部分排水条件下饱和黏性土渐近状态本构模型研究

为研究排水边界条件对饱和软黏土强度特性的影响,利用GDS-DYNTTS动三轴仪开展了饱和软黏土的不排水试验和自由排水试验。采用控制体应变与轴向应变增量比ξ的方法进行了部分排水条件下饱和软黏土的强度特性试验,从孔隙水压力、p-q平面的有效应力路径和渐近状态特性等方面研究了排水边界条件对饱和软黏土力学特性的影响。基于渐近状态特性和剪胀特性,将应变增量比ξ引入应力路径本构模型,建立了饱和黏性土渐近状态本构方程。通过与孔压、有效应力路径实验结果的对比验证了模型的合理性。试验结果表明饱和黏性土的应变增量比ξ应小于0.3;排水条件影响正常固结黏土剪胀性的发挥程度、有效应力路径以及土的抗剪强度大小。随着应变增量比ξ的增大,饱和黏性土的孔隙水压和有效应力比减小而强度增大。试验后期,饱和黏性土试样长期处于临界状态,改变排水条件可抑制或加速土体的破坏。     

部分排水条件下饱和黏性土渐近状态本构模型研究

为研究排水边界条件对饱和软黏土强度特性的影响,利用GDS-DYNTTS动三轴仪开展了饱和软黏土的不排水试验和自由排水试验。采用控制体应变与轴向应变增量比ξ的方法进行了部分排水条件下饱和软黏土的强度特性试验,从孔隙水压力、p-q平面的有效应力路径和渐近状态特性等方面研究了排水边界条件对饱和软黏土力学特性的影响。基于渐近状态特性和剪胀特性,将应变增量比ξ引入应力路径本构模型,建立了饱和黏性土渐近状态本构方程。通过与孔压、有效应力路径实验结果的对比验证了模型的合理性。试验结果表明饱和黏性土的应变增量比ξ应小于0.3;排水条件影响正常固结黏土剪胀性的发挥程度、有效应力路径以及土的抗剪强度大小。随着应变增量比ξ的增大,饱和黏性土的孔隙水压和有效应力比减小而强度增大。试验后期,饱和黏性土试样长期处于临界状态,改变排水条件可抑制或加速土体的破坏。     

考虑应力历史的饱和土抗剪强度测试方法探讨

通过直剪试验和三轴试验,研究了超固结状态和正常固结状态土强度指标的差异性。抗剪强度指标在大于和小于前期固结压力的压力段明显不同,试验资料整理时应分别确定抗剪强度指标。剪切前,试样在其自重固结压力（重塑土为预固结压力）下作预处理,比较了在垂直压力或围压小于前期固结压力和大于前期固结压力两个压力段的强度指标,前者不固结不排水剪黏聚力c小于后者,内摩擦角φ大于后者;固结不排水剪黏聚力c大于后者,内摩擦角φ小于后者。重塑土强度试验模拟的应力历史很难真实反映实际工况土体的强度特性,室内试验应尽量使用原状土进行抗剪强度测试。室内试验确定土的抗剪强度指标时,应先确定地基土的前期固结压力、K0状态参数,按工程实际应力状态确定。     

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。     

超固结软黏土的静止土压力系数与不排水抗剪强度

通过应力路径三轴试验对不同超固结比下饱和软黏土的K_0系数及K_0超固结软土的抗剪强度进行了研究,提出了超固结软土的K_0系数计算公式,基于各向异性屈服准则推导了K_0超固结软黏土的不排水抗剪强度,并与试验结果对比证明了计算公式的有效性。分析表明,常用的Mayne-Kulhawy K_0系数计算公式过高地估算较大超固结比OCR时的K_0系数,同时所提出的K_0超固结软黏土不排水抗剪强度公式通过考虑土体K_0系数随OCR的变化,避免了假设以有效上覆压力表示的回弹线斜率为常数所存在的问题。通过与试验结果对比表明,该公式能较好地预测K_0超固结土体的不排水抗剪强度。     

