A critical state framework for modelling bonded geomaterials

A simple unified critical state constitutive model for bonded geomaterials is presented in this paper. The model, which is called CASM-n, is an enhancement of an existing unified critical state model for reconstituted geomaterials (CASM). Characteristic behaviours of a bonded geomaterial such as the pre-yield higher strength and stiffness and the cohesive–frictional shearing mode in the post-yield region are taken into account and included in the reference model. The salient feature of the proposed model is the incorporation of cohesive component into the stress–dilatancy relationship. Consideration of the contribution of cohesion to plastic flow allows the modelling of delayed dilatancy and softening–contraction behaviour, which are two interesting phenomena observed in bonded geomaterials.     

胶结颗粒接触力学特性测试装置研制

为验证天然结构性砂土离散元模拟中接触模型及其参数的合理性,设计了一套用于理想胶结颗粒成型及实现不同加载条件下接触力学特性测试装置。通过胶结颗粒成型装置在两大小相同的铝棒间形成具有特定几何尺寸的胶结物,随后,采用一系列辅助加载装置实现简单及复杂加载条件下胶结颗粒接触力学特性的测试。试验结果表明：该装置可用于胶结颗粒在不同加载条件下接触力学特性的测试,实测胶结颗粒接触力学响应与天然砂土离散元中接触模型基本相符,且其抗剪和抗扭强度均随着法向压力的增大而增大,在三维应力空间中胶结颗粒强度包线呈椭圆抛物面状。     

Cyclic liquefaction screening of sand with non-plastic fines:Critical state approach

There have been significant advances in the application of critical state,CS,in liquefaction potential assessment.This was done by comparing state parameter,j with estimated characteristic cyclic stress ratio,CSR due to an earthquake.A cyclic resistance ratio,CRR curve,which can be determined from cyclic liquefaction tests,separates historical liquefied and non-liquefied data points(j,CSR).On the other hand,the concepts of equivalent granular state parameter,j*,which was developed for sands with fines,can be used in lieu j to provide a unifying framework for characterizing the undrained response of sands with non/low plasticity fines,irrespective of fines content(fc).The present work combines these two propositions,and by merely substituting j*for j into the aforementioned CS approach to capture the influence of fc.A series of static and cyclic triaxial tests were conducted,separately and independently of the concept of j*,for sand with up to fc of 30%.The clean sand was collected from Sabarmati river belt at Ahmedabad city in India which was severely affected during the Bhuj earthquake,2001.The experimental data gave a single relation for CRR and j*which was then used to assess liquefaction potential for a SPT based case study,where fc varies along the depth.The prediction matched with the field observation.     

考虑物态变化的粗粒土亚塑性本构模型

建立了可描述粗粒土单调和循环力学特性的一个亚塑性本构模型。基于亚塑性理论的基本框架,引入临界状态参数,建立了一个新的粗粒土亚塑性模型,给出了数学公式及参数确定方法。采用该模型对粗粒土单调和循环加载试验进行了模拟和预测。该模型无需判断加卸载、参数较少、易于三维化,能够较全面地描述单调和循环荷载作用下粗粒土的主要力学特性,如强度与围压的非线性关系,胀缩规律与围压相关、卸载体缩、体变随加载过程累积等主要体变特性等。     

应力状态对粗颗粒土静止侧压力系数影响试验研究

土体静止侧压力系数K0随应力状态的变化规律对深入把握其力学性质非常重要。然而,由于适用于粗粒土K0试验仪器及方法较少,对粗粒土K0随应力状态变化规律的研究几乎是空白的。为研究加载和卸载过程中粗颗粒土静止侧压力系数K0随应力状态的变化规律,利用新近研制的大型K0试验仪对某砂卵砾石料和堆石料进行了不同应力状态下的K0试验。K0试验结果表明：颗粒形态、应力状态、级配都对粗粒土K0有一定影响,其中应力状态影响最为明显;加、卸载时粗粒土K0随竖向应力增大呈减小的趋势。通过对K0试验结果进行深入分析,提出了粗颗粒土在加载过程中K0与竖向应力的关系式,并进行了验证。在此式基础上,基于前人总结所得K0与OCR的关系式,总结了一个反映任意固结状态下粗颗粒土K0随应力状态变化的关系式。     

