循环荷载下加固土体孔压的模糊正交试验分析

针对地铁循环荷载下加固软粘土的孔隙水压力发展规律,对上海地铁4号线宝山-海伦引导段隧道周围的加固软黏土进行室内GDS循环三轴试验。结合重复正交设计法安排试验,借助模糊数学的理论与方法处理试验数据,充分考虑了振动频率（0.5、1.5、2.5 Hz）、动应力幅值（20、30、40 kPa）、固结比（1、1.4、2）以及超固结比（1、1.5、2）对土体孔隙水压力的影响。研究结果表明:振动频率、动应力幅值、固结比及超固结比对加固软黏土孔隙水压力的影响率分别为0.722、15.821、0.944及6.628;这说明影响加固软粘土孔隙水压力变化的主要因素是动应力幅值及超固结比,而固结比和振动频率的影响不显著。     

循环荷载下砂土液化特性颗粒流数值模拟

利用PFC2D常体积循环双轴试验条件,对砂土在不排水循环荷载作用下的液化特性进行了颗粒流数值模拟,数值模拟按等应力幅加荷方式进行。颗粒流数值模拟的优点在于得到试样液化宏观力学表现的同时,通过不同循环加荷时刻试样内细观组构参量（包括配位数、接触法向分布、粒间法向接触力、粒间切向接触力）的演化规律,分析砂土液化过程中细观组构变化与宏观力学响应之间的内在联系,从而可进一步探讨砂土液化的细观力学机制。数值模拟研究结果表明,砂土液化现象在宏观力学表现上反映为超静孔隙水压力的累积上升和平均有效主应力的不断减小,在细观组构上对应于配位数的累积损失和粒间接触力的不断减小。砂土液化细观机制分析表明,试样配位数的减少与循环加荷过程中组构各向异性滞后于应力各向异性有关。     

基于耗散能量的饱和黄土动孔压模型

通过一系列不排水动三轴试验探究了饱和黄土振动液化过程中孔隙水压力和累积耗散能量的演化模式,并讨论了围压、动应力幅值和固结应力比对其演化过程的影响。结果表明：饱和黄土的孔隙水压力和耗散能量随着循环荷载作用逐渐累积。固结围压抑制孔隙水压力增长而消耗更多能量;更大的动应力幅值使得孔隙水压力增长更快而消耗能量更少;等压固结下,孔隙水压力增长至围压从而触发初始液化,而偏压固结下,通常先达到振动液化应变标准而孔隙水压力并没有增长至围压水平,并且固结应力比越大,液化时孔隙水压力越小,消耗能量也更少。归一化孔隙水压力u/σ₀’与累积耗散能量W/W_f之间关系受围压、循环应力比和固结应力比影响较小,可统一用双曲线模型表示。     

考虑循环变温的软土热固结模型

在能源岩土工程发展需求背景下,土体工程特性的温度效应研究受到了国内外学者的广泛关注。针对现有关于循环变温热固结理论研究的不足,提出考虑循环变温条件下土体先期固结压力随温度循环次数变化的关系式,计算多次循环变温后软土的固结压缩量。在此基础上,推导考虑循环变温的太沙基固结修正公式,分析整个循环变温过程中孔压和固结沉降的变化规律。最后通过与单元体测试结果进行对比,验证该计算模型的可靠性。研究结果表明,在循环变温和瞬时荷载的耦合作用下,土体的沉降变形和孔压随温度循环次数的变化而变化,且影响程度与循环次数相关;新型热固结模型为涉及循环变温的岩土工程问题分析提供了一定的理论支撑。     

循环荷载对粉质黏土力学性质的影响

通过等压固结静、动三轴试验,研究了渤海湾粉质黏土在循环荷载作用下的动力性质和循环荷载后不排水静力性质。试验结果表明,循环应力幅值比越大,平均轴向应变和轴向应变幅值越大;循环应力幅值比达到0.4时,平均轴向应变和轴向应变幅值随着循环周数增加迅速增大;循环应力幅值比相同,固结应力越大,轴向应变幅值越大,而平均轴向应变越小。在较大的循环应力幅值比下,平均孔压比值和孔压幅值比值随着循环周数的增大会达到稳定;循环应力幅值比越大平均孔压比值和孔压幅值比值均越大;相同循环应力幅值,固结应力越大平均孔压比值越小,而固结应力对孔压幅值比值影响较小。循环荷载的作用会导致循环荷载后不排水剪在q-p’平面上有效应力路径和孔压发展表现出超固结土的性质。     

