曲线的形式随含水率增大由应变软化逐渐转变为应变硬化,偏应力峰值随含水率增大而降低;2）非饱和膨胀土的抗剪强度随初始含水率的增加呈线性下降趋势;3）非饱和膨胀土在第1次冻融循环后偏应力及抗剪强度大幅度下降,在3~7次冻融循环后达到稳定。初始含水率是影响非饱和膨胀土力学性质的主要原因。     

利用常规直剪试验评价非饱和黄土抗剪强度

为了研究一种简化的方法评价非饱和黄土抗剪强度,本文利用常规直剪仪对非饱和重塑黄土进行固结快剪试验,Whatman s No.42型滤纸测试固结前和剪切后土样吸力,研究同一正应力下初始吸力和剪后吸力的变化趋势及机理,并用非饱和直剪测试结果对常规直剪和滤纸法测得的吸力与强度进行了效验。研究表明,土-水特征曲线的进气值和残余值对固结前和剪切后干密度和吸力的变化起控制作用,获得初始吸力与剪后吸力的变化关系。基于Vanapalli模型,提出了利用土样初始土-水特征曲线、有效黏聚力和有效内摩擦角预测非饱和黄土抗剪强度的公式,研究结果简化了非饱和土强度测试方法,节约了时间,为非饱和土抗剪强度理论在工程实践中推广应用提供新思路。     

吸力对弱膨胀土强度贡献的试验研究与预测分析

对部分应用土-水特征曲线来预测非饱和土抗剪强度的公式进行了归纳分析。应用压力板仪与非饱和三轴仪,测试了荆门原状弱膨胀土的土-水特征曲线和控制吸力的非饱和三轴抗剪强度参数,并将试验结果与各抗剪强度公式的预测值进行对比,分析了各强度公式的局限性。试验结果表明,非饱和原状膨胀土的净法向应力摩擦角随着吸力的不同而变化,根据双应力变量理论确定的吸力对强度的贡献与围压有关,不同围压下吸力对强度的贡献不同,表观凝聚力 与吸力间符合乘幂函数关系。     

黄土坡滑坡滑带土非饱和力学特性试验研究

以三峡库区黄土坡滑坡临江I号崩滑体的滑带土为研究对象,研究基质吸力对非饱和滑带土的强度与变形等力学性质的影响。利用GDS非饱和反压直剪仪对滑带土进行了不同净法向应力和基质吸力组合下的直剪试验。试验结果表明:相同的基质吸力作用下,滑带土抗剪强度随着净法向应力的增大而增大。当滑带土试样中基质吸力较小时(50kPa),试样剪切过程中的应力-应变曲线,随着净法向应力的增大表现为应变硬化型。之后随着基质吸力的增加,当吸力大于净法向应力时,剪切应力-应变曲线表现为较明显的达到峰值后软化。反之,应力-应变曲线表现为应变硬化型。相同净法向应力下,抗剪强度随着吸力的增大而增大,剪切应力-应变曲线由低法向应力下的达到峰值后软化向高法向应力下的应变硬化转变。剪切过程的轴向位移表现为:当吸力大于净法向应力时,表现为剪胀; 反之,表现为剪缩。滑带土固结排水剪切条件下得到的黏聚力随着基质吸力呈线性增长关系。得到了滑带土的吸力摩擦角b为13.7,有效内摩擦角有较小增长,平均有效内摩擦角15.9。     

压实度和基质吸力对土石混合填料强度变形特性的影响研究

针对土石混合料高填方工程分析计算参数和模型确定难题,采用非饱和土三轴仪进行了控制基质吸力和净围压的36个固结排水剪切试验,定量研究了压实度、基质吸力、配合比对非饱和重塑混合料强度变形特性的影响,建立了非饱和压实土抗剪强度、切线变形模量和切线体积模量修正算法表达式。试验结果表明:破坏应力、黏聚力随吸力的增加基本呈线性增长,吸力变化对有效内摩擦角影响不大;破坏应力与强度参数随压实系数的提高而增大;土石比为4:6的土样破坏应力和强度参数整体略高于2:8的土样,有效黏聚力随粉质黏土含量的增加而增大。配合比和压实系数相同的土样,净围压或吸力越大,试样强度越大,体变逐步由剪缩趋于剪胀;净围压和吸力相同的土样,在相同配合比时,压实系数越高,应变曲线逐渐由应变硬化型向理想弹塑型转变,低净围压下部分土样趋于应变软化型。修正后的非饱和土非线性增量本构关系符合大面积填方工程实际,可用于高填方地基变形计算和高填方边坡稳定性分析。     

