真三轴循环主应力作用下砂岩能量演化规律

为了探究真三轴主应力循环加卸载对砂岩能量积聚与耗散的影响,利用自主研发的真三轴扰动卸荷岩石测试系统进行了3个主应力循环加卸载试验。基于真三轴循环加卸载应力-应变演化规律与加卸载特征,划分了主应力循环加卸载试验中加载、卸载的种类;通过对三向主应力循环加卸载过后岩体表面裂纹对比分析,发现最小主应循环对岩体产生损伤最大,中间主应力次之,最大主应产生损伤最小;利用图形面积积分法与叠加法分别计算了真三轴循环加卸载的弹性能密度、耗散能密度与输入能密度,分析了三者随主应力次数增加的演化规律与加卸载过程中的能量分配;利用真三轴同时加卸载试验,验证了上述提出的能量分析方法的合理性与准确性,对其3个主应力方向卸载释放弹性能密度分析,发现循环加卸载产生的损伤对岩体储存弹性能密度影响较小。对比了3个主应力卸载对砂岩损伤与能量耗散的影响,对巷道掘进方向进行了进一步讨论。     

真空和堆载两种预压法的室内试验研究

通过室内试验模拟真空预压法和堆载预压法加固不同深度的土体,对两种预压法下土体前后的物理力学性质指标、土体的沉降量、排水量等进行了分析,认为两种方法均能使土体的物理力学性质改善,就渗透性而言,真空预压优于堆载预压,但就压缩性而言,堆载预压优于真空预压;堆载预压下试样的轴向位移远大于真空预压下的轴向位移,且比真空预压下的沉降收敛慢;真空预压下的排水量大约是堆载预压下排水量的1.8倍;在真空预压和堆载预压下,浅层土体的排水量均大于深层土体的排水量。     

上海黏土压缩回弹变形的微观机理

黏土变形微观机理的研究过去多针对土体加载压缩开展,随着研究的深入,黏土卸载回弹变形的微观机理也逐步得到重视,但目前对此研究还很少。本文采用单向压缩及回弹试验、扫描电镜及压汞试验对上海黏土压缩及回弹变形过程中土体的微观特性及其变化进行了研究。研究结果表明,微观结构参数的变化能反映黏土的宏观变形特征。在加载过程中,随固结压力增加,土体孔隙体积减小,孔隙数量先增加再减小,孔隙平均形状系数的增加先急后缓,孔隙形态分维数先急剧减小后缓慢减小。在卸载过程中,随固结压力减小,孔隙数量增加,平均形状系数略有减小,孔隙形状分维数略有增加。加载压缩过程中,固结压力较小时中、小孔隙体积所占比例变化不大,而当固结压力较大时小孔隙所占比例显著增加、中孔隙所占比例明显减小。在卸载回弹过程中,各级固结压力下小孔隙都占绝对优势,但固结压力较大时中孔隙所占比例较大,而固结压力较小时中孔隙所占比例较小,黏土卸载回弹变形主要是小孔隙体积的少量增加。     

卸荷作用下软黏土回弹吸水试验研究

为了研究软黏土试样在经受卸荷作用后回弹变形中的吸水规律,设计了新的渗透固结试验仪器。以饱和软黏土试样为研究对象,通过室内试验,分析了卸荷作用下软土的回弹吸水特点。试验结果表明,研制的渗透固结仪器密封性能好,可以收集试样固结过程中排出的孔隙水。软黏土试样在大于临界卸荷比的情况下发生回弹吸水,其规律与预压荷载持续时间有关。当预压荷载持续时间为主固结完成时,则软黏土试样回弹变形引起的体积变化等于进入土体的孔隙水的体积;若荷载持续时间为24 h,则回弹变形可以分为主回弹阶段与次回弹阶段。在主回弹阶段,土样的体积变化等于吸入土体的孔隙水的体积;在次回弹阶段,试样并未吸水,仍然有少量变形。卸荷后软黏土试样吸入土体的水量与固结沉降排出土体的水量之比普遍小于10%。     

