冻融循环对兰州黄土渗透性变化的影响

在季节冻土区, 周期性的冻结与融化持续改变着土体内部结构, 土的孔隙率与渗透性也随之产生相应的变化. 针对这一现象进行了原状黄土和重塑黄土的冻融循环试验和冻融循环后的渗透试验. 结果显示: 随着冻融循环作用的进行, 原状黄土与重塑黄土干密度的变化趋势都是先增大后减小, 然后趋于稳定. 由于渗透系数与干密度呈负线性关系, 所以随着冻融循环次数的增加, 原状黄土与重塑黄土的渗透系数都是先减小后增大, 最后在4×10^-4~6×10^-4 cm·s^-1之间趋于一个稳定值. 因为重塑黄土是扰动土, 土结构中的颗粒大小较为均匀, 而原状黄土的土结构中颗粒大小不均匀, 导致重塑黄土的渗透系数始终大于原状黄土.     

膨胀土和黄土的细观结构及其演化规律研究

应用CT-三轴仪,系统地研究了河南南阳靳岗村和陶岔渠坡的膨胀土、宁夏扬黄扶贫工程11号泵站Q3黄土和陕西蒲城电厂Q2黄土在多种应力路径、湿干循环、浸水膨胀、浸水湿陷过程中的细观结构演化特性,取得了大量CT图片和数据资料。研究结果表明：膨胀土和黄土的各种宏观力学反应与它们的细观结构变化及其CT数据是密切相关的;原状膨胀土在加载和侧向卸荷过程中以及重塑膨胀土在无载湿干循环过程中裂隙萌生扩展,结构损伤;而具有初始裂隙的重塑膨胀土在加荷过程和三轴浸水过程中裂隙均趋于闭合,细观结构得到修复;原状黄土在加载过程中细观结构的变化趋向与吸力和围压水平有关;在一定应力状态下浸水,原状黄土中的空洞和裂隙逐渐减小以至消失,并可能形成新的均质结构;较高应力单独作用或低应力下浸水都不能使大孔隙破坏。依据CT数据,定义了描述膨胀土和黄土细观结构的定量指标,提出了这两种土在多种工况下的细观结构演化方程,建议了一种确定土的结构屈服应力的新方法。CT技术使土的细观结构研究达到了定量阶段,建立土的结构演化方程和结构性本构模型有了实在的试验基础。     

原状与重塑黄土冻融过程渗透特性对比试验研究

通过冻融条件下西安Q₃原状和重塑黄土的电镜扫描观测和三轴固结渗透试验,对比分析了冻融作用对原状和重塑黄土渗透特性的影响规律。结果显示:冻融条件下原状与重塑黄土微观结构均发生明显变化,土体胶结连接强度变差且颗粒排列更加松散,孔隙比增加,渗透性增强。冻融作用对原状和重塑黄土表面结构破坏均较严重,但原状黄土表面结构破坏程度较重塑黄土更为强烈;冻融过程产生的裂缝使得土中水分渗流和迁移的通道形成,导致原状与重塑黄土体渗透性增强。冻融条件下原状与重塑黄土渗透系数随含水率增加均先增大后减小,表现出抛物线变化特征;渗透系数随冻融次数增加均先增大然后趋于稳定,表现出指数增大特征;渗透系数随围压增大均先减小然后趋于稳定,表现出指数下降特征;相同条件下原状黄土渗透系数高于重塑黄土;原状与重塑黄土渗透系数差异随围压增大逐渐减小。     

