不同应力路径下饱和黏土耦合循环剪切特性

地基土单元体在波浪荷载的作用下将发生主应力轴连续旋转,这对土的强度和变形特性会产生显著的影响。针对饱和黏土,利用土工静力－动力液压三轴－扭转多功能扭剪仪进行了均等固结下的耦合循环剪切试验,着重研究了不同循环应力路径对应力-应变关系和强度特性的影响。试验结果表明,耦合循环荷载下黏土扭转剪切分量和正向偏差分量的应力-应变关系曲线与应力路径有关,且随着振动次数的增加逐渐疏松,割线模量 和 不断衰减,这与不固结不排水条件下的应力-应变关系曲线的变化规律明显不同;扭转剪切分量大的椭圆应力路径的动强度略小于正向偏差分量大的动强度。饱和黏土在不同应力路径下的力学特性的试验研究可以为建立复杂应力路径下的本构模型提供试验依据。     

部分排水条件下饱和黏土渐近状态本构模型研究

为研究排水边界条件对饱和黏土强度特性的影响,利用GDS-DYNTTS动三轴仪开展了饱和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x引入应力路径本构模型,建立了饱和黏土渐近状态本构方程。通过与孔压、有效应力路径试验结果的对比验证了模型的合理性。试验结果表明:饱和黏土的应变增量比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。     

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。     

一个饱和超固结黏土的应力-应变-时间关系

提出了一个考虑超固结黏土应变软化特性的应力-应变-时间关系,其应变-时间关系采用幂函数,应力-应变关系采用双曲线方程的改进模式。该方程的试验参数引入了脆性指数和超固结比,不仅能模拟应变硬化型应力-应变-时间关系,而且能模拟应变软化型应力-应变-时间关系,是应变硬化型应力-应变-时间方程的推广。并针对常应变率试验结果进行预测,证明了该方程的合理性。     

疏浚粘土固结不排水应力-应变归一化特性分析

将疏浚粘土应力一应变关系与粘性土的含水率联系起来,对于实际工程而言具有很大的参考价值。传统重塑土应力一应变归一化特性的研究只是针对某一特定性质的土体而言,这种归一化的研究方法显然具有一定的局限性。采用归一化含水率w／wl作为归一化因子,对主应力差渐进值进行归一化．探讨了双对数坐标系下主应力差渐进值与w／wl的线性关系。在此基础上基于Konder提出的双曲线模型将主应力差渐进值作为归一化因子,对三种不同疏浚粘土的应力一应变特性进行归一化分析,通过与实验资料的对比表明,提出的方法具有很好的归一化效果。     

应力路径对饱和软黏土割线模量的影响

在基坑、隧道开挖等过程中,不同部位的土体会经历不同的应力路径,在不同的应力路径下,土体可能表现出截然不同的静力学特性。同时,在工程实际中,土体的工作应变经常处于小应变范围,而在小应变情况下,土体的静力特性表现出更强的非线性和应力路径依赖性。基于广泛分布于东部地区,并且表现出诸多不良工程特性的软黏土,进行一系列不排水和排水条件下的应力路径静力试验,以研究应力路径对饱和软黏土静力特性,尤其是小应变情况下割线模量的影响。试验结果表明,不管在不排水还是在排水条件下,应力路径都对饱和软黏土的静强度产生巨大的影响,表现为围压增加的加载应力路径增大了静强度,而围压减小的卸载应力路径降低了静强度。同时,应力路径对割线弹性模量产生了更大的影响,围压增加的加载应力路径降低了割线模量,而围压减小的卸载应力路径增大了割线模量。应力路径对割线模量的影响在小应变时表现的更加明显,而这种影响主要原因是应力路径方向改变造成的土体各向异性。     

考虑循环弱化的饱和黏土简化非线性模型

随着海洋工程建设的快速发展,海洋环境中的地基稳定性逐渐成为学者和工程师关注的热点问题,建立一个简化的饱和黏土循环加载模型对于长期循环荷载下海上构筑物的设计具有重要意义。针对饱和黏土的循环弱化特性,在Hardin-Drnevich等效非线性模型的基础上,建立了考虑循环弱化的饱和黏土简化非线性模型来描述循环加载下饱和黏土的应力-应变关系,模型中引入了由循环加载期间产生的累积塑性变形控制的强度和模量衰减比公式。通过参数分析,说明了形状参数 与n以及残余衰减比与衰减系数等参数的意义和作用。通过对文献中单向循环试验和双向循环试验结果的模拟,验证了该简化模型可以较好地描述循环加载时饱和黏土应力应变滞回圈的演变规律以及循环加载后饱和黏土的强度和刚度弱化现象。简化模型大大提高了计算效率,与传统的土体弹塑性模型相比更加便于工程应用。     