单剪条件下主应力大小及主应力轴方向

对单剪条件下的应力莫尔圆变化过程进行详细分析,将莫尔圆从初始状态到破坏状态的大、小主应力变化过程看做由若干个等增量步组成,从而推导出任意剪应力状态与初始状态对应的小主应力差值与两者大主应力差值的比为一常数,该常数可以根据初始状态莫尔圆和破坏时对应的莫尔圆确定。推导出单剪条件下任意剪应力对应的大、小主应力及主应力轴方向的表达式。讨论了土体材料参数及法向应力对主应力轴偏转过程的影响以及大、小主应力与剪应力的关系。结果表明：在土体材料参数一定的条件下,主应力轴方向由应力比唯一确定;法向应力一定,土体的摩擦角越小,相同剪应力对应的主应力偏转角越大;剪切起始阶段,主应力变化缓慢,随着剪应力增大,主应力急剧变化至土样破坏时保持不变。     

增压式真空预压加固吹填超软土微观结构特征分析

先进行常规真空预压法（CVP）和增压式真空预压法（AVP）两组模型试验,分别对吹填超软土进行加固处理,对比分析其加固效果。再利用电镜扫描试验（SEM）和压汞试验（MIP）分别对两种方式加固后的吹填超软土进行微观结构测试,分析在两种加固方式下吹填超软土微观结构特征的变化,并通过Image-Pro Plus图像处理技术进行定量分析,模型试验结果分析表明增压式真空预压的加固效果优于常规真空预压,从土体骨架颗粒形态、骨架颗粒接触形式和骨架颗粒间孔隙3个角度说明了增压式与常规真空预压加固后土体的微观结构特征变化,微观结构定量分析表明,与常规真空预压相比,增压式真空预压加固后土体的孔隙数量、扁平度K、形状系数ff更大;土体的孔隙率、分形维数D更小;定向概率熵Hm没有明显的变化规律;孔径分布增量的峰值位置在左侧,说明增压式真空预压加固后土体的小孔隙数量更多。从微观角度证明了增压式真空预压法的加固效果优于常规真空预压法。     

加卸荷条件下饱和软黏土蠕变特性试验研究

为了研究上海软黏土的蠕变力学特性,开展了排水和不排水条件下上海软黏土的三轴蠕变力学试验,分析了不同围压水平、加卸荷水平对饱和软黏土蠕变特性的影响,得到了不同试验条件下上海软黏土蠕变的力学特性。试验结果表明:围压水平及加卸荷水平对软黏土蠕变变形有一定影响;土体蠕变变形特性与排水条件密切相关,排水条件下,固结效应削弱了土体蠕变现象;同等条件加载过程中不排水条件下土体变形量大,卸载后不排水条件下土体回弹较明显;不排水蠕变试验加载过程中,孔隙水压力随时间发展的变化规律与土体蠕变变形规律相似;排水蠕变试验加载过程中,固结变形和蠕变变形同时存在,排水量曲线在卸载后没有出现明显下降。     

吹填软土低位真空预压室内试验及其数值模拟

以天津滨海新区临港工业区吹填软土为试验材料,以普通型竖向排水板、改进型竖向排水板及改进型横向排水板进行室内低位真空预压试验。结果表明,利用普通型竖向排水板进行低位真空预压试验,在真空-堆载联合作用下,28 d表层土体强度达到10 kPa,但中间土体强度偏低,整体呈两边硬中间软的夹心层;以改进型竖向排水板进行低位真空预压试验,前10 d土体强度增长与普通型竖向排水板试验接近,后期土体强度增长明显比前者快,28 d表层土体强度达到12 kPa,中间土体强度略有提高,但整体均匀性仍较差;以改进型横向排水板进行低位真空预压试验,28 d表层土体强度达到11 kPa,强度增长比改进型竖向排水板试验慢,但中部土体强度和整体均匀性均优于改进型竖向排水板试验。基于上述试验成果,运用有限元模拟低位真空预压试验过程,计算沉降量和孔隙水压力并与实测数据对比,发现两种竖向排水板试验计算结果与实测数据吻合较好,改进型横向排水板试验稍差,但基本上都能反映低位真空预压过程中土体沉降量和孔隙水压力变化趋势。     