重塑黄土在不同基质吸力下的真三轴剪切试验

为研究重塑黄土在控制吸力真三轴条件下的剪切特性,利用非饱和土固结仪测试了重塑黄土的土-水特征曲线,得到基质吸力与含水率的对应关系,利用真三轴仪对重塑黄土进行了控制基质吸力为50、100、200 kPa的固结排水剪切试验。在剪切试验中同时控制净平均应力为300 kPa,中主应力参数b值分别为0、0.25、0.50、0.75、1.00。试验结果给出大主应变、中主应变和小主应变与偏应力的关系曲线,研究了基质吸力和b值对土体应力-应变响应的影响。结果表明,重塑黄土的抗剪强度随基质吸力的增大而增大,随中主应力参数的b值增大而降低;应力-应变曲线随b值增大逐渐从应变硬化型向理想弹塑型转化。给出了重塑黄土在π平面上的强度破坏线,其随着基质吸力的增大而向外扩展,基质吸力会影响其位置、大小及形状,且重塑黄土不同基质吸力的试验结果与Lade-Duncan破坏准则的预测结果更接近。     

Cyclic Swell–Shrink Behaviour of a Compacted Expansive Soil

Laboratory cyclic swell–shrink tests were carried out on compacted expansive soil specimens to study in detail the effect of changes in shrinkage pattern on the swell–shrink behaviour of compacted expansive soils. Compacted soil specimens were allowed to swell and either shrank fully or partially shrank to several predetermined heights in each cycle. The tests were carried out at a surcharge pressure of 50 kPa. The test results revealed that shrinkage of compacted saturated soil specimens to predetermined height in each shrinkage cycle provides similar conditions as that of the controlled suction tests with an increasing number of swell–shrink cycles. The water content of soil specimens and hence soil suction was found to remain nearly constant for each pattern of shrinkage. For soil specimens equilibrated to a given swell–shrink pattern, suction at the end of shrinkage cycles was changed from a higher suction to a lower suction, and also from a lower to a higher suction. The experimental results showed that there may be an immediate equilibrium state attained by the soil in terms of swell–shrink potential if suction at the shrinkage cycles was less than the past suction; otherwise, the equilibrium state was accompanied by fatigue of swelling. The volumetric deformation of the soil specimen subjected greater shrinkage was found to be much larger than the corresponding vertical deformation. The compressibility index of microstructure, κ_m, was determined for several shrinkage patterns. It is shown that κ_m is heavily influenced by suction at the end of shrinkage cycles.     

真三轴条件下的原状黄土增湿变形特性

为了研究复杂应力条件下原状黄土的增湿变形特性，利用改进的非饱和土湿陷真三轴仪，在测量吸力条件下对原状黄土进行双线法分级浸水增湿试验，探讨力?水耦合作用下吸力的变化特性，研究真三轴浸水试验的增湿变形特性，以及吸力、净围压、中主应力和应力比对增湿变形的影响。研究结果表明：由ei-lgp压缩曲线确定了非饱和土的屈服点，屈服点之前，曲线的斜率近似相等；屈服点之后，曲线的斜率随着初始吸力的减小而减小，且非饱和土与饱和土的交点随着初始吸力的增大呈右下方移动趋势。等向压缩过程中，吸力随着净平均应力的增加近似呈线性减小趋势，初始吸力越小，吸力减小的速度越慢，且吸力变化量越小。均压分级浸水增湿时，吸力s随着浸水量w的增加而减小，增湿体变 随着浸水量w的增加而增大，不同净围压下的 -w关系曲线相互有交叉。交叉区域之前，净围压越大，增湿体变越小，而交叉区域之后，净围压越大，增湿体变越大。在同一净围压条件下，浸水量相同时，初始吸力越大，增湿体变越大。真三轴剪切增湿试验中，应力比k、中主应力参数b值和净围压?3皆对增湿变形有一定的影响。当q/p≤1时，增湿变形曲线前段下凹后段上凹，主要表现为体积增湿变形；当q/p>1时，增湿变形曲线只有下凹部分，主要表现为剪切增湿变形。增湿变形曲线的形态取决于k值和b值的不同组合。     

膨胀土干缩变形特性试验研究

膨胀土是一种典型的问题性土,对气候变化非常敏感,在干旱气候条件下,极易发生体积收缩变形,引发各种工 程地质问题。为了研究膨胀土的干缩变形特性,开展了一系列室内干燥试验,测定了膨胀土的收缩特征曲线,重点分析 了初始含水率和干密度对干缩变形过程的影响,并进一步探讨了水泥固化抑制膨胀土干缩变形的效果和机理。结果表 明：（1） 膨胀土的干缩变形过程存在三个典型阶段：正常收缩、残余收缩和零收缩;（2） 初始含水率越高,试样蒸发速 率越快,且干缩变形完全后试样孔隙比越小而最终收缩应变越大,干缩变形越明显;（3） 初始干密度越大,试样蒸发速 率和最终体积收缩应变越小,提高初始干密度对试样干缩变形具有一定的抑制作用;（4） 在膨胀土中掺入适量的水泥能 显著降低试样的体积收缩应变,对干缩变形具有良好的抑制效果;（5） 膨胀土的干缩变形具有明显的各向异性特征,并 且与初始状态有关。     