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。     

残积土特殊应力路径的三轴试验研究

利用先进的GDS应力路径三轴仪,探讨了花岗岩残积土在特殊应力路径下的三轴试验特性。做了2种应力路径下的三轴排水剪切试验：平均应力等于常数、偏应力变化的剪切试验以及偏应力等于常数、平均应力变化的剪切试验。试验结果表明：平均应力等于常数的试验其偏应力-轴应变曲线为双曲线型,偏应力等于常数的试验其平均应力-轴应变曲线为幂函数型;发现花岗岩残积土具有剪缩特性,回弹体积模量随偏应力增大而显著提高。     

不同水化状态下的压实膨胀土应力-应变-强度特征

为探讨水化状态对饱和压实膨胀土应力-应变-强度特征的影响,以压实度为95%的荆门弱膨胀土为研究对象,开展了2种典型水化状态下的固结与三轴试验,其中第1种水化状态采用常规饱和方法,第2种水化状态为试样自由膨胀至稳定状态。结果表明：（1）受变形约束条件与渗径的影响,不同水化状态下体膨胀率有较大差别;（2）第2种水化状态下的饱和压实膨胀土具有更大的硬化指数λ与膨胀指数κ、较小的弹性剪切模量,其有效内摩擦角为第1种水化状态下的77.2%,体现出膨胀土饱和强度的变动性;（3）2种水化状态下的固结曲线均呈现出明显的屈服现象,其屈服应力分别为123.2 kPa与94.5 kPa;（4）第1种水化状态下,低围压下试样应变软化与剪胀,高围压下应变强化与剪缩;第2种水化状态下试验围压范围内均发生剪缩和轻微的应变软化;（5）2种水化状态下试样在固结与剪切过程中均表现出超固结性,这种超固结性并非完全由先期固结压力所致,而是试样受荷过程中膨胀受到约束造成的;（6）不同水化饱和状态下初始孔隙比不同,膨胀势也不同,膨胀势与外部约束条件、排水条件、应力状态相互作用,造成其应力-应变-强度特征的差异性。     

考虑水合物胶结厚度的深海能源土粒间胶结模型研究

天然气水合物被公认是解决当前能源危机的潜在新型能源而备受关注。含水合物的海底土体称为深海能源土。水合物在能源土中有不同的赋存形式（如填充型水合物和胶结型水合物等）,由于胶结型水合物对整体强度的贡献比其他存在形式更大,尤其是饱和度较低的情况。针对于胶结型水合物的赋存形式进行研究,水合物作为胶结物质存在于土颗粒之间,胶结厚度会在一定范围内变化。为真实地反映此现象,通过对能源土试样的电镜扫描图片整理分析,获得水合物饱和度与粒间胶结厚度的函数关系。基于前期已经完成的不同粒间胶结厚度下胶结力学特性的试验研究成果,为探究胶结厚度变化对能源土体宏观力学特性的影响,建立了考虑水合物胶结厚度的能源土粒间胶结模型,并介绍此模型中相关胶结参数及其确定方法。     

软土在不同应力路径下的力学特性分析

通过固结不排水剪应力路径试验对广州南沙典型软土在不同固结条件的力学特性进行了系统研究。分析了初始固结状态对软黏土应力路径依赖性的影响,比较了不同应力路径下土的应力-应变关系特征和孔隙水压力变化规律,探讨了孔压分布与土体变形特征的关系,认为侧向卸荷会造成剪应力增加、体应力减小,从而使土体产生剪胀趋势。研究结果还表明,不排水条件下的有效应力路径主要与土样初始固结状态有关,因而同一固结状态下的有效应力路径具有唯一性。另外,试验中的剪切控制方式对有效应力路径有明显影响,但对土体抗剪强度的影响可以忽略。     

