冻结黏土三轴试验微观变形机理的离散元分析

基于三维颗粒离散单元法,赋予颗粒相应的细观参数,并采用黏结发生在接触颗粒间有限范围内的模型来考虑冻土颗粒中冰的胶结作用,建立了冻结黏土三维离散元数值模型.在相同围压、不同温度和相同温度、不同围压下对冻结黏土的室内三轴试验进行数值模拟,对比了数值试验与室内测试的应力-应变曲线,两者吻合较好.数值模拟结果表明:围压增大会使得接触黏结逐渐失效,在剪切带中胶结冰的破坏区域将增大,而温度的降低则会产生相反结果,这些微观变化都将对冻结黏土的宏观力学变形产生较大影响,同时,细观参数对温度的依赖性也很明显.冻结黏土三轴试验微观变形离散元模拟思路及方法可为今后运用离散单元法研究冻土力学行为提供一定的参考.     

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。     

冻结粉质黏土三轴抗压强度和变形特性试验研究

通过对-6℃冻结粉质黏土在1～9 MPa的围压范围内进行一系列的三轴压缩试验,分析了冻土的变形和强度特性.结果表明：不同围压下,冻结粉质黏土的应力-应变曲线形态基本相似,而软化程度及初始阶段的硬化速率则有所不同.根据摩尔-库仑准则,得到广义黏聚力和广义内摩擦角随围压的变化规律,同时基于包络线理论建立非线性强度准则,以描述冻结粉质黏土强度随围压先增大后减小的变化规律.     

空心圆柱扭转仪定向剪切试验离散元模拟

为分析砂土在复杂应力条件下的剪切力学特性,采用商业离散元软件PFC3D对单粒组中密砂的空心扭剪试验进行了仿真模拟,分析了数值试样的应力-应变关系,研究了不同剪切方向下离散介质的强度、体积应变特性以及中主应力比对它们的影响,再现了力链在加载过程中的演化,并对剪切带的倾角做了深入分析。同时,从细观上看,以颗粒接触数和纯转动率变量为中心,观察了试样内部颗粒的运动状态,对比了不同剪切方向下剪切带内外颗粒接触数与纯转动位移的变化。最后,将数值试验结果与已有的室内试验结果进行了对比。此研究实现了复杂应力条件下空心扭剪试样的三维离散元模拟,加深了对空心扭剪试验过程和结果的理解和解释。     

复杂应力条件下掺砾黏土真三轴试验

采用新型真三轴仪器,对掺砾黏土进行了复杂应力条件下加载试验,近似模拟了土石坝填筑期心墙土体单元的加荷过程。试验结果表明,由于土体单元处于复杂应力状态,即使是单向加载这样的简单加荷应力路径,在不同应力方向上的应力和变形也都呈现显著的应力各向异性。土石坝应力变形分析中坝体单元处于三向应力条件下,由于加载引起的应力各向异性对心墙乃至整个坝体的应力变形规律都有较大影响,合理的本构模型应该能够反映并描述这种复杂应力状态下的应力各向异性。     

原位冻结黏土单轴压缩试验研究

采用沈阳原位冻结黏土制备了冻土单轴压缩试样,进行了冻结黏土的单轴压缩试验,获得了冻结黏土单轴压缩载荷-位移关系曲线,并对原位冻结黏土的破坏特征进行了研究。试验表明,原位冻结黏土在给定温度（-15℃）和加载速率范围（2.5×10-2~1.0×10-5 mm/s）下,开始均具有一定的线弹性压缩过程,随后产生微裂纹,而冻土也进入塑性硬化阶段,随着裂纹的扩展与贯通,最终达到剪切破坏。原位冻土的破坏形型表明,由于其固有的结构性,使之与重塑土的单轴压缩破坏特征具有明显的不同。     

冻结负温对海相淤泥质黏土变形特性影响的研究

冻融后土体的渗透性、压缩性和固结特性是影响其冻结法施工工后变形速率和变形量的重要因素。本论文采用上海第四系滨海-浅海相淤泥质黏土,在-5～-25℃冻结负温下制备融土试样,通过含水率、密度、渗透和固结等一系列试验系统地揭示了冻结负温对沿海软黏土变形特性的影响;且结合不同冻结负温下冻融前后土体含水率、密度的差异,对软黏土竖向渗透系数、压缩系数等影响机理进行了探讨。结果表明：在封闭系统中经历一次冻融循环后,融土含水率、密度减小,渗透性、压缩性增大。随着冻结负温的降低,冻融作用对含水率的影响减弱,而对密度的影响增强。冻融作用引起的土体内部水分重分布和自由水相变是造成土体结构改变的根本原因,其结果导致土体冻融前后渗透性和压缩性的差异。融土压缩系数与初始孔隙比符合指数关系,故可通过室内试验结合拟合公式为变形量预测提供参数取值依据。融土垂向固结系数随冻结负温的降低呈线性减小,因此在变形量计算时应对冻结范围内土体进行温度分区。以上试验结果有助于推进冻结负温对软黏土变形特性的定量研究,为沿海软土地区冻结法应用提供依据。     