不同温度应力路径下饱和黏土剪切特性

在精准温控动三轴试验系统上开展了不同温度及不同升温路径饱和黏土剪切试验研究,探讨了不同温度对饱和软黏土不排水剪切特性的影响,分析不同升温固结方式对饱和软黏土孔压发展、体变、强度以及模量的影响规律。试验结果显示：在4～76 ℃试验研究范围内,环境温度升高导致饱和软黏土的不排水剪切强度有所减少,但温度升高对土体模量增加影响明显,温度T和模量ET关系可用ET = 2.69T 0.3表达;升温变化时正常固结黏土产生超孔隙水压力并随着温度增大而增大,升温热固结后土的剪切强度将明显提高,且排水状态下升温固结对土剪切强度增长小于升温完成后再固结情况;土体从26 ℃分别升高20、40 ℃时,升温引起的超孔压比分别为0.41、0.61,剪切峰值强度分别增加8.23%、22.37%。研究表明：升温幅值增大会使土体热固结程度越大,升温分级越多,热固结也越充分,其对应的体变、强度增长率则越大;同时最终温度及热固结路径对其剪切相转换特征存在影响,升温越高、热固结路径越多其剪胀性越明显,但温度变化范围、固结分级、热固结路径总体上对孔隙水压力的发展基本不产生影响。     

三维应力状态下饱和软黏土循环动力特性试验研究

在三维应力空间中,基于循环大主应力与循环中主应力的耦合模拟交通荷载下竖向循环正应力与平行于道路方向的水平向循环正应力的耦合,构建了循环大、中主应力耦合应力路径,定义了循环应力路径表征参数——循环中主应力系数bcyc。通过GDS动静真三轴仪,对正常固结饱和软黏土进行了一系列循环大、中主应力耦合应力路径下的不排水循环加载试验,重点分析了循环中主应力系数及循环应力比对正常固结软黏土长期循环动力及安定特性的影响。试验结果表明：三维应力状态下,循环中主应力系数的增大提升了土体回弹模量,抑制了累积大主应变的发展,并且累积大主应变与循环中主应力系数呈线性关系。基于安定理论,确定了循环大、中主应力耦合应力路径下饱和软黏土的容许循环应力比,同时发现循环中主应力系数的增加引起了容许循环应力比的上升。     

考虑气相硬化的准饱和黏土弹塑性模型

假定准饱和黏土由饱和基质（土骨架和水）和封闭气体组成,采用饱和基质塑性体应变和气体塑性体应变作为硬化参数以反映准饱和黏土的塑性硬化行为,在综合考虑气体溶解系数随温度和水中含盐量变化、预固结应力随封闭气体的变化等关键因素的基础上,基于临界状态土力学理论提出了可以反映封闭气体气压变化对准饱和黏土力学影响的弹塑性本构模型。模型共计10个材料参数,均可通过等向压缩试验和三轴剪切试验获得。通过与已有试验数据对比分析,结果显示本模型可以较好地模拟准饱和黏土在不排水应力路径下的应力-应变关系、孔隙水压力发展以及饱和度的演变规律;所建立模型形式简单,参数易于确定,为准饱和黏土地基中岩土工程问题的设计、计算及灾变控制提供了重要的理论基础。     

A multisurface kinematic hardening model for the behavior of clays under combined static and undrained cyclic loading

In dynamic geotechnical problems, soils are often subjected to a combination of sustained static and fast cyclic loading. Under such loading conditions, saturated and normally consolidated clays generally experience a build-up of excess pore water pressure along with a degradation of stiffness and strength. If the strength of the soil falls below the static stress demand, a self-driven failure is triggered. In this paper, a constitutive model is presented for the analysis of such problems, based on a general multisurface plasticity framework. The hardening behavior, the initial arrangement of the surfaces, and the nonassociated volumetric flow rule are defined to capture important aspects of cyclic clay behavior. This includes nonlinear hysteretic stress-strain behavior, the effect of anisotropic consolidation, and the generation of excess pore water pressure during undrained cyclic loading along with a degradation of stiffness and strength. The model requires nine independent parameters, which can be derived from standard laboratory tests. A customized experimental program has been performed to validate the model performance. The model predictions show a good agreement with test results from monotonic and cyclic undrained triaxial tests, in particular with respect to the strain-softening response and the number of loading cycles to failure. A procedure for a general stress-space implicit numerical implementation for undrained, total stress-based finite element analyses is presented, including the derivation of the consistent tangent operator. Finally, a simulation of the seismic response of a submarine slope is shown to illustrate a possible application of the presented model.     

