饱和黏性土蠕变变形试验研究

结合苏锡常地区地面沉降研究,用单向固结仪研究饱和黏性土在复杂荷载作用下的蠕变变形特征。试验土样取自苏锡常地区第2弱透水层。研究结果表明,在初次加载时黏性土具有明显的蠕变性,在双对数坐标中蠕变变形与时间呈直线关系,且直线斜率随荷载水平增大而减小,但在荷载水平达到一定值后斜率变化不大;在初次卸载时黏性土仍有明显的回弹蠕变,特别是在卸载水平较高时,卸载回弹蠕变变形与应力和时间的关系仍可用幂函数表示;在循环荷载作用下,加卸载达到变形稳定的时间随循环次数增加而减小。当循环荷载最大值小于土样的先期固结压力时,土样在2次加卸载循环后达到弹性变形状态;当循环荷载最大值等于土样的先期固结压力时,土样在5次加卸载循环后达到弹性变形状态。     

真空预压土体的变形研究

对真空预压的研究现状进行了总结,分析了该法的加固机理,并指出了在实际使用过程中所遇到的问题。研究表明,真空预压的加卸载实际上是以小主应力方向加卸载为主的过程;在卸去真空的过程中,小主应力方向的卸载会削弱土体的竖向回弹,土体不会出现明显的回弹现象,甚至可能继续沉降;模拟真空预压应力路径的试验需要更加合理的设计。     

循环加卸载作用下贵阳红黏土损伤特性试验研究

为研究贵阳红黏土在循环荷载作用下的损伤特性,揭示抗剪强度参数随加卸载过程的损伤演化规律,通过应力-应变控制式三轴剪切渗透仪中的应力路径试验模块,对ω=29%、32%、35%以及38%4种含水率的贵阳红黏土在σ₃=100 kPa、200 kPa和300 kPa围压下开展固结不排水剪循环加卸载试验。研究结果表明：卸载过程中土样表现出变形增强性,卸载后轴向应变增量越大,松弛时间越长,回弹变形量越大;综合考虑含水率与围压条件的影响,建立贵阳红黏土剪切过程中弹性变形演化的数学关系式,并与试验结果进行对比验证,拟合度达95%以上;采用等效塑性剪切应变作为塑性内变量,对贵阳红黏土剪切全过程强度损伤特性进行研究,发现其胶结强度不断损失,而摩擦强度不断增加;且随着含水率的增加,内摩擦角的变化范围为21.8°～16.1°,黏聚力的变化范围为83.7～57.5 kPa。研究成果可为路基压实及考虑加卸载工况的土坡稳定性评价提供理论指导。     

分级加卸载下南海珊瑚泥一维固结长期变形试验及模型研究

南海珊瑚泥是珊瑚群体死后的骨胳、碎屑聚积形成的海洋岩土体钙质软泥,具有特殊的工程性状,研究其在荷载作用下与时间相关的长期非线性变形对吹填岛礁建设和长期稳定分析具有重要意义。对珊瑚泥进行了3组不同加卸载方案的一维固结压缩试验,通过改变加载时间与加卸载循环圈数探究应力历史对其长期变形性质的影响,并针对珊瑚泥在加卸载试验条件下呈现出的瞬时变形、延时衰减与延时稳定变形3阶段规律,采用改进的Burgers模型拟合不同竖向应力作用下的ε-t（应变-时间）曲线,具有较高拟合精度。同时分析模型参数后发现,随着分级加载时间提高,瞬时应变增量及其增长率下降,最终荷载下的延时衰减时间缩短,延时稳定应变速率及最终荷载下的总应变增量减小。同一加卸载循环圈数中,同竖向应力下卸载阶段的瞬时应变增量小于加载阶段。随着加卸载循环圈数的增加,加、卸载各阶段瞬时应变增量均减小且二者相近,延时衰减时间缩短,延时稳定应变速率及最终荷载下的总应变增量减小。研究了分级加载时间与加卸载循环圈数对珊瑚泥长期变形性质的影响,旨在为岛礁建设中的堆载预压方案提供理论依据。     

