成样方法对饱和粉砂不同应力路径下固结排水剪切试验结果的影响

利用应力控制式静力三轴仪,采用干装法和湿装法制备相对密实度50%的饱和粉砂试样,在平均主应力增大(CTC)、不变(TC)、减小(RTC)3种应力路径条件下进行了固结排水剪切试验(CD试验),获得了应力-应变关系、体应变规律以及抗剪强度指标。探讨了实验室常用的干装和湿装两种成样方法对于饱和粉砂试样的不同应力路径的试验结果的影响。试验结果表明:在3种应力路径条件下,干装样均呈应变软化和剪胀现象,而湿装样基本呈应变硬化和剪缩现象;干装样的主应力差峰值均大于湿装样,主应力差峰值的差异最大的是CTC路径;干装法制备试样在RTC路径的剪胀性最强,TC路径次之,CTC路径最弱;干装样的有效内摩擦角均明显高于湿装样;成样方法相同时,CTC路径与RTC路径获得的有效内摩擦角非常接近,TC路径与RTC路径获得的有效内摩擦角亦比较接近。应力路径对试样的有效内摩擦角的影响远小于成样方法的影响。     

干湿循环下饱和红土不排水三轴试验研究

以云南红土为研究对象,考虑干湿循环次数、干湿循环幅度等影响因素,利用TSZ-2型全自动三轴仪,开展干湿循环下饱和红土的不排水三轴试验,研究干湿循环作用对饱和红土剪切特性的影响。试验结果表明:不固结不排水条件下,随干湿循环次数增加和干湿循环幅度增大,饱和红土的应变软化现象增强,应力-应变曲线的初始斜率、孔压峰值增大,剪切峰值、峰值轴向应变、黏聚力、内摩擦角减小;干湿循环次数的影响大于干湿循环幅度的影响。干湿循环下饱和红土剪切特性变化的实质在于红土与水之间的相互作用,包括脱湿过程中水的逃逸作用、红土颗粒的吸附作用、红土体的硬化作用及收缩作用和吸湿过程中水的楔入作用、润滑作用、软化作用及红土体的膨胀作用,干湿循环过程中上述作用不断加深加剧,严重损伤了红土体的微结构,最终改变了饱和红土的不排水剪切特性。     

颗粒-流体耦合算法与饱和土不排水剪切特性研究

在颗粒流方法 PFC~(3D)的基础上发展了颗粒-流体耦合模型。在耦合模型中引入了孔隙度,其可考虑孔隙结构的可变性,并开发了可以考虑孔隙水压力和孔隙结构变化的颗粒-流体耦合计算程序。在此基础上模拟了饱和土的不排水剪切试验,与北京黏质粉土的试验数据及常体积模拟方法进行了对比。结果表明:采用颗粒-流体耦合方法计算得到的结果和常体积法计算结果与北京黏质粉土的试验结果相比均是一致的,验证了耦合算法的可靠性;分析比较了相同计算条件下耦合方法和常体积法计算得到的偏应力及径向应变曲线,研究了不同围压下试样的不排水剪切特性。颗粒-流体耦合计算结果表明:饱和土不排水剪切过程随着围压升高,孔隙水压力和偏应力均升高,而应力比曲线变得平滑,应力比有所降低。     

5种排水条件下饱和重塑黄土三轴剪切特性

为了深化对工程实践中黄土排水状态和影响的认识,通过三轴剪切试验控制应变增量比研究了饱和重塑黄土在不排水、强制吸水、自由排水、强制排水、部分排水5种排水条件下的剪切特性。结果表明,饱和重塑黄土的剪切特性与排水条件密切相关：在不排水和强制吸水条件下,黄土试样表现为应变软化,从广义上讲,在强制吸水条件下试样的剪胀性被强制发挥;在自由排水和强制排水条件下,黄土试样表现出硬化趋势,其中,在强制排水条件下试样的剪胀性受到抑制;在部分排水条件下,黄土试样为应变软化或应变软化到硬化的过渡状态,此时,黄土的剪切特性不仅与应变增量比有关,也受到孔隙比的影响,应变增量比越接近0,试样的软化程度越明显,而试样的孔隙比越小,其在剪切初始阶段的剪胀趋势越明显,试样的峰值强度和残余强度越高。另外,基于渐近状态方程和剪胀方程,量化分析了饱和重塑黄土的渐近状态和剪胀性,发现试样的渐近状态应力比与剪胀程度呈负相关关系。     