预压作用下软土微观结构试验及弹黏塑性模型研究

为了揭示软土固结蠕变机制,计算软基“工后沉降”,开展了室内模拟真空、堆载以及真空-堆载联合预压加固软土的固结蠕变三轴试验及三轴试验前、后的微观结构试验。建立了能考虑微观结构改变的弹黏塑性(EVP)软土蠕变模型。研究结果表明：原状软土样在真空预压、堆载预压、联合预压3种预压荷载作用下,固结过程和蠕变过程具有耦合效应;土体微观结构参数的改变与宏观工程性质的改变具有相辅相成的关系;EVP模型弱化了具体应力路径的变化,其反映弹性的参数和反映黏塑性的参数可由微观结构参数确定;改进的EVP模型既能计算土体的弹黏塑性变形,也考虑了土体微观结构的变化,能更全面地反映土变形的实质。     

吹填软土低位真空预压室内试验及其数值模拟

以天津滨海新区临港工业区吹填软土为试验材料,以普通型竖向排水板、改进型竖向排水板及改进型横向排水板进行室内低位真空预压试验。结果表明,利用普通型竖向排水板进行低位真空预压试验,在真空-堆载联合作用下,28d表层土体强度达到10kPa,但中间土体强度偏低,整体呈两边硬中间软的夹心层;以改进型竖向排水板进行低位真空预压试验,前10d土体强度增长与普通型竖向排水板试验接近,后期土体强度增长明显比前者快,28d表层土体强度达到12kPa,中间土体强度略有提高,但整体均匀性仍较差;以改进型横向排水板进行低位真空预压试验,28d表层土体强度达到11kPa,强度增长比改进型竖向排水板试验慢,但中部土体强度和整体均匀性均优于改进型竖向排水板试验。基于上述试验成果,运用有限元模拟低位真空预压试验过程,计算沉降量和孔隙水压力并与实测数据对比,发现两种竖向排水板试验计算结果与实测数据吻合较好,改进型横向排水板试验稍差,但基本上都能反映低位真空预压过程中土体沉降量和孔隙水压力变化趋势。     

真空联合堆载预压填土边坡稳定性计算方法

根据真空预压的机理,探讨了真空固结产生的有效应力及真空作用下特有的侧向收缩应力对真空联合堆载预压下填土稳定性的影响。依据竖向真空压力呈线性损失的假设,对稳定性公式进行优化,采用编制的matlab程序进行土坡稳定性计算,并与未考虑侧向收缩应力的稳定性计算结果进行比较。结果表明：考虑侧向收缩应力的稳定性安全系数一般提高14％;一次性堆栽高度可以达到6m,较以往的计算方面提高了2m左右。     

重塑黏土空心圆柱试样制备技术改进及应用

受大体积制样降低土体均衡性及取芯扰动试样的影响,目前在包括主应力轴旋转等复杂应力路径下所开展的重塑软黏土力学特性试验研究的可靠性有待进一步提高。基于真空预压技术设计了制备重塑样的新型装置及方法,具有渗透排水与内壁成型双重作用的竖向排水体、分级施加真空负压以及多个试样同时制作等部件和技术,可快速制备大量空心圆柱试样,所制试样含水率具有较好的均匀性和一致性,减小了后期取芯对试样造成的扰动。开展了主应力轴旋转路径下的相关验证试验,从土体力学性能方面证明了所制试样用于研究复杂应力路径条件下土体性态演变规律的可靠性,为系统研究软黏土静动力学特性与长期稳定性提供了前提。     

关于真空预压沉降计算的研究

真空预压的沉降计算参数（压缩系数）是通过压缩试验得到的,但地基土在真空预压荷载作用下的受力状态与压缩试验中土样的受力状态是不同的,用压缩试验得到的压缩系数进行真空预压处理的沉降计算是不合理的。为了探讨这个问题,进行线弹性条件下的理论分析、模拟真空预压应力路径的全自动应力控制三轴（GDS）压缩试验、真空预压的现场监测等工作,初步讨论了弹性条件竖向荷载相同时等向与单向压缩量的比、模拟真空预压应力路径的压缩系数与单向压缩时的压缩系数的试验关系,真空预压现场监测和单向压缩量计算结果对比表明了上述分析的合理性。     