原状和重塑海洋粘土经历动载后的静强度衰减

根据海洋粉质粘土原状和重塑土样的动三轴试验结果, 比较和分析了两种土样应力、应变、孔隙水压力和不排水抗剪强度行为, 得到了土样的静不排水抗剪强度衰减与波浪荷载作用下土样产生的动应变以及平均累积孔压之间的关系。 并将波浪荷载作用使土样内孔压升高, 有效应力降低, 形成拟超固结现象的理论, 应用到土样不排水抗剪强度衰减与平均累积孔压之间关系的分析;同时与重塑土样的超固结静态剪切试验结果进行比较, 得到了土样在波浪荷载作用后的归一化不排水抗剪强度与拟超固结比之间的关系式。 建议以少量原状土样, 配合大量重塑土样的动三轴试验结果, 实现对实际海洋粘土地基在波浪荷载作用后的静不排水抗剪强度衰化规律的评估。     

含气软黏土的不排水抗剪强度计算模型

含气软黏土广泛分布在世界五大洲,大量离散气泡的存在对软黏土的不排水抗剪强度具有强化或损伤作用,然而目前仍缺乏能综合考虑气相强化与气相损伤竞争机制的含气土不排水剪切强度解析表达式。结合临界状态土力学理论,基于笔者提出的含气土屈服函数,建立了v-lnp¢ 空间下临界状态线截距与土体含气特性(u_{w 0},y₀)的数学关系,进而推导了含气软黏土在三轴应力状态下不排水抗剪强度s_u的理论显式表达式。同时,采用所提出的含气软黏土不排水抗剪强度理论计算公式,分别对比了3种典型的含气软黏土在不同含气特性下的不排水抗剪强度理论预测与试验结果,包括马来西亚高岭土、Combwich 黏土和高岭黏土。另外,对比分析了4种不同的含气软黏土不排水抗剪强度理论计算模型的预测误差百分比,证明了提出的基于改进的含气软黏土本构模型的不排水抗剪强度理论计算式的合理性,能够更加准确地同时考虑含气软黏土的气相强化与气相损伤双重效应。     

冲击荷载作用下结构性软黏土力学特性试验研究

冲击荷载作用对土体力学特性影响较大,为了研究此特性,基于天津滨海结构性软黏土,以空心圆柱扭剪仪模拟冲击荷载作用,并在冲击荷载作用前后对土体进行不固结不排水三轴试验,对比研究不同试验条件下结构性软黏土力学特性。试验结果表明:低围压常规三轴剪切试验状态下,土体表现出弱应变软化现象,且土体抗剪强度包线不能用直线表示,而是可由两条直线近似拟合而成;冲击荷载作用时,在一定应力范围内,冲击荷载越大,土体轴向应变、孔隙压力以及主应力差峰值也越大;冲击荷载作用后三轴剪切试验各围压下土体都呈应变硬化型,主应力差峰值均大幅减小,且土体抗剪强度包线均可用直线表示,c、φ值也远小于未受冲击荷载时三轴剪切试验相应数值。最后,总结分析冲击荷载作用对软黏土强度的影响,并拟合得到强度折减与围压、冲击荷载的关系,为实际工程中承受冲击荷载的结构性软黏土强度确定提供参考。     

人工制备结构性软黏土长期变形特性试验研究

软黏土的结构性对其变形特性有很大的影响,由于成因等因素的不同,软黏土的结构性强弱不一,这也使得土体变形特性表现出差异性。为研究结构性强弱不同对软黏土长期变形特性的影响,人工制备含水率相同而结构强度不同的软黏土,对其进行三轴不固结不排水蠕变试验,研究结构性对软土长期变形特性的影响。试验结果分析表明,具有一定结构性的软黏土,当偏应力小于结构屈服应力时,土体结构损伤少,其蠕变变形量较小,一般不大于2%;而随着偏应力的增大,尤其是超过结构屈服应力时,土体结构出现大量破坏,应变增长很快,最终演变为临界型应变。相同偏应力作用下,土体结构性越强,各时刻的蠕变变形量也越小。在此基础上,以土体结构强度作为表征土体结构性强弱的量化参数,建立了考虑结构强度影响的长期变形预测公式。     

饱和黏土不排水剪切的热破坏

试验资料表明：饱和黏土在不排水常载升温条件下会产生很大的变形并最终可发生热破坏现象,因此,升温也成为一种加载方式。基于姚仰平等提出的热UH临界状态模型,推导了受温度影响的热不排水抗剪强度表达式,对不同超固结度饱和黏土在升温下的不排水抗剪强度模拟与试验结果对比表明：所提公式能够合理反映试验资料中受温度影响的不排水抗剪强度变化规律。利用热UH模型对不排水常载-升温过程进行了模拟,模拟结果表明,热UH模型可合理地反映不排水常载-升温条件下饱和黏土的应力-应变关系以及强度变化规律。针对能影响热破坏过程的几种因素如升温初始时的偏应力比、升温幅度、超固结度以及先期固结压力等进行了讨论分析,得到了各因素对于饱和黏土不排水剪切下的应力-应变关系及强度特性的影响规律。     