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。     

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。     

考虑细观结构演化的非饱和Q_3原状黄土弹塑性本构模型

Q_3原状黄土是典型的非饱和土,具有明显的结构性,其力学变形特征与结构性密切相关。建立黄土的本构模型有必要考虑加载和湿陷过程中结构演化特征,才能真实地反映原状黄土的固有特性。假设原状黄土的屈服应力是重塑黄土与结构性两者的耦合,基于细观结构演化规律,考虑吸力和结构性的影响,提出了一个非饱和Q_3原状黄土的弹塑性本构模型。模型包括土骨架变形与水量变化两个方面,土骨架变形方面以修正Barcelona非饱和土弹塑性模型为基础,引入通过CT三轴试验获得的Q_3原状黄土加载-湿陷过程中的结构演化方程,分别得到描述土骨架在加载和湿陷过程的本构模型,以突出加载和湿陷过程中结构性对变形的影响;水量变化方面则采用广义土-水特征曲线描述,以反映净平均应力和偏应力对持水性的影响。模型总计22个材料参数,均可由试验确定。通过对比若干试验数据与模型计算结果,初步验证了模型的合理性。建立的考虑结构性的弹塑性本构模型为深化认识黄土力学特性提供了可能,并为有效分析黄土地基湿陷变形提供了一定借鉴。     

不同胶结剂人工结构性黄土的力学特性差异研究

黄土是一种具有显著结构性的土,由于原状黄土存在非均匀性、各向异性、原位取样扰动性以及试验重复变异性等因素,如何人工制备一种结构性黄土,能真实地反映原状黄土的力学特性,值得研究。针对已有向重塑黄土中添加水泥、石灰和新型岩土添加材料路液来制备结构性土的这些方法,研究了不同添加剂对人工结构性黄土的力学特性影响的差异性。研究结果表明：路液作为添加剂制备的结构性土随路液含量的增大,结构强度先增大后减小,不同于水泥和石灰随添加量增大、抗剪强度持续增大这一特点;在不同围压下,添加路液制备的结构性土,其应力-应变曲线演化规律较符合原状黄土的力学特性;3种添加剂制备的结构性土抗剪强度随含水率变化具有陡降区和平缓区的差别,在含水率小于塑限的陡降区,抗剪强度急剧降低,而在平缓区变化缓慢,趋向于重塑土;不同添加剂对人工结构性黄土摩擦角φ的影响较小,但对黏聚力c影响显著。研究成果有助于认识常用胶结剂对土力学性质改变的特性,也可为制备设定力学参数的人工结构性黄土的技术提供理论与技术指导。     

考虑含水率影响的结构性黄土临界状态模型

根据不同初始含水率原状黄土结构性演化规律,基于临界状态土力学理论,以应力、初始含水率和应变为基本变量,提出了一个可以反映原状黄土结构性演化规律及软化特性的临界状态本构模型。模型通过对比不同初始含水率下重塑与原状黄土等向压缩曲线,建立了不同含水率下原状黄土的结构性参数及其演化方程。此外,模型采用非相关联流动法则,以剪胀方程的形式来求解塑性偏应变。模型共计9个材料参数,均可由压缩试验和常规三轴剪切试验求得。通过与已有试验数据的对比发现,本模型不仅可以较好地体现初始含水率对原状黄土结构强度、变形特性以及结构破坏规律的影响,而且能较为合理地预测原状黄土的硬化及软化特性。所建立的结构性黄土临界状态模型为深化黄土力学特性研究提供了可能,同时为有效计算黄土地基湿陷变形提供了一定的理论依据。     

结构性对非饱和Q_3黄土强度和屈服特性的影响

为研究结构性对黄土强度特性和屈服应力及屈服吸力的影响,以兰州非饱和原状Q3黄土及其重塑土为研究对象,利用非饱和土四联直剪仪和改进型非饱和土三轴仪进行了一系列的非饱和土直剪和各向等压加载以及三轴收缩试验。试验结果表明:原状黄土及其重塑土的黏聚力和内摩擦角均随吸力的增加呈线性增长趋势,吸力越大,抗剪强度越高;Q3原状黄土具有较高的结构性,其抵抗外力破坏的能力较高,而重塑土土粒之间结构比较松散,因此,原状土的抗剪强度要高于重塑土,尤其在低吸力和高含水率情况下;定义了黏聚力结构参数cM和内摩擦角结构参数M?,得到了黏聚力耦合值*c和内摩擦角耦合值*?随吸力变化的拟合公式,为实际工程抗剪强度指标的选取提供另一种尝试;原状黄土的屈服应力和屈服吸力均大于重塑土,在p-s平面上原状黄土的弹性区要大于重塑土;两种土的屈服应力之差随着吸力的增大而线性增大,屈服吸力趋近于一常数,受净平均应力的影响较小;试样屈服前,原状黄土较强的结构性导致其变形要小于重塑土,试样屈服后,两者变形差别不大。试验结果为进一步建立结构性模型提供了试验基础,也为黄土地区工程建设提供了参数依据。     