浙西饱和红黏土的物理力学特性试验研究

本文在分析浙西红黏土矿物成分与化学成分的基础上,分别用单向固结仪和三轴仪对饱和红黏土原状样进行了一系列的压缩、剪切、蠕变试验,得到其压缩曲线、应力-应变曲线和蠕变曲线。根据测得的压缩曲线,确定了该土的压缩指数Cc、回弹指数Cs,对原状样压缩曲线的归一化整理后判断出原状饱和红黏土的结构性不强;根据三轴排水剪切试验结果,得出原状饱和红黏土在不同围压下因结构性的存在土体具有不同的破坏应力比,计算得到该土的临界状态应力比和黏聚力;根据原状饱和红黏土在不同固结压力下的蠕变试验结果,得到了该土的次固结系数Cα与固结压力关系,并确定了该土的Cα/Cc约为0.0124,本试验结果为浙西地区的工程建设提供了基本参数。     

饱和粉砂土的动三轴排水试验与计算分析

饱和土在理论上一直以两相饱和孔隙介质模拟,利用Biot饱和孔隙介质动力方程纵波解耦的 (u为波动的振幅位移,p为孔隙水压)解答,结合排水的Somigliana表象积分,能够完成饱和土排水动力反应计算,结果也能在野外试验中验证。为了进一步深入研究饱和土排水的动力特性,设计了室内饱和土动三轴的排水试验,以不同状态饱和粉砂土排水状态下试验的结果,阐述了排水理论计算解答与动三轴试验测试结果的对比分析。最后指出修正后的理论解答与饱和粉砂土的试验测试结果较吻合,并在今后饱和土伴有排水的动力响应分析能在饱和土动力学问题研究中有所应用。     

钙质砂特征形状分析及不排水剪切强度研究

钙质砂的形状是影响其宏观力学性质的重要因素。人工挑选出不同特征形状(块状、片状、条状)的钙质砂,通过显微图像采集与处理技术,定义并构建了一个形状参数(偏离度α),对钙质砂的特征形状进行三维定量描述,配制3种不同形状掺量的钙质砂试样进行三轴固结不排水剪切试验,研究钙质砂的特征形状对其剪切特性的影响。研究结果表明：(1)偏离度α能够较好地对钙质砂的形状进行描述及区分,可作为一种量化钙质砂形状的有效手段;(2)钙质砂的不排水剪切强度与偏离度α有较好的相关性：若增加片状钙质砂的含量(α增加),则试样的不排水剪切强度降低,若增加条状钙质砂的含量(α减小),不排水剪切强度增大。研究成果不但加深了对钙质砂特征形状的理解,还为准确评估钙质砂的抗剪强度提供了新思路。     

复杂应力条件下饱和砂土排水剪切强度的试验研究

针对相对密度为30 %的福建标准砂,利用土工静力－动力液压－三轴扭转多功能剪切仪,在不同初始固结条件下控制试验过程的平均主应力保持不变,改变中主应力系数和主应力方向,进行了应力控制式单调排水剪切试验,着重探讨中主应力系数和主应力方向对砂土剪切强度的耦合影响。试验结果表明：在相同的试验条件下,中主应力系数对饱和标准砂的应力-应变关系具有影响,但对体变特性的影响并不明显。上述现象同初始固结应力比的大小无关。平均主应力一定,广义剪应力随中主应力系数增大而降低的趋势同时依赖于主应力方向的作用。中主应力系数对内摩擦角的放大效应同样受到主应力方向的影响。基于广义双剪应力准则,引入考虑主应力方向影响程度的权重系数,结合试验结果给出了考虑中主应力系数和主应力方向耦合影响的强度指标表达式。     

基于数字图像测量系统的饱和细砂渐进破坏特性研究

基于亚像素角点检测的数字图像测量系统能够记录三轴试样表面方块角点的位移,从而获得试样表面每一时刻的局部应变及应变场。分析了试样不同位置的局部径向应变在剪切过程中的变化,获得了以不同初始成样含水率制备的松砂和密砂试样在不同特征时刻的应力与应变的特征值。通过轴向应变场的变化分析了从应变局部化出现到剪切带发育、形成的这一完整的渐进破坏过程,总结了剪切带形成时的局部最大轴向应变特征值,并定性地分析了剪切带内、外土体在渐进破坏过程中不同的轴向应变增长率。试验结果表明：在应变场中试样应变局部化明显,并可以依此确定应变局部化的出现、剪切带的形成;对于密砂及初始含水率为0%制备的松砂试样,应力在应变局部化出现之初即达到峰值,剪切带形成时应力已经开始下降,进入应变软化阶段;以初始含水率为6%和12%制备的松砂试样在达到应力峰值时剪切带已经形成;剪切带内土体的局部轴向应变增长幅度比剪切带外的土体大得多。试样整体轴向应变的增大主要是由剪切带内土体剪切破坏产生的较大轴向应变所致。     

