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.     

干湿循环下粉质黏土强度及变形特性试验研究

为了研究干湿循环作用下粉质黏土强度及变形特性的变化规律,以取自三峡库区某边坡的原状粉质黏土为研究对象,通过干湿循环和三轴剪切试验,对不同荷载条件下,经历不同干湿循环次数的粉质黏土的强度和变形进行了研究。结果表明:随着干湿循环次数的增加,强度峰值、有效黏聚力和割线模量都逐渐降低,且先快后慢;而有效内摩擦角保持稳定。干湿循环对原状粉质黏土强度和变形特性的劣化是因为裂隙的开展破坏了土体的结构。荷载约束了干湿循环时裂隙开展,从而抑制了干湿循环的劣化作用,荷载越大,抑制能力越强。最后,通过拟合试验数据,对干湿循环作用下的原状粉质黏土的摩尔-库仑强度准则表达式进行了修正。     

天然沉积粉质黏土的应力路径试验研究

天然沉积土在沉积过程中产生了结构性和各向异性,使其受力变形特性与重塑土存在明显的差异。实际工程中的天然土体往往在受荷过程中会经历不同的应力路径,因此,需要开展考虑结构性和各向异性影响的应力路径试验。通过研究不同应力路径下土体的力学特性,为建立复杂应力路径下的合理的本构模型提供试验依据。采用大直径PVC管取样器获取张家港地区地下2.5 m深的粉质黏土不扰动土样,通过GDS三轴仪对土样进行了K0固结不同排水应力路径试验。结果表明,应力路径对不扰动土样的体积变形和剪切变形均有显著影响,且球应力和偏应力对土的体应变和剪应变存在交叉影响。无论以体积变形为主还是剪切变形为主的应力路径下,应力-应变曲线都有明显的屈服性状。通过描绘试验所得各应力路径下的屈服点,获得张家港不扰动土样的屈服轨迹大致呈倾斜的椭圆形状,采用Wheeler模型的屈服面与试验屈服点的吻合程度要优于Nakano模型。     

一种饱和粉质黏土的热固结特性试验研究

采用自行研制的温度控制固结试验装置对一种饱和粉质黏土的热固结特性进行室内试验。研究表明,在不同的有效固结压力作用下饱和试样的孔隙水压力变化趋势以及固结体应变变化趋势类似。在温度升高过程中,由温度导致的孔隙水压力不断增大,当温度达到设定温度时,试样内的孔隙水压力也达到峰值,而且随着有效固结压力的增大,孔隙水压力峰值似乎略有增大。此外,温度升高后的固结排水量远大于温度再降低后的吸水量,亦即经过升温和降温过程,试样总体产生明显的收缩变形。     

粉质黏土地层超大直径泥水盾构隧道地表变形与施工参数相关关系研究

本文以粉质黏土地层超大直径泥水盾构隧道为工程背景,分析了地表变形特征随盾构掘进参数的变化规律。并针对粉质黏土地层隧道施工监测数据进行分析,提出了超大直径泥水盾构下穿建构筑物的施工关键控制参数。研究结果表明:不同施工参数对地表变形的影响存在显著差异,注浆量相对最大,刀盘扭矩和贯入度相对次之,刀盘推力、泥水压力、注浆压力和掘进速度相对最小。注浆量对地表变形的影响随隧道埋深的变化而变化,当隧道埋深小于一倍洞径时,注浆量对地表变形影响相对较大;当隧道埋深大于一倍洞径时,注浆量对地表变形影响相对较小。刀盘推力与泥水压力、注浆压力以及水土压力之间存在较好的相关关系。当泥水压力比水土压力约大0.1 MPa,注浆压力比水土压力约大0.3MPa时,盾构下穿建构筑物造成的地表变形相对较小,盾构地质适应性得以显著优化。相关研究成果可为后续粉质黏土地层超大直径盾构隧道地表变形分析和施工参数优化等提供理论依据和技术支撑。     

主应力轴旋转下K0固结饱和粉质黏土孔压及变形特性试验研究

主应力旋转将加速孔压和塑性应变的累积,影响土体的力学特性。为研究主应力轴循环旋转对 固结饱和粉质黏土孔压和变形的影响,利用GDS-HCA试验系统开展了不同应力路径的 固结饱和粉质黏土不排水循环三轴试验和循环扭剪试验,研究了主应力轴循环旋转对 固结饱和粉质黏土累积塑性应变、孔压等动力特性的影响。结果表明：动剪应力幅值、心形应力路径所包围的面积、循环偏应力幅值等均随循环剪应力比和循环动应力比的增大而增大。试样未发生破坏时, 固结饱和粉质黏土的孔压比随着振动荷载作用次数的增加而增大;当试样发生破坏时,孔隙压力迅速消散,孔压比急剧下降。循环扭剪试验时试件产生的轴向累积塑性应变始终大于循环三轴试验产生的累积塑性应变,说明主应力轴循环旋转会加速试件轴向应变的累积。试件的累积塑性应变随循环剪应力比和循环动应力比的增大而增大。循环动应力比越大时,主应力轴旋转造成的轴向累积塑性应变差异越显著。在Monismith幂次函数模型的基础上,建立了主应力轴循环旋转条件时K0固结饱和粉质黏土累积塑性应变方程,并对模型的可靠性进行了分析和验证。     