波浪荷载下饱和粉土不排水动力特性试验研究

确保海床场地的动力稳定性是近海工程安全运行的前提。目前针对复杂应力路径对海域环境饱和粉土动力学行为特性的影响研究尚属少见。利用GDS空心圆柱扭剪仪,开展了轴向-扭转耦合循环加载的重塑饱和粉土不排水试验,模拟波浪的波幅大小和海床深度变化,以广义剪应变γg=5%为液化标准,研究了均等固结条件下循环应力路径(循环应力比CSR和循环加载幅值比δ)对饱和粉土不排水动力特性的影响。结果表明:CSR与δ值的大小对饱和粉土的超静孔压与变形发展特性影响显著,圆形应力路径(δ=1)循环加载时饱和粉土最易液化;当CSR≤0.050时,饱和粉土不会发生液化;当CSR≥0.065且δ=1时,饱和粉土会发生液化;CSR> 0.150时,粉土易发生液化。γg与孔压比ru的相关性受CSR与δ值大小的影响较小,且γg可表示以r_u为变量的正切函数。以等效循环应力比ESR作为表征复杂应力路径下动应力大小的指标,饱和粉土达到γg=5%所需的液化振次NL与施加的ESR值具有事实上的唯一性关系,ESR随NL的增大而减小。     

主应力方向和初始成样含水率对饱和重塑粉土单调剪切特性的影响

利用“土工静力-动力液压-三轴扭转多功能剪切仪”,针对初始成样含水率分别为0、5%、10%,夯击法制备的饱和重塑粉土试样,在初始主应力方向角分别为0o、30o、45o的条件下进行非均等固结,然后保持平均主应力100 kPa、中主应力系数0.5、各主应力方向角以及加载速率恒定进行了应力控制式不排水单调剪切试验。着重探讨了主应力方向和初始成样含水率对饱和重塑粉土应力-应变关系、孔隙水压力变化及有效应力路径等的影响。试验结果表明：主应力方向和初始成样含水率对饱和重塑粉土的变形及强度特性具有显著影响。初始成样含水率影响应力-应变关系,对剪切强度影响不太显著,但破坏标准的选择对试验结果影响明显,干装样的孔压值低于湿装样;各种初始成样含水率的归一化剪切强度均随着主应力方向的增加而逐渐降低,而归一化孔压最大值则呈现增大的趋势     

一个描述软黏土时效特性的一维弹黏塑性模型

为了描述软黏土一维应力-应变关系的时效特性,基于Bjerrum的等时间线体系,提出等黏塑性应变率线概念,推导了黏塑性应变率与黏塑性应变增量的关系,建立了软黏土的一维弹黏塑性模型;从理论上分析了新建模型与3种典型的一维弹黏塑性时效本构模型的内在联系,表明新建模型与其他3种模型在本质上是等效的,且形式更简洁,物理意义更明确;利用新建模型对软黏土的固结-蠕变耦合效应、应变率效应、应力松弛效应等时效特性进行了理论分析,并得到了相应的解析解;结合宁波软黏土的一维固结试验,阐述了模型参数的确定方法,并用新建模型对宁波软黏土的固结-蠕变试验、温州软黏土的一维多级等应变率试验、香港海相软黏土的一维应力松弛试验进行模拟,验证了新建模型的有效性。研究结果表明,新建模型能很好地模拟软黏土的一维时效特性。     

结构性软黏土时效特性的一维弹黏塑性模拟

为了研究土体结构破坏对软黏土一维变形的时效特性的影响,在Bjerrum的等时间线体系基础上,提出了等黏塑性应变率线等黏塑性应变率线概念,建立了非结构性软黏土的一维弹黏塑性模型;为了描述土体结构渐进破坏特征,定义了结构性参数--结构应变,在非结构性模型的基础上推导了结构性软黏土一维弹黏塑性模型;讨论了通过试验法直接确定模型参数的方法,并利用新建模型对温州天然软黏土的一维常规压缩试验、天然Ariake 黏土的分级快速固结试验、结构性Berthierville黏土的一维等应变率压缩试验及长期蠕变试验进行模拟。模拟与试验结果的对比表明,该模型能较好地描述结构性软黏土一维压缩变形的时效特征。     