饱和土体原位大型剪切试验方法与实践

由于室内剪切试验结果存在试样结构性扰动和尺寸效应等带来的不确定性问题,且以往的常规原位大型剪切试验是针对天然状态土体,不能获得饱和土体的强度参数,导致岩土结构稳定性分析和工程设计中大多采用反演方法求取强度参数,而很少直接运用这些试验参数.在本次试验方法研究中,试验仪器仍然采用常规的天然土体原位大型剪切试验仪器,针对土体饱和问题,设计了“制样后饱和法”和“饱和后制样法”2种浸水饱和装置,并采用这2套装置在甘肃省黑方台地区进行了7个饱和黄土原位大型剪切试验.结果表明,2种饱和方法都能够使土样饱和,“饱和后制样法”容易达到饱和,试验历时短,但对试样扰动大,甚至导致试样在制样时破坏,试验成功率低;“制样后饱和法”达到饱和历时稍长,对试样扰动小,试验成功率高.与原位天然大剪试验相比,粘聚力c值由44.65kPa下降至17.35kPa,φ值由14.18°降至11.95°;与室内饱和固结快剪相比,饱和黄土原位大剪的c值增加约4kPa,φ值增加3°左右.     

不排水循环荷载作用过程中累积孔压对细砂弹性剪切模量Gmax的影响

在土工结构物地震有效应力分析中,往往采用Hardin经验公式计算动荷作用过程中由于孔压变化对砂土初始弹性剪切模量Gmax的影响,但由于以往试验手段的限制,这种方法的有效性至今没有得到验证。为此,采用多功能三轴仪和压电陶瓷弯曲元剪切波速测试系统,研究了不排水循环荷载过程中孔压对细砂Gmax的影响。试验结果表明,细砂Gmax可由 Hardin型经验公式计算,但材料参数应通过试验确定;不排水循环荷载作用过程中,细砂Gmax随孔压上升而降低,其值可由其实际平均有效应力和固结后的孔隙比通过由试验得到的Hardin型经验公式计算。     

不同围压下饱和砂土不排水循环扭剪试验研究

利用河海大学与日本圆井株式会社共同研制的一种新型的多功能静动三轴仪进行了不排水循环扭剪试验。通过对空心圆柱体试样的动力扭剪不排水试验研究了相同相对密度在不同固结围压下的动力不排水响应。试验初步研究了通过用初始有效平均正应力归一化的有效应力路径,归一化有效应力路径有很好的一致性。如果保持相同的剪应力比,由初始有效平均正应力归一化的有效应力路径不受初始有效平均正应力的影响。     

饱和悬浮塑料砂流动变形可视环剪试验研究

为了分析剪切条件下零有效应力状态砂土的流动变形规律,对传统环剪仪进行了试样可视化改造,研制了透明环形剪切盒,通过对剪切盒膨胀性能分析及与标准砂的剪切试验对比,验证了环剪装置改造的合理性。通过分析不排水条件下饱和悬浮塑料砂的剪应力-应变曲线,发现其剪切强度具有应变软化的特性。通过分析环剪仪中饱和悬浮塑料砂试样的有效应力,证实了可视环剪试验中的土体基本处于零有效应力状态。开展了饱和悬浮塑料砂的流动变形可视环剪试验研究,结果表明：饱和悬浮塑料砂在固结不排水条件下剪切变形不连续,直接在剪切面发生断裂;在不固结不排水的条件下饱和悬浮塑料砂的剪切变形表现出流动形态,且与剪切速率有关：在低剪切速率下,剪切变形仅在剪切面处形成具有曲线轨迹的流动变形而在其他区域不发生变形;而在高剪切速率下剪切变形为整体的倾斜变形,符合黏性流体的流动变形特征。     

基于数字图像相关方法的等应变率下不同含水率砂样剪切带观测

在压缩位移控制加载条件下（加载速率为5 mm/min）,针对不同含水率（12.7%~16.5%）砂样,利用自主开发的基于粒子群优化的数字图像相关方法,开展了最大剪切应变场的观测研究,获取了子区尺寸对砂样不同位置最大剪切应变的影响规律。研究发现,随着砂样含水率的增加,变形更加均匀,最大剪切应变高值区分布变得宽广,反映了剪切带的数目增加,微裂纹出现之前的最大剪切应变提高;随着纵向应变的增加,在应变高值区,最大剪切应变以非线性方式迅速增加,但在应变低值区,一般以线性方式增加。当剪切带出现以后,特别是在变形后期,子区尺寸对最大剪切应变有明显的影响。最大剪切应变随子区尺寸变化的演变规律与子区所处位置密切相关。     