长期重复荷载作用下土体与邻近桩基相互作用研究

在前人研究的基础上,基于临界状态土力学理论,在Carter模型中引入临界重复应力的概念形成改进Carter模型;该模型概念明确、参数简单,可以合理地反映重复加卸载作用下土体主要特性。利用改进Carter模型,编制平面应变有限元程序,对长期重复加卸载作用下土体与临近桩基相互作用进行系统分析,探讨了长期重复加卸载作用下有桩和无桩时土体沉降和侧移的变化规律,并讨论了软土屈服面衰减系数、临界重复应力水平、临近桩基刚度等变化时桩土相互作用性状的变化,得出一些有益的结论。     

分级循环动荷载下水泥土动力特性试验研究

随着车辆载重的变化,其荷载幅值也会随之变化。然而,已有的研究大多关注恒定动荷载下水泥土动力特性,对分级循环荷载作用下水泥土的动态特性研究较少。利用GDS动三轴仪,开展一系列水泥土动三轴试验,探讨分级荷载条件下静偏应力和围压等因素对水泥土动力特性的影响。试验结果表明:水泥土的轴向塑性应变随着围压和静偏应力比的增加而增加。水泥土轴向应变在0.1%～0.5%范围,其应变发展属于稳定型,分级加卸载对应变发展过程影响较大,对最终应变影响较小。建立了考虑水泥土加卸载条件、围压和静偏应力比的塑性应变的经验模型,分级卸载的相关系数大于0.95,而分级加载的相关系数在0.8～0.9之间。分级卸载时,第一级荷载对应变发展起主导作用,而分级加载时,最大动应力比无法主导前几级荷载较小时的应变发展。在分级加卸载条件下,水泥土的骨干曲线表现为2种模式:上升型和下降型,可将其简化为多段直线,利用建立的累积塑性应变计算方法,提出了确定多段直线分界点的方法,并验证了其可行性。     

煤岩组合体分级加卸载特性的试验研究

通过MTS 815试验机研究了煤岩组合体分级加卸载试验。分级加卸载下煤岩组合体破坏以脆性破坏机制为主,与单轴作用相比,分级加卸载作用下煤岩组合体的破坏更为破碎,且破坏强度有所提高,但轴向和环向应变却有所降低。同一循环中的加载与卸载曲线基本不重合,且多数情况不形成闭合环路;卸载曲线与下一个循环的加载曲线通常也不重合,但会形成闭合环路。第1循环结束时残余变形较大,加卸载曲线形成了类似“牛角”状的曲线;随着循环加卸载地进行,与残余变形相比第1循环有所降低,加载和卸载曲线在逐渐靠近,并且加卸载曲线类似“竹叶”状。获得了残余变形和加卸载弹性模量随循环加卸载的变化关系,并且实验表明卸载到1 MPa附近时,卸载线是曲折波动的;但在再次加载初期,加载线几乎是直线,且随着荷载的继续增加,加载线和上一个循环的卸载线逐渐分离。循环加卸载后应变相位逐渐滞后于应力相位,内因可能是因为岩石矿物颗粒间的黏滞性以及煤岩组合体界面之间的摩擦引起的,而外因可能是循环加卸载导致了煤岩体内部损伤,并由此诱发不可恢复的残余变形     

考虑开挖卸荷影响的桩侧摩阻力等效计算方法

基坑开挖后的卸荷回弹会导致桩侧摩阻力减小,但这一影响仅局限于基坑底部一定深度范围内。在计算开挖后的桩侧摩阻力时,可将卸荷视为作用在坑底的均布上拔荷载。当荷载作用在地表以下,土体附加应力应采用Mindlin应力解。定义基于Mindlin解计算开挖后桩侧摩阻力与开挖前变化为5%时的深度为开挖影响计算深度Hc,开挖深度和宽度对Hc的影响明显,土体内摩擦角的影响较小,而泊松比的影响可以忽略。据此推导出Hc的计算公式。开挖卸荷导致的竖向附加应力,Boussinesq解求得的结果大于Mindlin解,但随着深度增加,二者差异逐渐减小。分别针对开挖深度、宽度和内摩擦角不同取值的216种组合进行计算,结果表明,Hc范围内基于Mindlin解求得的桩侧摩阻力与基于Boussinesq解结果的比值? 最大为1.124,最小为1.001。工程实践中为偏于安全,可直接采用Boussinesq解进行桩侧摩阻力计算。     