颗粒-流体耦合算法与饱和土不排水剪切特性研究

在颗粒流方法 PFC~(3D)的基础上发展了颗粒-流体耦合模型。在耦合模型中引入了孔隙度,其可考虑孔隙结构的可变性,并开发了可以考虑孔隙水压力和孔隙结构变化的颗粒-流体耦合计算程序。在此基础上模拟了饱和土的不排水剪切试验,与北京黏质粉土的试验数据及常体积模拟方法进行了对比。结果表明:采用颗粒-流体耦合方法计算得到的结果和常体积法计算结果与北京黏质粉土的试验结果相比均是一致的,验证了耦合算法的可靠性;分析比较了相同计算条件下耦合方法和常体积法计算得到的偏应力及径向应变曲线,研究了不同围压下试样的不排水剪切特性。颗粒-流体耦合计算结果表明:饱和土不排水剪切过程随着围压升高,孔隙水压力和偏应力均升高,而应力比曲线变得平滑,应力比有所降低。     

不排水条件下砾石土的应变率效应

为研究应变率对砾石土应力、应变、强度特性的影响和应变率效应产生机制,对砾石和黏土混合备制的饱和砾石土心墙料,在应变率0.028～0.690 %/min范围内进行了不同围压下的固结不排水三轴压缩试验,定量地分析了三轴不排水抗剪强度的应变率效应。试验结果表明,不同的应变率下砾石土应力-应变曲线具有相似性;应变率增大10倍,不排水抗剪强度增大7.4%～29.9%;砾石土的应变率效应是剪切产生的孔隙水压力和土料本身黏滞性共同作用的结果,在不同的围压下二者发挥的程度不同     

饱和土结构性参数演化规律及其简化模型研究

引入两类超固结比的概念,对不同围压下,具有两类不同超固结比的饱和原状、重塑黄土试样进行三轴固结不排水剪切试验。结合应力分担率的定义对试验所得的应力-应变曲线进行整理,获得了应力分担率随应变水平呈两阶段变化的特征曲线。定义结构性发挥系数对应力分担率曲线进行归一化处理。结果表明:两类超固结比下,相同围压、具有不同超固结比的试样的结构性发挥系数演化规律具有很好的归一性;不同固结围压时,两类超固结比下,该系数也同样具有很好的归一性。由此提出了描述结构性演化规律的计算模式和相应的理论计算公式。结构性发挥系数的理论公式为一个3段式函数,形式简单、参数少,且具有较好的稳定性。对比分析表明:计算和试验结果具有很好的一致性。     

砂土应力-应变关系的加载速率效应分析

分析研究了两种砂土在排水平面应变压缩PSC试验和不排水三轴压缩TC试验条件下的加载速率效应,既实现了不同恒定应变率加载条件下的试验,也实现了不同的加载阶段采用不同的恒定应变率（即应变率分阶段变化）的试验。在加载速率为不同恒定应变率时,砂土的应力-应变响应是唯一的,与应变率无关。在加载速率分阶段变化时,依据应力-应变关系对应变率突变的响应程度,对砂土的加载速率效应进行了评价。分析结果表明,砂土应力-应变关系的加载速率效应表现为黏性消散特性,在应变率发生突变的瞬间,由于应变加速度的影响,应力-应变曲线也相应地突变并表现为刚度很大,近似弹性的特性,随着应变的进一步增加,这一近似弹性的行为逐渐消失。     

冻融循环下粉砂土应力-应变归一化特性研究

为研究粉砂在不同冻融循环下的应力-应变关系特性,进行了粉砂土的不固结不排水三轴剪切试验,试验结果表明：在围压较低时,未冻融及经历较少次冻融循环的粉砂表现出一定的软化性,但软化程度较弱;而经历一定次数的冻融循环后,其逐渐由弱软化型转化成硬化型;在围压较高时,未冻融及冻融以后的粉砂都表现出应变硬化的特征,其应力-应变关系曲线为典型的双曲线。基于Konder双曲线模型,概述了土体应力-应变关系中常见的几种归一化因子及相应的归一化条件。提出了针对冻融循环下粉砂土的应力-应变关系的归一化因子,并给出了相应的归一化条件。基于新的归一化因子,建立了粉砂土在不同围压、不同冻融循环次数下的应力-应变特性的归一化方程,并对应力-应变曲线进行预测,其试验值与拟合值较为接近,预测效果较好。