压力型锚杆锚固段的应力分布规律研究

根据Kelvin解,推导了压力型锚杆锚固段的弹性黏结应力和正应力分布方程。在推导过程中,考虑了三向应力状态对锚固段黏结应力的提高作用。经过与现场试验实测数据的对比分析,验证了理论计算公式的可靠性。采用软质岩体条件下的参数,对锚固段应力分布进行了计算,总结了岩石条件下锚固段应力分布特点,并分析了各种岩土参数变化对锚固段应力分布的影响,为压力型锚杆的进一步理论研究和工程实践提供了基础。     

k0固结条件下淤泥土排水蠕变特性研究

利用室内试验研究土体蠕变特性时,因受试验条件限制较少开展土体的排水蠕变特性试验研究。对于先还原土体的先期固结条件,然后再开展土体的三轴排水蠕变特性试验的研究更少。为此,以淤泥土为研究对象,通过 固结三轴排水蠕变试验探讨了饱和淤泥土在轴向加载和侧向减载条件下的排水蠕变特性。由试验数据可知：排水条件下,两种应力路径的轴向蠕变规律基本一致,体积应变明显小于轴向应变,且随时间的延长呈现一定程度的剪缩与剪胀交替性。首次利用三单元力学模型推测出淤泥土的蠕变起始时间为施加偏应力荷载后的100～200 min之间。提出淤泥土蠕变系数的概念并总结其变化规律,得知淤泥土的蠕变系数与偏应力水平密切相关,即不论围压及加载方式如何,蠕变系数均随应力水平增大而增大,且基本呈直线关系,而与前期固结围压大小、蠕变荷载施加方式关系不大。最后提出了淤泥土蠕变本构模型建立的思路,即用南水双屈服面模型描述瞬时变形量和用蠕变经验公式描述蠕变变形量相结合的方式来建立蠕变本构模型。     

不同应力路径下天津滨海软土强度参数试验研究

以天津滨海新区地下工程涉及较多的9～18m深度海相软土为研究对象,采用应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪,分别进行三轴固结不排水试验(CU)、三轴不固结不排水试验(UU)以及模拟基坑开挖卸荷的减p路径试验(DEP),得到滨海软土在不同应力路径下的力学性状与初始固结状态有关。CU与UU试验应力与应变关系曲线呈硬化特征,CU试验孔隙水压力与应变关系呈先剪缩后剪胀的性质;DEP试验应力与应变关系曲线呈软化特征,在等应力控制条件下,孔隙水压力与应变关系呈剪胀性质,孔压为负。DEP试验对于总应力强度参数有影响,对有效应力强度参数影响较小。在滨海软土基坑支护设计中,选用CU试验参数进行计算,设计偏于安全。     

不同应力路径下某高速公路路基黏性土湿化变形试验研究

针对某高速公路黏性填土路基浸水湿化的情况,进行了大量室内试验研究。为了研究土在实际应力路径下的湿化变形规律,分别在常规三轴应力路径、常规三轴K0固结应力路径、K0固结+常规三轴压缩应力路径以及使用真三轴仪的平面应变下K0固结 + 平面应变剪切应力路径和平面应变等应力比路径下进行了黏性土的湿化试验。通过对试验数据的分析,得到了湿化附加轴向应变与湿化时应力水平的幂函数关系。通过总结研究不同应力路径下应力-应变曲线的规律,提出了不同应力路径下的应力-应变关系的公式。     

The behaviour of an artificially cemented sandy gravel

The major section of the city of Tehran, Iran has been developed on cemented coarse-grained alluvium. This deposit consists of gravely sand to sandy gravel with some cobbles and is dominantly cemented by carbonaceous materials. In order to understand the mechanical behaviour of this soil, a series of undrained triaxial compression tests and unconfined compression tests were performed on uncemented and artificially cemented samples. Portland cement type I was used as the cementation agent for preparing artificially cemented samples. Uncemented samples and lightly cemented samples (1.5% cement) tested at high confining pressure showed contractive behaviour accompanied with positive excess pore water pressure and a barrelling failure mode. However, cemented samples and uncemented samples tested at low confining pressure (25 and 50 kN/m²) showed dilative behaviour accompanied with negative excess pore water pressure. Shear zones were formed in these samples and a clear peak in excess pore water pressure and stress ratio against strain could be observed. Test results showed that the limiting stress ratio surface for cemented samples is curved and expands as the cementation and density increase. Unconfined compression strength of cemented samples increases with increases in cementation and density as well.     