海相沉积软黏土的弹塑性本构模型研究

在深入探讨海相沉积原状软黏土压缩、变形等力学特性和详细分析加载屈服面随荷载情况变化的基础上,确认了海相沉积原状软黏土的强度、变形特性与结构屈服应力密切相关。即当固结压力小于结构屈服应力时,其力学特性与超固结重塑土的力学特性类似;当固结压力大于结构屈服应力时,其力学特性与正常固结重塑土的力学特性类似。为描述海相沉积原状软黏土的上述力学特性,将姚仰平等提出的超固结重塑土本构模型引入到海相沉积软黏土弹塑性本构模型的构建中。在本构模型构建过程中,考虑了海相沉积原状软黏土具有的抗拉强度及其演化规律,软黏土强度包线的特点及其进一步修正的表达式,使模型更符合海相原状软黏土的强度、变形特性。最后,将3种不同海相沉积软黏土固结排水剪切试验得到的应力-应变-体变曲线与模型预测结果进行对比。比较结果显示,本文提出的弹塑性本构模型能很好地描述海相沉积原状软黏土的剪缩硬化、剪胀软化以及变形的应力水平依存性等力学特性。     

考虑结构性的原状黄土应力-应变关系的探讨

土体的结构是其强度、变形的内在决定因素,黄土的结构性由黄土颗粒之间的联结结构强度和摩擦结构强度所决定。由此,提出了黄土静力结构性参数即联结结构静力强度势参数m? 1、摩擦结构静力强度势参数m? 2以及结构静力强度势参数m? 。这些结构性参数具有明确的物理意义,既能反映黄土的综合结构性,又能分别反映黄土联结结构性和摩擦结构性。分析了静三轴应力条件下黄土的应力-应变特性以及黄土静力结构性参数的变化规律,建立了考虑黄土结构性的原状黄土应力-应变关系式,从而可以由结构性最弱的饱和重塑黄土的应力-应变曲线,通过结构参数模拟得到考虑结构性的原状黄土的应力-应变关系曲线。利用考虑结构性的原状黄土应力-应变关系式可整理计算出原状黄土的强度指标c、初始切线模量Ei、破坏比Rf、应力水平S以及切线弹性模量Et等参数,可应用于静荷载作用下黄土应力-应变有限元分析计算。     

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。     

考虑微结构特征的黄土动力特性影响因素研究

选取1920年海原地震震中滑坡密集分布区宁夏回族自治区西吉县庞湾乡的黄土,分别进行了不同围压,不同含水率条件下的原状、重塑土动三轴试验。结合动三轴试验前后的微观变化图像,探讨围压和水分对黄土试样土颗粒的作用机制,从微结构的角度阐释了两者对黄土动力特性影响的特点。研究结果表明:所取试样动剪切模量与动剪应变的关系可以用H-D模型的推导式拟合,随含水率增加,围压减小,参数a,b值增大;水分在原状试样和重塑试样的作用不同,随着含水率的增加,动剪切模量降低,阻尼比增大,原状试样动剪切模量和阻尼比的变化速率先快后慢,而重塑试样相应值的变化速率先慢后快;除了水分和围压等外在条件的影响,土样本身土体的微观特征如孔隙分布、颗粒大小、粒间间距、联结方式、密实程度等因素对土体动剪切模量和阻尼比等宏观特性产生重要影响。     