复杂应力路径下钙质砂颗粒破碎及抗剪强度特性

对中国南海钙质砂开展了一系列复杂应力路径下的排水三轴剪切试验,系统研究了应力路径对钙质砂颗粒破碎和抗剪强度的影响机制。研究表明：钙质砂的各项力学特性均随着剪切加载方向的偏转呈现规律性变化,当应力路径处于加荷区,随着应力路径顺时针偏转,钙质砂的软化程度和抗剪强度逐渐增大、剪胀性降低、颗粒破碎程度增大、峰值内摩擦角减小。而应力路径处于卸荷区时,钙质砂破坏具有突然性,颗粒破碎程度也较大。存在“0初始应力影响”应力路径分界线,使得初始平均有效应力对其两侧应力路径区域内体变的影响完全相反。基于分形理论建立了不同初始平均有效应力、固结方式和剪切路径下预测相对颗粒破碎指标B_r值的经验公式,并揭示了应力路径和颗粒破碎耦合作用对钙质砂剪切行为的复杂影响机制。根据试验结果,应用广义加性模型(generalized additive model,简称GAM)推导了考虑颗粒破碎和应力路径影响的强度包线,可作为预测钙质砂在不同应力路径下峰值强度的依据。     

循环荷载作用下黏弹性地基一维固结性状研究

针对单层黏弹性地基模型,对循环荷载作傅立叶级数展开,由固结方程求得循环荷载作用下不透水（透水）边界饱和软黏土一维固结解析解。通过不同渗透系数、黏滞系数和弹性模量以及黏弹性与弹性不同地基模型比较等对有效应力的影响,进行了固结性状分析。结果表明、在循环荷载作用下地基中各点的有效应力并不随荷载的变化而同步变化,而是按一定规律滞后发展;有效应力最终达到一个稳定状态,每一个加载卸载循环下有效应力幅值在一个振荡周期的平均值变化趋近于0;软黏土的流变特性对固结的影响主要发生在中、后期。     

杭州湾浅层储气砂土应力路径试验研究

利用GDS非饱和三轴试验系统开展了杭州湾储气砂土主动压缩、被动压缩、主动伸长与被动伸长等4种应力路径试验研究,以论证应力路径对非饱和砂土的变形性状与强度特性影响。结果表明,在卸荷应力路径被动压缩与被动伸长下非饱和砂土的应力-应变曲线呈明显的应变软化性状,而加荷应力路径主动压缩与主动伸长则分别表现为轻度应变软化及显著应变硬化变形特征;非饱和砂土的强度参数在卸荷与加荷应力路径中也存在差异,前者的有效凝聚力高于后者,而内摩擦角则相反;但其表观凝聚力与基质吸力关系在不同应力路径下均可用乘幂函数 有效描述,而试验参数a、b值不同,公式 可合理地用于表述非饱和砂土的强度特性。     

The effects of unloading on drained cyclic behaviour of Sydney sand

New excavation or tunnelling affects the stress state of soils in ground. The change of stress state due to excavation may affect the cyclic behaviour of soils. Cyclic loading, such as traffic and earthquake loading, induced ground deformation may be greater than expected if such effect is not considered. A series of cyclic triaxial tests were performed on Sydney sand with different relative densities. The effect of unloading sequence on deformation of the sand under cyclic loading was simulated by reducing lateral stress in steps between loading cycles. The dependence of strain accumulation on the magnitude of confining pressure reduction and on unloading stress paths was studied. The results indicate that the sand has a memory of stress history and the stress history of such unloading enlarges the strain accumulation during the subsequent cycles, and the greater the reduction of lateral stress, the greater the accumulated strain. Under cyclic loading, the accumulated axial strain could increase nonlinearly or linearly with the ratio of unloading magnitude to initial mean effective stress, depending on the stress state before cyclic loading. The unloading stress paths have limited effects on the final accumulated strain if the initial and final stress states are the same. The variation of strain accumulation direction attributes to the change of average stress ratio resulting from lateral stress reduction, but hardly depends on relative density and unloading stress paths. The strain accumulation direction after unloading roughly agrees with the modified Cam Clay flow rule.