主应力轴旋转下K0固结饱和粉质黏土孔压及变形特性试验研究

主应力旋转将加速孔压和塑性应变的累积,影响土体的力学特性。为研究主应力轴循环旋转对 固结饱和粉质黏土孔压和变形的影响,利用GDS-HCA试验系统开展了不同应力路径的 固结饱和粉质黏土不排水循环三轴试验和循环扭剪试验,研究了主应力轴循环旋转对 固结饱和粉质黏土累积塑性应变、孔压等动力特性的影响。结果表明：动剪应力幅值、心形应力路径所包围的面积、循环偏应力幅值等均随循环剪应力比和循环动应力比的增大而增大。试样未发生破坏时, 固结饱和粉质黏土的孔压比随着振动荷载作用次数的增加而增大;当试样发生破坏时,孔隙压力迅速消散,孔压比急剧下降。循环扭剪试验时试件产生的轴向累积塑性应变始终大于循环三轴试验产生的累积塑性应变,说明主应力轴循环旋转会加速试件轴向应变的累积。试件的累积塑性应变随循环剪应力比和循环动应力比的增大而增大。循环动应力比越大时,主应力轴旋转造成的轴向累积塑性应变差异越显著。在Monismith幂次函数模型的基础上,建立了主应力轴循环旋转条件时K0固结饱和粉质黏土累积塑性应变方程,并对模型的可靠性进行了分析和验证。     

使用颗粒流方法研究单轴压缩条件下石灰岩中的荷载传递机理

研究荷载在岩石中的传递机理对岩石工程性质研究具有重要意义。本文以石灰岩试样为例,使用颗粒流方法来研究这一传递机理。研究试样大小为50 mm× 50 mm,岩石成分使用圆盘颗粒集合体来表征,颗粒间的接触模型采用平行连接模型,岩石的弹性模量、峰值应力和泊松比分别为44.24 GPa、101.05 MPa和0.267;将大于平均接触力的力链作为强力链,得到了外部荷载下试样中的强力链分布情况,研究了试样局部孔隙率、配位数等细观参数对接触力大小的影响,探讨了颗粒摩擦系数不同时外荷达到峰值应力后颗粒的接触力分布情况。结果表明,在全部颗粒接触点中,只有19.8%接触点的接触力大于平均接触力,但这些接触点应变能却占总应变能的75%;当法向接触力与切向接触力比值大于3.5时,试样峰后应力主要由法向接触力控制;与样品破坏前相比,破坏后样品中的局部孔隙率变化不大,只减少了0.002。     

循环荷载下弱膨胀土累积变形与动强度特性试验研究

弱膨胀土经防水保湿处理后可作为路基填土,而目前对其动力响应特性研究较少。为深入分析合肥地区弱膨胀土动力特性,利用GDS动静态真三轴仪对土体进行循环动荷载试验,研究了不同围压、固结应力比及动应力幅值对土体累积变形及强度特性的影响规律。依据试样在不同围压、固结应力比、动应力幅值下的累积变形,建立了弱膨胀土累积变形预测模型。根据应变速率将弱膨胀土累积应变曲线划分为稳定型、破坏型和临界型,并给出判别标准。分析了不同围压、固结应力比下弱膨胀土动强度变化规律,在固结应力比超过1.5时土体强度明显下降,动黏聚力c_d随循环破坏振次lg N_f增大呈线性减小,动内摩擦角φ_d随循环破坏振次增大略微减小。该试验结果可为相关工程提供基础数据与参考。     