交通荷载引发主应力轴旋转下软黏土变形与强度特性试验研究

交通、波浪、地震等循环荷载引发不同主应力方向变化模式,对软土地基长期沉降与稳定产生显著影响。为研究饱和软黏土在交通荷载下的长期动力特性,借助空心圆柱扭剪仪开展偏应力空间中主应力轴心形线旋转、圆形旋转与定向剪切等3类主应力方向变化路径的室内模拟,对比研究了不同试验条件下试样不排水塑性累积变形、孔压、临界动应力比与动强度特性的发展规律,研究表明：（1）不同主应力轴旋转路径下土体临界应力比由低到高依次为主应力轴圆形旋转、主应力轴心形旋转、拉压非等幅三轴路径。与前面临界应力比分布相对应,在轴向累积应变稳定型中,产生的塑性累积变形与极限孔压依次减小;（2）振次大于一定数值时,不同主应力方向变化路径下稳定型试样的轴向累积应变与时间的对数具有良好的线性关系,并依此建立了轴向塑性累积变形方程;（3）与轴向塑性累积变形相对应,动力荷载下土体孔压增长也存在3种发展规律,主应力轴连续旋转路径下临界型破坏的土体孔压-应变时程曲线呈三阶段两相态点模式;（4）在其他条件均相同时,土体在主应力轴圆形旋转路径下强度最小,在主应力轴心形旋转路径下的次之,在拉压非等幅动三轴路径下最高。     

偏应力比和应力主轴偏转角同时变化下饱和砂土变形特性研究

利用空心圆柱扭剪仪对饱和砂土进行了应力主轴固定和偏应力比增大（即定向剪切）、偏应力比不变和应力主轴单调旋转（即纯应力主轴单调旋转）、偏应力比和应力主轴偏转角同时增加、偏应力比和应力主轴偏转角分段增加4个系列的排水剪切试验,着重分析不同应力路径下饱和砂土的变形特性及主应力和主应变增量方向变化规律。试验结果表明,纯应力主轴单调旋转下,主应力增量方向在45°～135°范围内变化,主应变增量方向逐渐偏向主应力方向;偏应力比和应力主轴偏转角同时增加下,砂土变形不断增大,当主应力增量方向 45°时,主应变增量方向与主应力增量方向基本一致,但当 45°时,主应变增量方向逐渐偏离主应力增量方向。当应力状态在偏应力比 0.75、应力主轴偏转角 45°范围内时,体应变、最大剪应变与应力路径无关,且后期纯应力主轴旋转下砂土变形不受前期加载历史的影响。     

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。     

主应力轴旋转条件下冻结黏土的动强度特性北大核心CSCD

研究冻土动强度对寒区工程和人工冻结工程施工及安全性评价具有重要意义。为了揭示主应力轴旋转对冻结黏土动强度特性的影响,利用空心扭剪仪开展不同围压下冻结黏土动三轴和空心扭剪试验,探讨了主应力轴旋转对冻结黏土动强度、动黏聚力和动内摩擦角变化规律的影响。结果表明:主应力轴旋转导致冻结黏土试样的动强度降低,围压越低主应力轴旋转对动强度影响效果就越明显;随着震动次数的增多,主应力轴旋转条件下冻结黏土动黏聚力衰减速度相对于主应力方向固定时加快;不同于主应力轴方向固定条件下动内摩擦角随震动次数增多而衰减的特点,在主应力轴旋转条件下动内摩擦角随震动次数增多而增大。另外,研究显示主应力轴旋转条件下动强度、动黏聚力和动内摩擦角均与震动次数的对数呈良好的线性关系,用线性方程对其进行了拟合,并给出拟合系数和确定系数。     

循环荷载作用下高温-高含冰量冻土特性试验研究

为了研究高温-高含冰量冻土这种极不稳定土体的动力学特性,开展了固结围压为0.3、0.5、1.0、3.0、5.0 MPa,控制温度为-0.5、-1.0、-2.0、-4.0 ℃、初始含水率为50%的高含冰量青藏线重塑冻土的动三轴试验。根据试验结果,提出了用广义的双曲线模型来描述动应力-应变关系,并且给出了模型参数预报关系式;基于动弹性模量和轴向应变之间的非线性关系,提出?3 =0.5 MPa为临界围压。当围压大于0.5 MPa时,动弹性模量随着动应变的增大呈减小的趋势;当围压小于0.5 MPa时,动弹性模量随着动应变先增大后又减小;此外,动阻尼比随应变幅值和围压的增大而增大,随着温度的降低,动阻尼比变小。     