     

砂性土成拱应力释放特性的模型试验及数值模拟研究

通过室内模型试验研究了卸荷尺度及孔隙率对砂性土成拱应力释放特性的影响,并应用离散元分析软件PFC2D进一步对颗粒摩擦性质影响、成拱后应力场以及位移场变化规律和应力释放分区进行了细观研究。研究发现：（1）数值模拟对卸荷尺度影响因素的研究结果与室内试验一致,应用PFC2D研究砂性土应力释放特性是可行的。（2）应力释放区内竖向应力释放大于应力加载区,而水平应力释放小于应力加载区;侧压力系数在应力释放区内距离卸荷位置越近增量越大,而在应力加载区距离卸荷位置越近增量越小。（3）砂性土摩擦性质会减小土体成拱对应力释放以及侧压力系数变化的影响。（4）应力释放随着卸荷尺度及孔隙率的增大而增大;对于侧压力系数,在应力释放区内随着卸荷尺度或孔隙率的增大而增大,而在应力加载区随着卸荷尺度或孔隙率的增大而减小。     

Numerical simulation of drained triaxial test using 3D discrete element modeling

A discrete element modeling of granular material was carried out using a 3D spherical discrete model with a rolling resistance, in order to take into account the roughness of grains. The numerical model of Labenne sand was generated, and the desired porosity was obtained by a radius expansion method. Using numerical triaxial tests the micro-mechanical properties of the numerical material were calibrated in order to match the macroscopic response of the real material. Numerical simulations were carried out under the same conditions as the physical experiments (porosity, boundary conditions and loading). The pre-peak, peak and post-peak behavior of the numerical material was studied. The calibration procedure revealed that the peak stress of the sand sample does not only depend on local friction parameters but also on the rolling resistance. The larger the value of the applied rolling resistance, the higher the resulting stress peak. Furthermore, the deformational response depends strongly on local friction. The numerical results are quantitatively in agreement with the laboratory test results.     

粗粒土的离心模型试验与数值模拟

岩土工程数值计算中粗粒土常采用邓肯-张本构模型,为了验证该模型在轴向加载、卸载、侧向加载等复杂应力路径条件下的适用性,进行了粗粒土的三轴试验获取其力学特性及本构模型参数;根据相似性原理制作了堆石坝的离心模型试样,并采用与三轴试验同样级配与粒径的粗粒土进行复杂应力路径的堆石坝离心模型试验,试验中通过改变离心加速度模拟加载、卸载,利用上游蓄水模拟坝体的侧向加载;采用ABAQUS对离心模型试验进行三维数值模拟,并研究了模型箱侧壁摩擦系数与土体的初始应力对数值结果的影响。通过比较离心模型试验与数值模拟成果,表明土体的初始弹性模量对计算结果影响较大,初始应力应选择自重作用下的应力场;邓肯-张本构模型能较好地描述堆石坝的加载应力路径,而模拟卸载应力路径有一定的差异,需要改进邓肯-张本构模型中卸载模量的确定方法。     

基于细观统计的砂土摩擦特性与破坏机制研究

砂土是一种典型的颗粒材料,其力学特性和变形机制是细观颗粒在荷载作用下的宏观表现,鉴于砂土具有显著的颗粒性和碎散性,使得对其进行细观颗粒层面的研究非常必要。将土颗粒简化为空间椭球体,假设方向角满足正态分布规律,应用细观统计的方法,从颗粒层面对砂土的摩擦特性和破坏机制进行研究。砂土剪切面上的摩擦特性主要是颗粒在剪切荷载作用下,克服垂直于剪切面应力抬升所遇到的阻力。颗粒运动方向与剪切面滑移方向的夹角可视为单个颗粒的摩擦角,颗粒摩擦角满足与方向角同样的正态分布规律;砂土的剪切破坏是颗粒重排列和应力重分布的过程,该过程中一部分颗粒摩擦角不断弱化,而承载颗粒数量逐渐增多,土体内部应力分布渐趋均匀;随着垂直于剪切面荷载的增大,砂土内摩擦角随之弱化减小,内摩擦角与荷载之间具有对应关系,可进行量化计算。     