真空加固前后软土工程地质性质研究

借助X-射线、扫描电镜及计算机图像处理等技术，对海积软土真空预压加固前后的结构特征进行定量分析，并结合室内试验，对比研究土体微观结构和工程性质的变化，探讨真空预压加固的机理。研究表明真空预压加固效果明显，软土工程性质得到改善。加固前软土的微结构以蜂窝状、团粒-絮凝状结构为主，大孔隙较多；加固后以团粒状结构为主，粒内和粒间孔隙变小；加固后结构单元体和孔隙未形成明显的定向性。这与堆载预压加固的结构变化显著不同。真空预压加固是在球应力即等向压力下固结。     

真空预压法及真空-堆载联合预压法的室内试验研究

通过室内试验,研究了试样在模拟的堆载预压、真空预压、真空-堆载联合预压以及各向等压4种情况下土体的固结变形特性。结果表明,在真空预压模拟试验情况下,试样的变形、加固情况等指标与各向等压模拟试验下的情况很接近,即：试样的竖向变形小于堆载预压模拟试验情况下试样的竖向变形,土性改善程度要优于堆载预压的情况。而真空-堆载联合预压模拟情况下,试样的竖向变形大于真空预压的情况,加固效果好于堆载预压的情况,总体上具有更好的加固效果。     

真空联合堆载预压近海软基加固效果分析

根据舟山近海软基处理的监测数据,详细分析了地表沉降、分层沉降、孔隙水压力及土体水平位移等变化规律。分析表明:6 m以下土层预压后单位土体的压缩量较大,与该土体土质和预压前土层未被压缩有关;每级堆载的施加使孔压相应增加,但因真空预压占主导地位加之孔压的转化,使孔压仍呈下降趋势,且产生的联合超静孔压始终小于0, 说明采用真空联合堆载预压加固软基过程中,抽真空形成一定的负超静孔压后,快速堆载不会出现地基失稳现象;一定深度下土体水平位移由收缩变为向外挤出,是因井阻使真空度沿深度衰减较大,产生的真空吸力小于堆载产生的向外的附加应力。真空联合堆载预压的有效影响深度可达塑料排水板以下4 m。     

考虑初始应力的坑侧土体真三轴试验研究

针对基坑开挖过程中坑侧土体的应力路径,采用真三轴仪进行考虑初始应力状态下侧向卸荷试验,并与常规三轴试验以及轴向加荷真三轴试验结果进行对比分析,结果表明： 曲线类似于常规三轴剪切试验的 曲线,呈双曲线关系;由于中主应力的影响,土体的初始强度得到提高,真三轴加荷试验初始切线斜率总是大于常规三轴试验的初始斜率;在侧向卸荷的条件下,土体可以在相对小的应变下发生破坏,加荷路径下破坏,土体应力强度要大于卸荷路径。     

真空排水预压下土体变形的应力路径分析

通过室内试验, 对真空排水预压下土体变形特性进行了应力路径分析, 测定软土地基在真空预压加固后应力路径的改变对沉降量的影响, 论证真空排水预压加固软土地基不能消除其剪应力引起的剪切变形, 结合实例, 计算其后期沉降量与固结沉降量的比值, 并推算软土地基在真空预压下其最终沉降量计算公式的修正系数。     

真空作用面位置对加固效果影响的试验研究

工程中应用广泛的真空预压法和真空-堆载联合预压法主要是指真空作用面位于地表面,通过从上部抽真空实现预压的目的,但对于吹填造陆工程,则不十分合理。通过室内试验模拟上位抽真空和下位抽真空,分别从土体的物理力学性质、沉降量、排水量等几个方面对2种预压方法的加固效果进行了比较分析,阐述了真空作用面位置对加固效果的影响。试验结果表明：下位抽真空的加固效果优于上位抽真空。