基于离散元数值方法的砂土小应变弹性特性探讨

土体在非常小应变（小于10?6）时表现为线弹性。以往大量试验研究表明,土体的弹性特性主要受到土体有效围压、孔隙比、颗粒级配和试样制备方法等影响。通过离散元方法模拟Duffy和Mindlin中的物理试验,建立球形颗粒规则排列的三维模型,继而进行小变形条件下的数值加载试验来确定弹性特性,并从细观层面揭示决定土体弹性特性的内在因素。模拟结果表明：粒状土的弹性模量取决于土体的颗粒接触配位数、法向接触力的大小和分布,跟宏观土体孔隙比、有效围压作用相对应。弹性模量应力指数n高于Hertz-Mindlin接触法则对应的1/3,主要是由于应力增加过程中配位数的增加和接触力趋于更均匀导致。同时,泊松比也随着配位数的增加而减小,并非保持不变,跟试验结果趋势一致。     

堆石料颗粒形状对堆积密度及强度影响的离散元分析

颗粒形状不仅反映颗粒的形成历史,更是影响堆石料物理力学性能的重要因素之一,值得深入研究。采用颗粒流程序PFC3D,根据实际颗粒形状建立不同球度的颗粒模型,并提出了数值试验中获取不同相对密实度试样的流程。讨论了球度对最大、最小孔隙比的影响,其结论与已有试验统计结果基本相符。分别以孔隙比和相对密实度为密度控制指标,对不同颗粒形状的试样进行等向固结和常规三轴试验,并分析了配位数、颗粒长轴各向异性、接触各向异性、结构各向异性等微观变量的变化规律。结果表明,当颗粒圆度较高且级配均匀时,球度对峰值摩擦角影响较小,主要影响残余摩擦角的大小。颗粒形状发生变化时,配位数影响试样强度但不起决定性作用,颗粒形状主要通过影响试样内接触以及接触力的各向异性程度来影响试样宏观表现。     

应力幅值比对土-结构接触面非共轴特性影响研究

运用80 t大型三维多功能土工试验机（3DMAS）,进行了不同应力幅值比下粗粒土与结构接触面大型三维循环直剪试验,深入分析了应力控制往返椭圆剪切路径下接触面切向位移、非共轴角和剪切柔度等三维力学特性以及应力幅值比的影响规律。应力控制往返椭圆剪切路径下,接触面产生了明显的x向和y向位移、非共轴角和剪切柔度。x向和y向位移幅值、剪切柔度峰值均随循环剪切的进行逐渐减小而后趋于稳定,表现出演化特性。非共轴角受切向应力幅值及切向应力增量方向共同影响,其最值、稳定值随循环周次基本保持不变;正向剪切时非共轴角最大值（最小值）与反向剪切时最小值（最大值）基本出现在同一位置。接触面剪切柔度与非共轴角随旋转角度的变化趋势相反,剪切柔度的增加会抑制非共轴角的发展,反之亦然,两者对立统一。应力幅值比对接触面切向位移间椭圆关系及其时程变化形式、切向应力位移类椭圆关系等影响较小,主要影响切向位移幅值及其偏移程度、切向位移间椭圆关系的长短轴大小及方向、切向应力位移类椭圆关系的长短轴大小、非共轴角的数值及其随旋转角度的变化形式和最值出现位置、剪切柔度随旋转角度的变化形式和峰值及其产生位置等。应力幅值比越大,切向位移幅值越大、向负向偏移越大,剪切柔度峰值越大,随循环剪切的进行减小的速率越慢。应力幅值比ξ_τ=1和ξ_τ≠1时接触面非共轴角和剪切柔度随旋转角度的发展变化形式差别很大。     

紫坪铺面板坝堆石料颗粒破碎试验研究

采用大型三轴仪对紫坪铺面板坝堆石料进行了单调和循环荷载下的固结排水剪切试验,研究了不同孔隙比情况下颗粒破碎及剪胀的变化规律。试验表明：（1）单调和循环荷载条件下,堆石料颗粒破碎率与塑性功之间存在一致的双曲线关系;（2）峰值应力处剪胀率与颗粒破碎率在半对数坐标中呈近似线性关系;（3）峰值应力处主应力比与相应的剪胀率呈近似线性关系,且上述结果受初始孔隙比的影响不大。研究成果有助于进一步了解堆石料的颗粒破碎特点,对建立复杂应力条件下考虑颗粒破碎和状态相关性的弹塑性本构模型,分析紫坪铺面板堆石坝汶川地震破损机制是十分有益的。     