原状土样扰动及原因分析

本文根据实际工作经验,分析了土样扰动的原因.从土所受的应力发生变化,导致土样结构和含水量产生变化,因而出现了扰动.这对我们对土样扰动的理解,有了更深刻的认识,具有一定的参考作用.     

Delayed plastic model for time‐dependent behaviour of materials

A delayed plastic model, based on the theory of plasticity, is proposed to represent the time‐dependent behaviour of materials. It is assumed in this model that the stress can lie outside the yield surface and the conjugate stress called static stress is defined on the yield surface. The stress–strain relation is calculated based on the plastic theory embedding the static stress. Thus, the stress–strain relation of the model practically corresponds to that of the inviscid elastoplastic model under fairly low rate deformation. The delayed plastic model is coupled with the Cam‐clay model for normally consolidated clays. The performance of the model is then examined by comparing the model predictions with reported time‐dependent behaviour of clays under undrained triaxial conditions. It is shown that the model is capable of predicting the effect of strain rate during undrained shear and the undrained creep behaviour including creep rupture. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

黏性土填料下考虑土拱效应的非极限主动土压力计算方法

不论挡土墙填料采用砂性土,还是黏性土,其墙背主动土压力与墙体倾角和位移关系存在较大的联系,因而研究黏性土填料下的非极限主动土压力计算理论具有重要意义。通过应力状态分析给出了非极限状态下考虑土拱效应的侧向主动土压力系数,然后采用水平微分层析法给出了倾斜墙下非极限主动土压力解析解。通过与室内模拟试验及已有理论进行对比,验证了该方法的合理性。最后研究了相关参数包括位移比?,墙土摩擦角与内摩擦角之比? /?,墙体倾角?,黏聚力c等对主动土压力分布及其作用点高度的影响。结果表明：土体由静止状态向极限主动土压力状态发展时,土拱效应的影响会越来越大。随着? /?的不断增大,土压力分布曲线非线性强度会不断增强,土压力合力作用点高度呈上升趋势,并且? /?对土压力的影响会随着位移比? 的增大而增大。随着挡土墙墙背倾斜角度? 的不断增大,土拱效应对非极限主动土压力的影响减小。随着土体填料黏聚力的不断增大,上部张拉裂缝高度也会随之增加,且土压力合力作用点越低。给出的考虑土拱效应的非极限主动土压力计算方法对于丰富挡土墙土压力计算理论具有重要意义。     

考虑状态含水率和密度的膨胀土膨胀模型试验研究

以邯郸强膨胀土为研究对象,通过室内K0应力状态膨胀试验,研究了膨胀土的膨胀率与压实度、初始含水率、上覆荷载之间的关系,进而建立了考虑上述3种影响因素的膨胀率公式。同时,建立了终了含水率与初始含水率、压实度、上覆荷载之间的关系,从而得到了膨胀土线膨胀系数表达式。利用提出的膨胀模型可以得出任一含水率状态下膨胀土的膨胀本构关系。该试验操作简单,模型表达式简洁,具有较强的实用性,可为膨胀土工程的设计施工提供理论依据和参考     

膨胀土膨胀模型及边坡工程应用研究

膨胀土吸湿膨胀往往会导致工程安全问题。以南阳中膨胀土为研究对象,通过改良试样进水控制系统、测量外体变等措施,实现三轴应力状态膨胀试验,研究充分吸湿引起的体积膨胀率、终了含水率与初始含水率、平均主应力之间的规律关系。试验发现：三轴应力状态下的体积膨胀率与终了含水率均随平均主应力的增大而减小,且在半对数坐标中均呈较好的线性关系,据此建立了三轴应力状态的膨胀模型。将该膨胀模型应用到数值计算中,分析了考虑膨胀变形对膨胀土边坡应力场分布的影响规律,比较了充分吸湿条件下不同膨胀等级的膨胀土边坡的塑性区发展特征,并针对不同厚度换填处理措施进行了效果验证。研究表明：该膨胀模型表达式简洁,参数求取简单,用于数值计算成果合理可靠,具有较强的实用性。