膨胀土干缩变形特性试验研究

膨胀土是一种典型的问题性土，对气候变化非常敏感，在干旱气候条件下，极易发生体积收缩变形，引发各种工 程地质问题。为了研究膨胀土的干缩变形特性，开展了一系列室内干燥试验，测定了膨胀土的收缩特征曲线，重点分析 了初始含水率和干密度对干缩变形过程的影响，并进一步探讨了水泥固化抑制膨胀土干缩变形的效果和机理。结果表 明：（1） 膨胀土的干缩变形过程存在三个典型阶段：正常收缩、残余收缩和零收缩；（2） 初始含水率越高，试样蒸发速 率越快，且干缩变形完全后试样孔隙比越小而最终收缩应变越大，干缩变形越明显；（3） 初始干密度越大，试样蒸发速 率和最终体积收缩应变越小，提高初始干密度对试样干缩变形具有一定的抑制作用；（4） 在膨胀土中掺入适量的水泥能 显著降低试样的体积收缩应变，对干缩变形具有良好的抑制效果；（5） 膨胀土的干缩变形具有明显的各向异性特征，并 且与初始状态有关。     

非饱和土增湿变形的实用计算方法

非饱和土力学研究目前还未进入实用阶段,主要原因在于吸力量测困难。本文提出了用等效吸力代替真实吸力的试验方法。首先以常规静三轴试验得到的原状饱和土以及非饱和土的应力-应变曲线为基础,根据变形等效的原则确定与某一饱和度相当的围压即为等效吸力;然后建立饱和度与等效吸力之间的非线性关系,并验证了该数学公式的正确性;再根据试验结果分析含水量对非饱和土强度的影响,建立了非饱和土的实用抗剪强度公式;最后按照邓肯-张模型的参数整理方法得到了不同饱和度非饱和土的模型参数,探索这些参数随饱和度的变化规律,建立了引入饱和度的非饱和黄土实用非线性模型,并进行了降雨入渗情况下非饱和土增湿变形的计算。结果表明,饱和度最大值为95%,等效吸力最大值为160 kPa,最大水平位移与竖向位移分别为0.6 cm和20.0 cm,均出现在浸水位置。计算结果合理地反映了非饱和土变形的分布趋势,验证了方法的合理性。     

A fully coupled simple model for unsaturated soils

Different phenomena influence the strength and volumetric behavior of unsaturated soils. Among the most important are suction hardening, hydraulic hysteresis, and the influence of volumetric strain on the soil-water retention curves. Fully coupled hydro-mechanical models require including all three phenomena in their constitutive relationships. Among these phenomena, suction hardening is the most influencing as it determines the apparent preconsolidation stress, the position of the loading-collapse yield surface, and the shift of both the isotropic consolidation and the critical state lines. In this paper, a fully coupled hydro mechanical model is presented. It is based on the modified Cam-Clay model but includes a yield surface with anisotropic hardening that takes account of the shift of the critical state line with suction. For highly overconsolidated materials, the sub-loading surface concept has been included in order to increase the precision of the model for these materials. The shift of the retention curves produced by volumetric strains is simulated using a hydraulic model based on the grain and current pore size distribution of the soil.     

考虑基质吸力的非饱和土邓肯-张统计损伤修正模型

为反映非饱和地基土变形全过程,以某基础工程非饱和土为研究对象,开展固结排水三轴压缩试验。研究发现,非饱和土的偏应力-应变曲线形态近似双曲线,基质吸力对土体力学行为影响十分明显,基质吸力越大,土体偏应力越高。根据非饱和土变形特性及工程特点,选取邓肯-张双曲线模型作为基础模型,引入统计损伤理论,假设非饱和土微元强度服从Weibull概率密度分布,建立邓肯-张统计损伤模型。通过搭建初始切线模量与基质吸力的联系,建立一种新的考虑基质吸力的非饱和土邓肯-张统计损伤模型。给出参数解析方法,得到Weibull分布参数经验表达式,从而修正模型。分析不同基质吸力条件下非饱和土损伤累积规律,采用所建模型和传统邓肯-张模型对比验证非饱和土偏应力-应变试验曲线,证明所建模型的可行性和合理性。研究成果为非饱和土的力学特性研究及辨识模拟提供一定参考。     

饱和剪胀性砂土液化后流滑现象与机理

基于完全不排水试验的已有研究结果表明,只有在饱和松砂中才可能发生流滑现象,较密实的饱和剪胀性砂土在初始液化后的不排水循环或单调剪切作用条件下,则会呈现出所谓往返活动性或抗剪强度恢复现象。然而,实际土工抗震边值问题中的饱和砂土在许多情况下并不能够被视为处于完全不排水条件,可能由于土性和变形等因素的不同而处于剪切排水甚至剪切吸水条件。通过对饱和砂土液化后常剪切吸水率试验结果的分析指出,剪切吸水条件可能导致剪胀性砂土的抗剪能力显著降低、甚至发生流滑现象。基于可逆性与不可逆性剪切体应变的概念以及3种体应变分量变化的特性规律,推导出剪切吸水条件下的体变约束条件。不同排水条件下的体变约束条件决定了剪胀性砂土应力-应变响应的不同变化,当满足自由吸水剪切条件时饱和砂土会出现具有流动特征的大变形;当满足强制吸水剪切条件时会发生具有非稳定特征的流滑现象。