循环剪切荷载作用下软土的力学性状研究

利用从现场取得的原状土样,通过室内动三轴试验对循环荷载作用下的变形、孔压和强度特性进行研究。试验研究主要考虑了周围固结压力、循环剪切应力比、荷载频率和循环次数等因素的影响。研究表明,在循环荷载作用下,孔隙水压力和轴向应变均是一个波动上升的过程。当循环应力比增大时,动孔隙水压力变化幅值显著增加,而残余孔压也较大。同时,孔隙水压力值也随着周围压力的增大而明显增大。当作用荷载频率比较大时,需要更多的循环次数才能达到小频率作用荷载能达到的孔隙水压力值。但是,随着循环荷载作用次数的增加,频率对孔隙水压力的影响有减小的趋势。     

固结作用下粉土的持水性能与细观机制研究

针对传统仪器无法考虑岩土工程中温度和荷载等因素综合作用的缺陷,研制了一套多功能土-水特征曲线试验仪。以粉土为研究对象,开展了不同固结应力作用下粉土的土-水特征曲线试验,并测量其增减湿过程中土体的体积胀缩量,以便修正体积变化对其体积含水率的计算误差。结果表明,粉土在减湿过程中,土体的体积发生明显的收缩。其收缩量与固结应力水平有关,固结应力越小,则减湿引起的体缩量越大。但土体在增湿过程中的体积则基本保持不变。固结应力对粉土 土-水特征曲线的进气值、增减湿速率影响较大,固结压力越大,其进气值越大、减湿速率也越大。最后,为揭示固结应力对土的持水性能的影响机制,开展了不同固结应力作用下土体的细观试验。结果表明,固结应力主要改变了土体团粒间的大孔隙,而对黏土颗粒之间的孔隙影响较小。土体的持水性能与土体的孔隙大小和分布模式密切相关,大孔隙主要影响土体的进气值,而其孔隙分布模式则控制其增减湿湿速率。     

饱和砾性土不排水动力强度及变形特性试验

砾性土的动力强度和变形特性是分析砾性土地基及其构筑物地震永久变形的基础。本文采用大型动三轴仪对饱和砾性土进行不排水循环三轴试验,系统地研究了两种砾性土在循环加载条件下的不排水强度和变形特性,探讨了循环应力比、平均固结应力、固结应力比、初始孔隙比和循环次数对砾性土变形和超静孔压特性的影响。试验结果表明：砾性土的累积轴向应变和超静孔压比随循环应力比、平均固结应力和初始孔隙比的增大而增大,超静孔压比随固结应力比的增大而减小;当循环次数小于20时,固结应力比对累积轴向应变的影响较小,而当循环次数大于20时,累积轴向应变随固结应力比的增大而减小。根据试验结果,建立了考虑平均固结应力、初始孔隙比、循环次数和累积轴向应变影响的不排水动力强度和超静孔压经验模型,其计算值与试验结果比较吻合,说明该模型可以较为准确地描述循环荷载作用下砾性土的不排水动力强度、超静孔压和累积变形的变化规律。     

典型巴东组泥质粉砂岩双轴压缩试验细观组构特征

基于泥质粉砂岩室内双轴压缩试验，建立PFC_2D颗粒流数值模型，以此来探究泥质粉砂岩破坏的细观机理。考虑组成泥质粉砂岩试样的颗粒形状，根据电镜扫描图勾选出5种典型颗粒形状，与圆形颗粒一起生成给定孔隙率的稳定数值试样。颗粒间选用平行粘结接触模型，选取弹性模量、泊松比、峰值应力分别对饱和、天然状态的泥质粉砂岩试样进行不同围压下的细观参数标定，然后进行双轴压缩试验模拟，分析试样在双轴压缩试验过程中颗粒法向接触力、切向接触力、配位数、孔隙率等细观组构参数的分布特征和演化规律。试验结果表明:双轴压缩试验的细观参数标定可不考虑抗剪强度指标黏聚力c和内摩擦角ϕ值的影响。破坏前后，试样各方向统计范围内都存在法向接触力和切向接触力。围压的存在影响试样的起始配位数、孔隙率和试样破坏后的稳定配位数和孔隙率，对配位数和孔隙率的改变速率影响很小。试样空间孔隙率的演化在一定程度上反映了试样破坏时内部结构的变迁，能更加直观地反映试样的破坏模式。      

