不同地区非饱和黄土动力结构性研究

对兰州、洛川、杨凌地区黄土在不同含水率与不同应力状态下进行动扭剪三轴试验,测定了黄土的动剪应力-应变关系曲线;同时,依据Hardin-Drnevich双曲线模型,改进了基于动剪应力考虑的土结构性定量化参数,并应用该参数对三地区非饱和黄土的动力结构性进行了分析。结果表明,三地区非饱和黄土的动力结构性参数随动剪应变的增大先降低,而后保持在一个稳定的水平;含水率与固结应力对黄土的动力结构性影响显著,在相同的固结应力条件下,含水率越低,黄土的动力结构性参数越大,在相同的含水率条件下,固结应力越小,黄土的动力结构性参数越大;在相同的条件下,杨凌地区黄土的动力结构性最强,洛川地区黄土次之,兰州地区黄土最弱,即黄土的动力结构性在地理空间分布上存在从西北向东南方向增强的规律。     

结构性黄土吸力的试验研究

利用轴平移法量测吸力技术,进行了等吸力三轴剪切试验,研究人工制备结构性黄土吸力与周围压力的关系;利用土吸力量测仪进行了原状结构性黄土吸力的量测,研究了结构性黄土吸力随含水量及饱和度的变化关系,随着三轴剪切试验的周围压力的增大,吸力逐渐减小;原状结构性黄土的含水量(饱和度)对吸力有显著的影响,随着土的含水量的增加吸力减小。      

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。     

湿陷性黄土结构性变形特性分析

基于结构性黄土应力应变特性认识和大量试验结果的分析,揭示了黄土结构性参数与应变、含水率、固结压力之间的关系,并给出了结构性参数的数学表达式。将该式引入结构性黄土应力应变特性分析,提出了考虑结构性参数的应力-应变关系。分析计算所得的应力-应变关系与试验结果有较好的一致性,说明了原状黄土结构性参数描述的合理性和基于结构性参数应力-应变关系的合理性。     

K0结构性黄土的固结特性

黄土在其沉积和存在的整个历史过程中形成独特的天然结构，具有各向异性的结构特性并处于K0固结应力状态。通过精心设计在常规应变控制式三轴仪上实现了K0固结试验，揭示了改变初始K0应力状态对K0结构性黄土固结特性的影响。     

考虑初始结构性参数的结构性黄土边坡稳定性评价

针对应力比结构性参数存在的问题,建立了结构性黄土初始结构性参数与含水率、围压之间的关系,在变形过程中建立了更为合理的结构性参数与广义剪应变的关系,并将其引入结构性黄土的强度理论中。在此基础上,通过数值计算对边坡结构性参数分布的变化规律及潜在滑动面的确定进行了评价。研究结果表明：建立的初始结构性参数可以反映黄土边坡的结构性参数初始分布场;结构性参数变化的上限是初始结构性参数,下限为结构性完全丧失后的结构性参数,且其值等于1.0;在结构性黄土边坡稳定性分析中,通过结构性参数的分布规律可在一定程度上确定边坡的潜在滑动面,但仅适用于塑性区域呈明显的带状集中分布的情况。     

结构性黄土临界状态力学性状

土颗粒之间的联结方式和排列方式是影响土的结构性的两个主要因素,而水和外力可以改变土颗粒间的联结方式和排列方式,破坏了土的结构性。当排列是影响黄土结构性的主要因素时,在外力的作用下,K0结构性黄土表现出临界状态力学性状。对饱和K0结构性黄土进行不同试验,应用临界状态土力学理论进行归纳,分析其规律,总结出在外力作用过程中K0结构性黄土的结构性特殊物理力学性质,为建立结构性土的本构模型提供有力的试验依据。     

单轴压缩下结构性Q2黄土的损伤本构模型研究

通过西安地区不同含水量的Q2黄土的单轴无侧限压缩试验研究表明,Q2原状黄土的单轴应力应变关系呈强软化型,单轴压缩曲线的转折点随着含水量的增加而不断降低,结构强度在低含水量下的降低幅度远大于高含水量下的降低幅度。在此基础上,根据Weibull统计分布理论和等效应变假定原理,同时考虑黄土的损伤门槛值,推导了单轴压缩条件下的黄土损伤本构方程。     

结构性饱和黄土动力特性试验研究

基于室内不排水动三轴试验,研究了5种因素,即围压、超固结比、偏压固结比、动剪应力比、加载频率等对饱和黄土动力特性的影响。本文强调了结构性在饱和黄土动力特性研究中的重要性,结构性的破坏是影响土体动力力学特性的一个重要转折点。并阐明了用塑性残余变形来表征土体内部结构的变化并以此作为孔压增长函数自变量的合理性。     

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。     

黄土结构强度与湿陷性的关系初探

阐述了黄土结构强度的概念和测定方法及其变化规律,并依据其与含水率的幂函数关系以及黄土湿陷系数与含水率的幂函数关系,找到了结构强度与湿陷系数的线性拟合关系,对黄土结构强度与湿陷性的关系进行了分析。结果表明,黄土的初始含水率越大,结构强度越小,湿陷系数也越小;在含水率相同或相近的情况下,黄土的湿陷系数会随着结构强度的增大而减小。     