考虑结构性的冻融作用对黄土湿陷系数的影响

结构性是黄土的基本属性,黄土的湿陷特性与其结构性之间有着必然的联系。针对冻融作用对不同结构性黄土湿陷性的影响,以水泥作为模拟土颗粒间的联结材料制备了人工结构性土,开展了不同水泥含量的人工结构性土与相应的原状土、重塑土的湿陷试验,分析了结构性、冻融作用、初始含水率、湿重度及荷载大小对湿陷系数的影响规律。试验结果表明：冻融前后,人工结构性黄土的湿陷系数均比原状土、重塑土的湿陷系数小,且随着水泥含量的增加,湿陷系数有所减小;冻融之后,各土样的湿陷系数几乎均有所增加,但增加的程度和土样初始结构、含水率、干密度（压实系数）及竖向荷载关系密切,尤其当含水率接近最优含水率和土样为重塑土或水泥含量较低的人工结构性土时,冻融后湿陷系数增大幅度显著。在标准荷载200 kPa下,冻融前后原状土、重塑土的湿陷系数与其湿重度之间基本呈较好的线性负相关关系,而人工结构性黄土湿陷系数与湿重度之间并不呈线性关系;竖向荷载为50 kPa时,重塑黄土和5%水泥含量黄土的湿陷系数与冻融次数之间存在着较好的对数关系。以水泥作为土颗粒间联结材料,制备的人工结构性土是否能很好地代替原状土反映结构性黄土的湿陷特性,还需更进一步深入研究。     

磐安结构性黄土动阻尼特征及其演化规律研究

地震作用往往会导致结构性黄土动强度的衰减,引发黄土滑坡、振陷等一系列地质灾害,而强度的衰减与其阻尼特性密切相关,因而结构性黄土的动态阻尼特征及其演化规律问题是岩土工程抗震的重要研究课题之一。为此,以天水磐安结构性黄土为研究对象,开展了天然、饱和条件下原状黄土和重塑黄土的动力学特性试验。在试验基础上,分析并比较了黄土的动模量、动阻尼响应特征及其演化规律。研究表明:天然、饱和条件下原状黄土和重塑黄土的动应力随动应变的增大而增大,动模量随动应变的增大而减小,动阻尼比随着动应变的增大而增大;受黄土结构性的影响,原状黄土的最大动模量比重塑黄土的稍大,原状、重塑黄土的最大动模量比饱和原状、饱合重塑黄土的稍大;黄土结构性较强时需要考虑试样固结应力对阻尼比的影响,饱和重塑黄土可以忽略试样固结应力对阻尼比的影响。     

天水黄土结构性变化诱发滑坡敏感性分析

黄土高原地区黄土滑坡频频发生,尤其是近年来极端气候条件增多,集中强降雨导致甘肃天水地区黄土滑坡群发.2013年8月,在经历一周持续降雨之后,天水地区产生了大量的黄土滑坡以及黄土-泥岩接触面滑坡.黄土地区滑坡发生后一些滑坡的复活往往与黄土的结构性存在紧密联系.选取天水花南村滑坡后壁黄土为研究对象,利用GDS三轴仪对滑坡区黄土原状样和重塑样进行了固结不排水三轴压缩试验.试验结果表明,原状黄土表现出明显的应变软化特征,而重塑黄土的应变软化现象急剧减小,二者的孔隙水压力变化特征也有差异.同时基于三轴试验结果,绘制了原状黄土和重塑黄土的应力路径图,应力路径图再次证实了重塑样应变软化减小的现象.孔隙水压力随轴向应变变化图中可见,剪切初始阶段,重塑样的孔隙水压力增加较原状样更为迅速,对于滑坡的诱发更加敏感.     