适用于砂土循环加载分析的边界面塑性模型

基于临界状态土力学框架,建立了一个适用于砂土排水循环加载的边界面塑性模型。采用了考虑虚拟峰值应力比的偏应变硬化准则,初始加载阶段应力点位于边界面上,反向加载阶段以历史最大屈服面作为边界面,同时实现了对密砂软化现象的模拟和对历史所受最大应力的记忆。边界面采用修正的椭圆形,引入考虑密度与应力水平的状态相关剪胀函数,采用非相关联流动法则和以应力反向点作为映射中心的径向映射准则。模型仅有10个参数,通过常规三轴试验即可确定,并且使用一套参数可以模拟不同围压、密度的单调和循环加载情况。分别对饱和砂土的单调、循环排水三轴试验进行模拟,结果表明,该模型能够合理地反映饱和砂土排水条件下的应力-应变特性。     

基于抗转模型的颗粒材料宏−细观关系研究

接触模型的宏?细观参数标定是成功使用离散元方法的关键。在离散元的接触模型中线性接触模型与抗转线性接触模型均可用于模拟砂性土的力学行为,其中抗转线性接触模型在模拟密砂的剪胀性方面具备优势。采用抗转线性接触模型对室内密实砂土三轴试验进行了离散元模拟,验证了抗转线性接触模型的可靠性;进而系统分析了颗粒间摩擦系数、刚度比和抗转动系数等细观参数与砂土峰值内摩擦角、残余内摩擦角、峰值剪胀角等宏观参数的相关关系并进行了验证;揭示了偏应力作用下,细观参数对密实砂土试样内部剪切带宽度与倾角变化的影响规律,提出了考虑剪胀角的剪切带倾角经验公式。通过研究建立了抗转线性接触模型宏?细观参数的量化关系并给出了标定参数的具体流程图,提出了快速标定宏观参数的方法并应用实例进行了验证,为采用抗转线性接触模型精准模拟密实砂土的力学特性提供依据。     

Strength criterion for cross-anisotropic sand under general stress conditions

By incorporating the fabric effect and Lode’s angle dependence into the Mohr–Coulomb failure criterion, a strength criterion for cross-anisotropic sand under general stress conditions was proposed. The obtained criterion has only three material parameters which can be specified by conventional triaxial tests. The formula to calculate the friction angle under any loading direction and intermediate principal stress ratio condition was deduced, and the influence of the degree of the cross-anisotropy was quantified. The friction angles of sand in triaxial, true triaxial, and hollow cylinder torsional shear tests were obtained, and a parametric analysis was used to detect the varying characteristics. The friction angle becomes smaller when the major principal stress changes from perpendicular to parallel to the bedding plane. The loading direction and intermediate principal stress ratio are unrelated in true triaxial tests, and their influences on the friction angle can be well captured by the proposed criterion. In hollow cylinder torsional shear tests with the same internal and external pressures, the loading direction and intermediate principal stress ratio are related. This property results in a lower friction angle in the hollow cylinder torsional shear test than that in the true triaxial test under the same intermediate principal stress ratio condition. By comparing the calculated friction angle with the experimental results under various loading conditions (e.g., triaxial, true triaxial, and hollow cylinder torsional shear test), the proposed criterion was verified to be able to characterize the shear strength of cross-anisotropic sand under general stress conditions.     

复杂加载条件下珊瑚砂抗液化强度试验研究

循环加载方式与应力路径对砂土的抗液化强度有很大的影响。利用GDS空心圆柱扭剪仪对南海珊瑚砂进行了一系列复杂加载条件下均等固结不排水循环试验,探讨了90°突变应力路径下主应力方向角对珊瑚砂抗液化强度的影响。试验结果发现：以循环应力比（CSR）作为应力水平指标,当不控制中主应力系数b的变化时,主应力方向角 对珊瑚砂的抗液化强度并无显著影响;当控制b始终保持0.5时,珊瑚砂的抗液化强度随着 的增加呈现出先减小后增大的趋势,且在 45°时的抗液化强度最低。基于分析循环荷载引起的土单元大、小循环主应力 、 变化,定义了单元体循环应力比（USR）作为一个新的物理指标,发现不同循环加载方式与应力路径条件下施加于珊瑚砂试样的USR与引起液化所需的循环次数NL存在事实上的唯一性关系。通过引自文献的4种无黏性土原始试验数据的再处理,独立地验证了以USR表征砂类土液化强度的适用性。