初始含水率对冻结粉质黏土变形和强度的影响规律研究

冻土的变形和强度受温度、水分及压力的影响甚为显著。通过对-6 ℃的冻结粉质黏土在初始含水率为12.5%～20%范围内进行一系列的三轴试验,分析初始含水状态对冻土变形和强度的影响规律。研究发现,当初始含水率较低时,随着围压的增大,冻结粉质黏土相继出现应变软化和应变硬化特征;当初始含水率大于16%时,其应力-应变关系主要呈现出应变软化特征;随着初始含水率的增大,初始切线模量随围压从线性缓慢增大逐渐过渡为抛物线形的分布。同时,根据包络线定理,建立非线性摩尔-库仑强度准则,用以描述初始含水率为12.5%、14%和16%的冻结粉质黏土强度随围压变化的非线性;当初始含水率为18%和20%时,其强度可用线性摩尔-库仑强度准则描述。     

基于直剪试验的土体变形时间效应及状态类别分析

开展了不同剪应力水平下土体剪切位移的时间效应特征分析,提出了随剪应力水平增加,土体变形状态对应呈现快速稳定、缓慢稳定、缓慢破坏和快速破坏4种演化类别。通过粉质黏土蠕变直剪试验,对不同压实度下与剪应力水平相对应的土体剪切位移时间效应的4种状态类别进行了研究。采用幂函数拟合剪切位移时间历程试验数据,将幂次值作为划分变形状态类别的理论判据,基于幂次值与剪应力水平对应关系的曲线形态特征,得到了土体4种变形状态对应的3个剪应力水平阈值,提出了基于Coulomb强度公式表达的相应变形状态强度参数及其与极限状态强度参数的关系式。针对高速铁路无砟轨道路基工后沉降控制须满足毫米级变形的特殊要求,明确了应将土体变形时间效应控制于快速稳定状态作为路堤填料选择及压实标准的设计原则和技术条件。所得成果对构建高速铁路路基土工结构变形状态控制设计技术提供了理论和试验依据。     

粉质黏土堤防漫溢溃决试验

为研究粉质黏土堤防漫溢溃决破坏过程及其对水流要素和土体性质的响应规律,以河道流量、筑堤土体含水率和孔隙率为变量,在弯道水槽中开展了9组堤防漫溢溃决概化试验.通过试验发现,粉质黏土堤漫溢溃决溃口发展过程可分为垂向侵蚀和横向扩宽两个阶段,垂向侵蚀阶段以"陡坎"后退为主要形式;筑堤土体含水率与孔隙率不仅影响了溃口垂向侵蚀以及横向扩宽速度,而且决定了溃口最终形态,河道流量主要影响堤防溃口的横向扩宽速度;溃口处流速以及下游水位变化受溃口高度的制约.拟合得到土体黏聚力与土体含水率、孔隙率的相关关系式;通过试验数据提出了由土体黏聚力和水流参数表达的"陡坎"侵蚀后退速度计算公式,证明具有一定合理性.     

重庆主城区粉质黏土动力特性研究

采用自振（共振）柱和动三轴试验方法,得到重庆主城区粉质黏土动剪切模量和阻尼比随剪应变变化试验结果,比较分析试验值、文献[1]给出的推荐值和文献[2]给出的规范值的差异,并通过土层反应计算初步给出了这种差异对地表反应谱的影响,结果表明：(1) G/Gmax-γ关系中,规范值在中等应变时给出的G/Gmax比试验值和推荐值低;大应变时,相比较于试验值和推荐值,规范值衰减更快;(2) 相比较于λ-γ关系,G-γ关系经过Gmax归一化后,更具有一致性,粉质黏土阻尼离散性较大;(3) 试验值和推荐值计算的地表反应谱相差较小,但试验值和规范值计算的地表反应谱相差较大,特别是在随着输入地震动强度增大,这种差异性更显著。分析表明,重庆主城区进行土动力计算过程中,当无土动力特性试验资料时,选用规范值具有一定的局限性和风险,相比较于规范值,推荐值在一定程度上更具适用性。     