基于数字图像测量技术的砂土剪切带分析

在进行土工试验时,土样端部摩擦效应和初始缺陷都可以引起试样的不均匀变形,进而形成宏观的剪切带。基于数字图像测量技术改进了GDS多功能三轴仪,进行砂土的固结排水三轴试验,获得了试样在不同时刻的应变等值线云图和局部应力-应变全曲线,研究了试样端部的摩擦效应。结果表明,端部摩擦显著地影响试样的力学特性,对径向应变的影响可达10%。通过在砂土试样中放置粉质黏土块的方法获得了宏观不均匀土样,并测试其剪切带的形成过程。测试结果表明,试样在两种材料的界面处形成不连续刚度,引起变形的不均匀发展,进而形成宏观的剪切带而破坏。     

基于数字图像相关法的砂土细观直剪试验及其颗粒流数值模拟

砂土等天然颗粒材料具有的剪胀性、压硬性、各向异性等特殊力学性质受控于其内部的微细结构及其演化,如何利用试验与数值模拟等手段对砂土细观组构进行量化,对深入研究砂土变形机制尤为重要。基于数字图像相关方法的光学测量技术与土工试验相结合的新手段,通过对直剪仪的可视化改造,开发了能初步实现土体宏细观力学性状联合测量的“砂土变形细观瞬时光学测量系统”,并利用该系统对福建标准砂进行了室内细观直剪试验。随后进行了基于颗粒流软件PFC2D直剪数值试验,提取室内试验还难以获得的细观信息,作为对室内试验的补充。通过对宏观力学性质和位移场、应变场、颗粒定向、速度场、颗粒配位数和接触力链等细观的室内与数值试验结果进行剖析,探讨了砂土力学性质的细观机制。     

饱和砂土的剪切波速与其抗液化强度关系研究

根据饱和砂土剪切波速与其抗液化强度的相关性原理,利用剪切波速与振动三轴联合实验装置,进行了控制饱和砂土初始剪切波速的振动液化实验,依据实验结果建立了剪切波速与抗液化强度的定量关系。最后用现场勘查数据对此定量关系进行验证,结果表明：该关系式对实际 66 个未液化地点的判别准确率达到 81.2 %;对 108 个实际液化地点的判别准确率达到 62.8 %;平均判别准确率达到 69.5 %。     

基于数字图像分析的土工合成材料加筋砂土拉拔试验研究

由于加筋土界面作用的复杂性,加筋土工程建设中铺设土工格栅时往往采用经验的方法,很大程度上造成了土工格栅的浪费及工程安全隐患,理清不同填料筋土界面作用的影响范围,有助于确定加筋土结构的合理加筋间距。为了揭示不同填料筋土界面作用的影响范围,采用4种不同类型的砂土与格栅在不同法向应力下进行了一系列的拉拔试验,并结合数字图像量测技术,分析了不同类型砂土下界面剪切带厚度、颗粒位移矢量、格栅拉拔阻力峰值及应变等演变规律。研究表明：界面剪切带厚度H随法向应力σ_v与砂土平均粒径d₅₀的增加而增大,通过多变量拟合的方法,得到了H、σ_v与d₅₀三者之间的函数表达式;格栅在拉拔过程中,砂土颗粒位移矢量以土工格栅为界有着显著的差别,格栅上部的颗粒位移矢量明显大于下部颗粒,且在格栅上下一定范围内会形成颗粒位移矢量集中带;拉拔阻力峰值随σ_v及d₅₀的增加而增大;不同类型砂土各区段的格栅应变均表现出由前向后依次递减的趋势。     

基于数字图像测量的Duncan-Chang模型参数研究

利用三轴土样变形数字图像测量系统进行研究,发现不同测量方式得出的Duncan-Chang模型参数的差别很大。分析得出,数字图像局部变形非接触式测量与传统整体测量方式是导致模型参数存在差异的主要原因。数值算例说明了模型参数差别对位移计算结果的影响程度,变形数字图像测量得到的模型参数K和Kb比传统测量的结果高2~3倍,相应的位移计算结果是传统测量方法模型参数计算得到结果的一半。