基于PFC3D的黄土三轴试验细观参数敏感性分析

从细观角度出发,研究各细观参数对黄土三轴试验宏观力学响应的影响,基于三维离散元PFC3D软件及理论,结合室内三轴试验结果确定数值模拟基本细观参数取值范围,在50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa围压下对三轴试样进行颗粒流模拟,通过改变各细观参数值对黄土数值试样宏观力学行为影响程度及正交试验设计的方式,开展黄土三轴数值模拟过程中摩擦系数、孔隙率、颗粒刚度比k_n/k_s、颗粒粒径分布的敏感性分析,建立土体细观参数与宏观力学的关系式。结果表明:不同围压下数值试样峰值强度和剩余强度均与摩擦系数正相关,与颗粒刚度比、孔隙率负相关,而颗粒粒径分布的变化对其影响均小于2%。低围压下(50 kPa),孔隙率对数值试样峰值抗剪强度和剩余强度影响最大,颗粒刚度比次之,高围压下(200 kPa),摩擦系数对数值试样强度的影响比颗粒刚度比更为显著;对数值试样的初始线弹性模量和应变软化特性影响最大的细观参数为孔隙率,刚度比次之,颗粒粒径分布最小,200 kPa围压下正交试验分析结果与数值分析结果一致。通过改变细观参数取值范围的方式系统地分析了其对黄土三轴试验宏观力学性能的影响,为今后离散元软件用于黄土室内试验研究提供了参考。     

结构性软土渗透特性研究

本文对原状软土和重塑软土进行渗透特性试验,考察了饱和软土的渗透特性。原状样加载初期,渗透系数变化较小,当固结应力大于结构屈服应力时,渗透系数急剧下降,而结构屈服应力前后阶段的孔隙比与渗透系数对数坐标的直线关系没有发生变化,说明胶结对渗透性的影响较小。重塑土的渗透系数在加载过程中变化相对较小。试验结果表明,相同孔隙比时原状土渗透系数要明显大于重塑土。这是由于两者的组构不一样,即原状样的大颗粒和凝聚体间的大孔隙以及历史上形成的土颗粒的排列使其渗流通道要比重塑土通畅。用相同重塑方式制样得到的不同含水量土样,其渗透系数值相近;而用不同重塑方式制样得到的相近含水量土样,其渗透系数相差相对较大。确定饱和软粘土渗透性时要考虑孔隙比和组构的影响。     

基于微结构失稳假说及广义吸力理论的黄土体变模型

针对原状非饱和及饱和黄土的体积变形问题,提出了一个复合体计算模型。该模型将黄土看作由各自均匀分布于土中的原状部分和扰动部分组成的,这两部分土体的体积比率,可由黄土结构的微观几何模型、孔隙率密度曲线及考虑广义吸力的微结构失稳条件计算得出。假设原状部分仅发生弹性变形,扰动部分符合重塑土的变形规律。复合体的应变增量包括原状部分的弹性、重塑土的塑性及结构崩塌3部分;其中：结构崩塌变形特指微结构失稳时原状土体的孔隙率突然变为重塑土的孔隙率;重塑土的体积应变形采用广义吸力理论计算。采用不同的初始饱和度的黄土结构强度计算出非饱和土微观结构刚度与饱和度的函数,从而获得非饱和土黄土微观结构失稳的判别条件。分别计算了低含水天然非饱和及饱和黄土的压缩曲线,并与试验结果对比说明了模型的合理性。     

晋中马兰黄土的K0固结特性

静止土压力系数K₀描述土体的原位应力状态,是许多工程计算的重要参数。本文通过等应变速率K₀固结试验,研究原状和重塑马兰黄土的K₀变化规律,并探讨这种变化与内部结构的关系。结果表明：(1)原状和重塑马兰黄土的K₀均不是恒定值,根据土体结构的变化,其固结过程可分为初始阶段和稳定阶段。初始阶段K₀(以K_0i表示)随含水率的增加呈线性增长,稳定阶段K₀(以K_0s表示)随含水率的增加呈双曲线增长,且K_0s始终大于K_0i。(2)原状马兰黄土的K_0i小于重塑马兰黄土,原因在于原状马兰黄土具有很强的簇聚结构,这种竖向结构弱化了水平应力的增长;而重塑马兰黄土趋于均质,呈各向同性,进而导致较高的K_0i。(3)稳定阶段,原状马兰黄土的初始结构被破坏,与重塑马兰黄土近似,使得两者的K_0s相近。(4)相较于其他类土,原状马兰黄土的...