高速铁路路基戈壁填料地基系数与变形模量分析

以兰新铁路第二双线路基试验段戈壁填料现场填筑试验为依据,分析了路基压实指标K30与Ev2的区别与联系;总结了4个试验工点K30与Ev2及Ev1变形曲线特性,并对地基系数K30与变形模量Ev的相关性进行了分析。结合室内土工试验,对影响K30与Ev2的因素进行总结。结果表明：填土的密实程度是影响K30与Ev1及Ev2/Ev1的主要因素;填料的性质是影响Ev2的主要因素,对 Ev2/Ev1也有较大影响;Ev2为填料的特征参数,反映了路基的刚度;K30为填土压实质量控制指标,K30与Ev1的相关性较好,与Ev2的相关性相对较差,K30与Ev1及与Ev2的相关性的好坏还与填料的性质有关,检测指标越离散,相关性越差     

循环荷载下路基红黏土临界应力水平分析

根据设计改装的循环动单轴压缩试验,研究不同含水率、不同轴向应力水平、不同循环加载次数、不同应力加载路径条件下路基土的塑性力学行为,并结合shakedown概念,界定了循环动荷载作用下红黏土的安定界限（shakedown limit）和临界应力水平,系统地分析了影响循环动荷载作用下路基土力学行为的因素和永久变形的发展趋势,以及路基土在循环载荷作用下的力学行为发展规律。通过试验结果的分析,把红黏土的塑性变形分为稳定、破坏和临界3个阶段,并按3个阶段划分出可接受状态和不可接受状态,由此确定路基红黏土在循环荷载作用下的临界应力水平为41.8 %。     

铁路路基压实质量检测中的小型平板载荷试验分析

合理高效地进行路基填土压实质量检测对保证工程质量、提高施工效率具有重要意义。通过在室内开展精细的地基系数K30与变形模量Ev2、Ev1试验,对比分析了两种小型平板载荷试验的特点,重点讨论了变形稳定和等时间隔两种加载方式对试验效率和试验误差的影响规律,得到以下结论：K30较Ev2更能直接反映路基的压密程度,每级荷载的保持时间对试验结果有显著影响,满足1%沉降稳定控制标准需较长的试验历时;K30试验的沉降稳定控制标准由1%改为2%、或加载时间间隔为6 min,可缩短30%～50%试验时间,K30值误差在10%以内;提出了K30试验加载的荷载-时间控制法（P-t法）,用于铁路路基砾石类填料压实质量的K30检测具有良好适应性。     

An analytical study of the effect of penetration rate on piezocone tests in clay

Finite element cavity expansion analysis investigating the effect of penetration rate on piezocone tests in clay is presented. A coupled analysis was performed, in which the rate of cavity expansion was linked to the penetration rate of the cone and the cone angle, using the assumption that the deformation was wholly radial, and took place only between the cone tip and the cone shoulder. The soil was modelled using modified cam clay with two sets of parameters and varying values of overconsolidation ratio (OCR). The influence of penetration rate on the stress and pore pressure distributions was examined. For slower penetration rates, the excess pore pressure at the cone shoulder is lower since consolidation is permitted coincident with penetration. The radial profiles of post‐penetration voids ratio demonstrate that partially drained penetration is permitted by volume change in the near field, in addition to radial movement in the far field. The radial distribution of excess pore pressure after slow penetration differs from the undrained case, with a relatively low radial gradient existing at the cone face. As a result, the dissipation curves after slow penetration lag behind those following fast penetration. The cone velocity is made dimensionless by normalizing with the coefficient of consolidation and the cone diameter. ‘Backbone’ curves of normalized velocity against normalized tip resistance and excess pore pressure capturing the transition from undrained to drained penetration are derived. The normalized pore pressure backbone curve is unique, whilst the normalized tip resistance shows a small dependency on OCR. These backbone penetration curves are compared with centrifuge model piezocone tests conducted at varying rates, and subsequent dissipation tests. The numerical and experimental results suggest that the value of consolidation coefficient operative during the dissipation phase is 2–4 times higher than the virgin compression value due to changes in the operative soil stiffness, as demonstrated from the stress paths of individual soil elements. The use of multi‐rate penetration tests to deduce values of consolidation coefficient is discussed, in light of these differences. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

饱和软黏土地基静压管桩承载力时间效应试验研究

对饱和软黏土地基中的静压管桩进行隔时复压试验发现,复压起动压桩力在沉桩25 d后的增长幅度达2.5倍以上,且前期增长较快而后期较慢。理论分析及试验对比证明,利用隔时复压起动压力作为静压桩极限承载力是合理的,而且可以观察到承载力短期内的变化,是进行承载力时效性研究的有效试验途径,分析后认为承载力的增长主要是由于桩侧黏土抗剪强度的提高所致。通过修正得到黏土层桩侧单位面积侧阻力的增长曲线,回归分析得出3种不同的预测公式,对比发现基于对数函数的预测表达式更接近实际情况。     