Q3黄土侧向卸荷时的细观结构演化及强度特性

利用应力控制式CT-三轴仪,在控制吸力的条件下研究了原状Q3黄土的细观结构演化和强度特性。结果表明：侧向卸载时,非饱和Q3黄土的应力-应变关系呈硬化型,可用双曲线描述;利用CT数据与试验中所施加偏应力之间的关系可确定试样的屈服应力,屈服应力随着吸力和固结净围压的增大而增大;侧向卸荷剪切试验结果得到的强度参数低于常规三轴压缩剪切试验的结果;利用定义的非饱和Q3黄土的结构参数,建立了侧向卸载过程的细观结构演化方程。     

非饱和压实黄土结构特性试验研究

对增（减）湿到相同含水率及相同干密度的不同结构性非饱和压实黄土进行土-水特征曲线试验和三轴剪切试验,研究制样含水率引起的结构变化对非饱和压实黄土基质吸力、应力-应变特征及结构性参数的影响。研究结果表明：制样含水率引起的结构性对非饱和压实黄土的土-水特征曲线有明显的影响,小于塑限时基质吸力随制样含水率的增大而增大,最优制样含水率时非饱和压实黄土具有均匀小孔隙的团粒凝聚结构使其吸力相对最大;应力-应变曲线在最优结构状态时位于坐标最上端,小于最优制样含水率时的结构弱化程度相对较低,其应力-应变曲线逐渐下移,大于最优制样含水率时土样的结构弱化程度较高,其应力-应变曲线位于最下端;定义的结构性参数m?r能够合理反映压实黄土的结构性,弥补了压实土工程中用最优含水率和最大干密度指标无法反映土结构性影响的不足;屈服结构性参数m?r0能够合理反映出不同制样含水率压实黄土的结构弱化程度,结构弱化程度还反映在三轴剪切破坏强度上。     

考虑荷载影响的黄土冻胀特性研究

黄土的冻胀特性与土体的含水率、 土体的密度以及外部荷载关系密切。在室内对不同含水率、 不同密度的黄土试样施加不同荷载, 进行了冻胀试验研究。结果表明： 黄土试样的冻胀率随着荷载增加呈指数形式递减; 冻胀率在土样含水率越大时随干密度的变化越大; 在自由冻胀状态下, 冻胀率随干密度的变化较大, 施加荷载后随干密度的变化较小。在荷载水平较高时, 冻胀率随着含水率增大而增大, 但增加幅度相较于自由冻胀显著降低。对于密度相同、 作用荷载相同的土样, 含水率增大时冻胀率线性增大。黄土地区的冻胀影响因素中, 荷载、 含水率、 干密度对冻胀影响是依次减小的。对不同含水率、 不同干密度以及不同作用荷载条件下的黄土冻胀试验结果进行拟合, 得到了可综合考虑含水率、 干密度和荷载的冻胀预报模型。     

黄土结构性力学特性研究与应用的探讨

大孔隙、高孔隙比、欠压密的非饱和黄土具有显著的结构性,结构性是影响土力学性质的关键因素。在讨论土结构性力学特性研究途径的基础上,从反映土的结构可稳性和可变性的综合结构势出发,阐述了反映力、水作用的黄土压缩变形结构性参数、应力结构性参数和应力比结构性参数,以及与土的物理性质指标对应的反映结构特征的构度。通过黄土的单轴抗压试验、非饱和直接剪切试验、三轴试验和真三轴试验,揭示了结构性参数和构度的变化规律,以及它们分别与强度指标之间的关系,提出了湿、剪变形过程等结构性临界状态的概念。将正常固结土视为结构性参数或构度等于1的无结构性土,在修正剑桥模型的基础上,考虑临界状态线和等向压缩曲线随结构性参数的变化,建立了结构性屈服面方程,为建立结构性弹塑性本构方程打下了基础。同时,阐述了黄土隧道围岩和黄土地基稳定性分析中应用结构性强度变化规律研究成果的途径,深化了黄土体稳定性分析的理论基础。     

不同围压下冻结黄土胶结行为的离散元分析

鉴于冻土中冰的胶结作用在冻土力学性质方面的重要作用,在三维离散元法中,采用黏结发生在有限范围内的模型来考虑冰的胶结作用,对不同围压下冻结黄土的胶结行为进行了数值研究。结果表明：数值模拟的应力-应变曲线与试验数据吻和较好;颗粒接触刚度、平行黏结刚度和强度均随着围压增大而线性增大,但摩擦系数随围压增大而减小;力链、位移和孔隙率与围压的响应关系呈现出统一性。同时,也分析了冰胶结作用影响下的冻土细观变化与宏观力学行为之间的响应关系。这对于促进离散元法在冻土领域内的应用具有积极的作用。     

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。