双向耦合循环剪切条件下超固结饱和海洋黏土孔压与强度特性研究

针对长江口地区的重塑饱和海洋黏土,进行了一系列均等固结条件下的应力控制式轴向-扭转双向耦合循环剪切试验,着重探讨了循环荷载分量比R与超固结比OCR对孔压与动强度特性的影响。试验结果表明,随着R的减小,波动孔压幅值逐渐降低,而残余孔压先降低后升高,R = 1时残余孔压最小。在循环耦合剪切作用过程中,对应相同循环次数,随着OCR的增大,累积孔压变小,而波动孔压幅值却在增大。对应相同循环次数比N/Nf,随着OCR增大,残余孔隙水压力比ur / urmax减小。经归一化处理后ur / urmax-N/Nf关系曲线对于正常固结与超固结饱和黏土可分别用不同的表达式来表达。随着R的降低,破坏循环次数先增大后减小,R = 1时最大。随着OCR的增大,饱和黏土的强度变化减小     

干湿作用下受荷石膏质泥岩的不可逆膨胀特征

为研究干湿作用及应力状态对石膏质泥岩膨胀性的影响,采用自行设计的试验装置对采自平-绵高速公路天水2号隧道的原状岩样进行荷载耦合的干湿循环试验,就循环过程中及干湿循环后泥岩的宏观膨胀规律和细观膨胀机制进行分析。研究结果表明：（1）该试验装置可以实现干湿循环与特定应力状态（侧限压缩）的全过程耦合,且试样无自由表面,与地下岩体真实赋存状态较为接近;（2）当法向压力小于试样膨胀应力时,第1次吸水后试样有明显膨胀变形,在排水固结后可恢复的变形比例较小,而继续干湿循环,试样的胀缩变形将不再明显;（3）第1次干湿循环后,泥岩内矿物由颗粒胶结状态退化为絮状堆积状态,黏土化趋势明显,膨胀应力下降比例超过80%;(4)增加法向压力虽然可以减小甚至消除干湿循环过程中石膏质泥岩的膨胀变形,但无法抑制其细观结构的劣化;（5）通过有荷载的干湿循环,以一定的围岩变形为代价,可以减弱石膏质泥岩的膨胀性,但需要注意干湿循环也会降低石膏质泥岩的抗剪强度。上述结论对于石膏质泥岩地区隧道建设及地质灾害防治具有一定的指导作用。     

海相沉积软土动强度与孔压特性试验研究

以宁波轨道交通1号线②、③和④层海相沉积软土为对象,进行GDS单向振动三轴试验,研究了不同动应力幅值和频率作用下软土的动强度与孔压特性。结果表明：相同动应力状态下,等向固结时的强度要比K0固结时的强度大;在相同动应力幅值条件下,频率越高,强度越高;动应力越大,试样强度越大,发生硬化现象。随着振动次数的增加,孔隙水压力也不断增大,仅③层粉质黏土夹砂层在应力幅值为5 kPa时孔压有稳定趋势。最后,通过对动三轴试验数据进行拟合,得到了模型参数,其结果可以用来预测循环荷载作用下土体的累计孔压。     

砂质混合粘土的孔隙水压力和残余变形特性研究

以砂质混合粘土为例,通过实施不同初始固结比水平的动力循环荷载试验,考察了土的孔隙水压力和残余变形的发生过程。探讨了当将土的不等向固结分为初始剪应力和等向固结两种应力状态时,孔隙水压力和残余变形的预测方法。提出了归一化的孔隙水压力和累积损失能量及残余变形和有效应力比间的关系模型。