极细颗粒黏土渗流的微电场效应分析

采用渗流固结法试验结合颗粒表面电位分析,研究极细颗粒黏土的渗流的微电场效应,在相同试验条件下完成了5种含不同百分比的人工高岭土与人工膨润土的试样的渗流特性测试。测试结果表明,微孔渗流的微电场效应对极细颗粒黏土的渗流特性有相当显著的影响,随着孔隙液离子浓度的升降或土颗粒表面电位的增减,试样的渗透系数会随之发生改变;在相同的孔隙液离子浓度下,随着膨润土相对含量的增加,试样的渗透系数随之降低。对科威特软土的渗流固结试验证实了人工土的微电场效应的产生机制与变化规律同样适用于天然软土。试验结果分析认为,在黏土-水-电解质系统的相互作用下,黏土矿物通过土颗粒表面的结合水影响试样的渗流特性,而土颗粒表面电荷的微电场作用是极细颗粒黏土渗流特性改变的内在原因之一。     

基于梯度塑性本构理论的岩样侧向变形分析(II): 尺寸效应及弹性回跳

提出了利用不同尺寸试件的轴向应力-应变曲线得到轴向应力-侧向应变曲线的一种方法，并研究了结构尺寸对轴向应力-侧向应变曲线的影响。根据尺寸不同试件的轴向应力-轴向应变曲线的实验结果，并基于梯度塑性理论的解析解，在应变软化阶段，确定出了各种试件的剪切带条数。由此求出了不同宽度试样的轴向应力-侧向应变曲线。剪切带条数与试件宽度之比是决定轴向应力-侧向应变曲线特征的关键指标。若该比率为常量，则上述曲线不具有尺寸效应。当宽试件及窄试件在局部化启动后，在试件内部都出现一条剪切带时，随着试件宽度的增加，该曲线越陡，甚至出现回跳。上述方法也可用于分析轴向应力-环向应变曲线的尺寸效应问题。尺寸效应的原因是局部化，但局部化并非总引起尺寸效应。     

基于梯度塑性本构理论的岩样侧向变形分析(Ⅰ):基本理论及本构参数对侧向变形的影响

研究了岩样在单轴压缩条件下轴向应力．侧向或环向变形的全程曲线特征。基于考虑峰值剪切强度后微小结构之间相互影响和作用的梯度塑性理论，得到了由于剪切局部化而引起的侧向塑性变形。利用虎克定律描述了试件的弹性变形，得到了轴向应力．侧向变形全程曲线的解析解。在软化阶段，试件中部侧向变形及对靠近试件上端或下端部位的侧向变形并不相同。与轴向应力．应变曲线可能出现的回跳现象类似。试件中部轴向应力．侧向应变曲线也可能出现回跳现象。在应变软化阶段，与应力．侧向应变曲线相比，应力．环向应变曲线不容易发生回跳现象。若在试件内部出现多条剪切带，则应该以等效剪切带宽度替代本文中的剪切带宽度。随着剪切带倾角、内部长度参数的降低、剪切模量的增加及弹性模量的降低，轴向应力．侧向应变曲线越陡；甚至能出现弹性回跳。     

软土中单桩桩侧承载力时效性理论解

以有效应力原理为基础,结合考虑应变软化、桩径和弹性区孔压分布等因素的桩周土固结解,推导出软土中单桩桩侧承载力时效性的理论解。与传统桩的承载力时效性简化分析方法不同,该理论解不仅考虑了多土层地基中各土层刚度指数的差异对固结过程的影响,还考虑了各土层因固结系数不同对孔压消散速率的影响。通过现场不同间歇期的单桩载荷试验测试结果验证了其合理性     

考虑空间效应的软土隧道上方卸荷变形分析

隧道上方基坑的空间效应对隧道变形存在较大影响,提出了一个新的可以考虑空间尺寸效应影响的卸荷比模型,该模型能综合考虑上方基坑深度、宽度和基坑沿隧道纵向长度的影响。通过三维有限元数值分析法和实测分析法,研究了上方基坑空间效应对隧道变形的影响。数值分析和监测数据表明,盾构隧道变形主要是由盾构隧道上方主要覆土区内的外部施工作业引起,主要覆土区之外基坑施工作业对隧道最大隆起量的影响较小,主要覆土区内隧道最大隆起量与提出的卸荷比近似呈线性关系。软土地区的隧道上方基坑工程可通过控制卸荷比来控制隧道的竖向变形。