连云港软黏土的不排水强度试验研究

对连云港软黏土不扰动样和重塑样进行三轴CU对比试验研究。结果表明,不扰动样的不排水强度包线是由以屈服压力为界的双折线组成,而重塑样的不排水强度包线可以用通过圆点的直线表示。屈服前阶段,不扰动样由于受结构性影响产生的抵抗作用,其不排水强度包线高于重塑样;屈服后阶段,不扰动样的不排水强度包线介于具有不同初始含水率的重塑样的包线之间。通过对比分析,发现不扰动样与重塑样的不排水强度包线存在差异的主要原因是由于试样的不同初始含水率引起的。不扰动样在屈服后阶段的含水率变化规律与不排水强度增长规律与重塑土相一致,采用Burland提出的孔隙指数Iv,可将不同初始含水率重塑样及屈服后阶段不扰动样的压缩性状较好地归一化。     

强结构性天然沉积土的强度变形特性

广泛分布在日本大分县的天然硅藻土是一种令人惊奇的具有正常固结历史的天然沉积结构土,其含水量如豆腐,却硬如石头。由于具有强结构性,其土样不会受到取样及成形过程的扰动影响,能够在室内对其天然状态进行力学性状研究,是一种难得的天然沉积结构性土。采用最大压力达10 MPa的高压三轴仪对天然沉积硅藻土进行试验,以探讨强结构性天然沉积土的力学性状。结果表明,其固结屈服压力达到上覆压力的57倍以上,固结屈服前的压缩曲线是水平的,固结压力达到固结屈服压力时,压缩性突增。强度试验结果显示,处于固结屈服前状态的强度与应力水平无关,而处于固结屈服后状态时其强度包络线与重塑粘土同样为通过原点的直线。     

含水率对重塑淤泥不排水强度性质的影响

通过室内调配不同含水率的重塑淤泥,利用研制的室内微型高精度十字板剪切仪,研究了含水率对重塑淤泥重塑不排水强度的影响。该仪器的剪切强度分辨率为1 Pa,经试验验证,仪器测量结果的稳定性较好,但对强度越低的重塑淤泥试样其测量值的相对平均偏差越大。淤泥含水率对淤泥的不排水强度有显著影响,不排水强度均随含水率/液限的增大而减小,含水率/液限越大,不排水强度下降趋势越小。相同的含水率/液限时,不同种类的重塑淤泥的不排水强度比较接近。在双对数坐标中,不排水强度均随含水率/液限的增大而线性减小。由试验数据得出了不同种类重塑淤泥的不排水强度与含水率/液限之间的关系式,利用该关系式可以求得每一种重塑淤泥任意含水率下的不排水强度。文中的试验值大于洪振舜提出的关系式的计算值。当IL >2时,试验值与Locat和Leroueil提出的关系式的计算值基本吻合,当IL <2时,试验值大于Locat和Leroueil提出的关系式的计算值。     

Observed Behaviour of Laterally Expanded Stone Column in Soft Soil

The paper describes the behavior of remolded kaolin clay reinforced by stone column as investigated in laboratory. The installation of stone column was simulated by performing lateral expansion at different rates within hollow cylindrical remolded kaolin specimens initially subjected to K0 consolidation path. These specimens were, then, subjected to classical consolidated undrained triaxial tests while recording excess pore pressure values. The objective of the experimental programme was to quantify the effects of consolidation stress and stone column on the undrained Young’s modulus and shear strength of kaolin clay. Obtained results showed a significant improvement in Young’s modulus when the cavity expansion ratio and the consolidation stress increase. It was also found that the increase in undrained shear strength of improved kaolin clay mainly occurred at lower consolidation stress. Another important finding of this study is that the ratio of undrained Young’s modulus to undrained shear stress increases when the consolidation stress decreases. Finally, the paper presents a model developed for the design of stone columns.     