复杂应力条件下原状饱和海洋黏土残余变形特性试验研究

针对取自黄河三角洲地区的原状饱和海洋软黏土,进行了一系列非均等固结条件下的应力控制式双向耦合循环剪切试验,着重探讨了初始大主应力方向角?0、循环剪切荷载分量比R以及循环应力水平（用循环应力比Rc来表示）对饱和海洋黏土残余变形特性的影响。试验结果表明,?0对循环剪切过程中产生的残余轴向应变?r、破坏时的?r以及残余轴向应变比?r /?rmax与循环次数比N/Nf之间的关系具有显著影响。随着R值减小,循环剪切过程中产生的?r逐渐减小,且破坏时的?r亦逐渐减小。对应相同N/Nf,随着R值减小,?r /?rmax值先增大后减小。试验数据经归一化处理后,不同R值对应的εr /εrmax-N/Nf关系曲线集中于一个狭窄的条带内,可用统一的表达式来表示。?0 =0°与90°时,不同R值对应的残余剪应变?r –循环次数N关系曲线差异性并不十分明显,而?0 =30°与60°时,R对?r -N关系影响显著。低应力与高应力水平循环荷载作用下?r与?r随N的增加变化规律差异性明显,分别建议了相应的?r /?rmax-N/Nf关系表达式。     

青藏高原冻结粉质黏土直剪蠕变特性试验研究

针对青海-西藏±500 kV直流联网输电线路工程塔基基础设计问题,在青藏高原五道梁处取地表粉质黏土,制备不同含水率、不同密实度的重塑土样,在-2 ℃条件下进行了直剪蠕变试验。结果表明,冻结粉质黏土剪切蠕变曲线除了在个别较高应力下具有加速蠕变阶段外,大多数蠕变曲线只有非稳定蠕变和稳定蠕变2个阶段,表现为衰减型蠕变。通过长期强度方程计算出冻土长期强度衰减值。冻结粉质黏土长期强度与含水率、密实度密切相关：在含水率较低情况下,冻土长期强度随含水率的增加较为明显,之后随含水率的增加,冻土长期强度逐渐降低;相同含水率情况下,密实度大的冻土长期强度较高。     

杭州软黏土非共轴特性的试验研究

利用空心圆柱扭剪仪对杭州软黏土进行了一系列不排水试验,包括对原状软黏土在不同主应力方向上的定向剪切试验和主应力轴旋转试验以及对重塑软黏土的主应力轴旋转试验,主要研究不同应力路径下软黏土非共轴角的发展特性以及中主应力系数b、初始剪应力水平和次生各向异性对其非共轴特性的影响。试验结果表明,软黏土的非共轴特性虽与砂土存在相似之处,但又不尽相同。原状软黏土在定向剪切条件下的非共轴角均较小,并且与加载方向有关,然而受剪应变发展的影响,试样接近破坏时的非共轴角并不为0°;主应力轴旋转条件下,无论原状还是重塑黏土其非共轴角均随主应力方向角? 增加而循环波动变化,且周期约为90°;非共轴角基本随中主应力系数b的增加而减小,但这种影响并不十分显著;剪应力水平对非共轴角的大小和发展趋势均存在一定的影响。对于重塑土的试验表明,软黏土的非共轴特性并不完全由土体的初始各向异性所决定,次生各向异性的影响也很大。     

低围压下冻结粉质粘土的三轴强度及变形分析

高围压和低围压对冻土的变形性能及力学指标有不同的影响。对冻结粉质粘土进行了3种负温、4种围压下的三轴试验。试验结果表明：在温度相同时,不同围压、不同应变速率下的应力-应变曲线具有相同的形态,其三轴抗剪强度与围压及温度有明显的线性关系,与应变速率成指数关系;变形模量与围压没有明显的相关关系,但与温度成线性关系,与应变速率成指数关系。而且从冻土结构角度分析了冻土变形及其强度表现的内在原因。     

上海软土动剪切模量衰减规律的试验研究

为了获得上海软土在循环动力荷载作用下的动力特性,特别是动剪切模量的衰减规律,采用原状第④层上海软土进行等向固结不排水动三轴试验,分析了加载频率和动应力比 对动剪切模量的影响。试验结果表明,对于上海第④层软土,动应力比达到0.2时,土样才发生破坏;土样的剪切模量-累积轴应变曲线不受加载频率和动应力比的影响;剪切模量的衰减下降主要发生在轴应变0～1%区间。最后提出了一个描述剪切模量衰减规律的数学模型。