湛江强结构性黏土强度特性的应力路径效应

为探讨湛江强结构性原状土与相应重塑土在不同应力路径下的强度特性及其与结构性的关联性,开展了在不同固结条件下的主动压缩、被动压缩、主动伸长3种应力路径试验,分析了该强结构性黏土在不同应力条件下的力学性状与强度特性。结果表明,湛江黏土的剪切破坏形态主要是单一型、双交叉剪切带与“腰鼓”型3类,应力-应变特性主要为轻度应变软化、强烈应变软化、轻度应变硬化、强烈应变硬化4类;偏压固结下试样破坏应变小于等压固结相应值,破坏强度及初始弹性模量比后者大;不同应力路径下土的强度差异主要反映在结构屈服前有效黏聚力的不同,结构屈服前,原状土的黏聚力高于重塑土的黏聚力,内摩擦角小于后者;结构屈服后,黏聚力逐渐减小,内摩擦角略有增大。原状土到重塑土的转变过程是黏聚力与内摩擦力在土体内部相互消长的过程,强结构性黏土在结构屈服前的强度指标具有较强应力路径依赖性。     

关于结构土屈服破坏的探讨

天然沉积土往往均为结构土,结构土的屈服破坏是研究结构土力学性状的关键问题之一。但是,结构土的屈服破坏至今没有合理明确的定义。对两种天然沉积软粘土的高质量不扰动土样进行了固结压缩试验和三轴等向固结不排水剪切试验以探讨结构土的力学性状。基于结构土的强度特性,提出了当外加应力达到固结屈服应力时结构土达到完全屈服破坏的新概念,并且初步探讨了结构土的强度性状与变形特性的本质联系与其耦合问题。     

Stress-strain behaviour of reconstituted illitic clay at different temperatures

Tests on specimens of reconstituted illitic clay have examined the influence of temperature on the mechanical behaviour of clay soils. The program involved consolidation to effective confining pressures up to 1.5 MPa, heating to 100°C, and tests on normally consolidated and overconsolidated specimens with OCR = 2. The tests included isotropic consolidation, undrained triaxial compression with pore water pressure measurement, drained tests along controlled stress paths to investigate yielding behaviour, and undrained tests which involved heating and measurement of the resulting induced pore water pressures. The large strain strength envelope is independent of temperature. However, peak undrained strengths increase with temperature because smaller pore water pressures are generated during shearing. An important contribution from the study is a series of results for the yielding of illitic clay at three different temperatures. For the first time, there is clear evidence of yield loci decreasing in size with increasing temperature. An associated flow rule can be assumed without serious error. The results contribute to the confirmation of a thermal elastic-plastic soil model developed by the authors from cam clay following the addition of a small number of extra assumptions. Depending on the initial stress state, heating under undrained conditions may produce shear failure.     

结构性黄土的双曲线强度公式及其破坏应力修正

抗剪和抗拉强度是结构性土体力学特性的两个方面。通过试验研究了结构性黄土原状土和重塑土的抗拉和抗剪强度。结合抗拉和抗剪强度的试验结果,建立了适用于结构性黄土的双曲线强度公式,进一步研究了相应的破坏应力的修正算法,并将应力比结构性参数引入到结构性黄土的双曲线强度公式中。研究结果表明,建立的结构性黄土双曲线强度可以克服在Mohr-Coulomb强度理论中夸大了的土体抗拉强度缺陷,可为结构性黄土地区的工程灾害评价提供更加切合实际的强度理论。     

NGI‐ADP: Anisotropic shear strength model for clay

Many geotechnical problems involve undrained behavior of clay and the capacity in undrained loading. Most constitutive models used today are effective stress based and only indirectly obtain values for the undrained shear strength. To match the design profiles of undrained shear strengths, in active (A), direct simple shear (D) and passive (P) modes of loading are complicated. This paper presents the elastoplastic constitutive model NGI‐ADP which is based on the undrained shear strength approach with direct input of shear strengths. Consequently, exact match with design undrained shear strengths profiles is obtained and the well‐known anisotropy of undrained shear strength and stiffness is accounted for in the constitutive model. A non‐linear stress path‐dependent hardening relationship is used, defined from direct input of failure strains in the three directions of shearing represented by triaxial compression, direct simple shear and triaxial extension. With its clear input parameters the model has significant advantages for design analysis of undrained problems. The constitutive model is implemented, into finite element codes, with an implicit integration scheme. Its performance is demonstrated by a finite element analysis of a bearing capacity problem. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.