饱和软土大变形非线性自重固结模型

基于分段线性方法,建立了饱和软土一维自重固结模型（简称SWC模型）。该模型能考虑自重固结过程中土体的大变形效应和材料参数的非线性变化。将该模型的计算结果与相关解析解、现场试验及室内试验结果进行了对比验证,证明了SWC模型能准确计算出大变形和非线性条件下饱和软土的自重固结过程,包括沉降量、平均固结度、孔隙比分布和超孔隙水压力分布等参数随时间的变化过程。随后,以现场试验为基础,采用SWC模型对饱和软土自重固结的4个主要影响因素（即土体初始高度、边界排水条件、初始孔隙比和土粒相对密度）进行了参数分析。结果表明,上述4个参数对软土自重固结过程均具有重要影响：土体初始高度越高,则自重固结沉降量和最终平均应变值越大;边界排水条件对土体自重固结的速度有重要影响,但不影响自重固结的最终沉降量;初始孔隙比越大,则自重固结沉降量越大,其完成自重固结所需时间越短;土粒相对密度越大,则土体的最终沉降量越大,完成自重固结所需时间越短。     

土体三轴试验固结过程解析解

三轴试验是获取土体强度和应力变形特性的一个重要室内试验手段。三轴试验中,排水固结阶段试样的孔压消散及固结完成情况是非常重要的两个核心要素,它是进行后续剪切试验的基础和依据。基于等应变假设,推导了土体三轴剪切试验排水固结过程的解析解,以用于分析整个排水固结过程的孔压消散和固结完成程度。针对室内三轴固结排水(CD)试验,利用所推导的解析解对其排水固结过程的孔压和固结度进行了验算对比。结果表明,解析解计算得到的固结度和孔压消散曲线与室内三轴剪切试验的相应曲线吻合得较好,说明解析解可应用于三轴剪切试验排水固结过程分析。     

饱和软土大变形非线性自重固结模型

基于分段线性方法,本文建立了饱和软土一维自重固结模型(简称SWC模型)。该模型能考虑自重固结过程中土体的大变形效应和材料参数的非线性变化。将该模型的计算结果与相关解析解、现场试验及室内试验结果进行了对比验证,证明了SWC模型能准确计算出大变形和非线性条件下饱和软土的自重固结过程,包括沉降量、平均固结度、孔隙比分布和超孔隙水压力分布等参数随时间的变化过程。随后,以现场试验为基础,本文采用SWC模型对饱和软土自重固结的四个主要影响因素(即土体初始高度,边界排水条件,初始孔隙比和土粒比重)进行了参数分析。结果表明,上述四个参数对软土自重固结过程均具有重要影响:土体初始高度越高,则自重固结沉降量和最终平均应变值越大;边界排水条件对土体自重固结的速度有重要影响,但不影响自重固结的最终沉降量;初始孔隙比越大,则自重固结沉降量越大,其完成自重固结所需时间越短;土粒比重越大,则土体的最终沉降量越大,完成自重固结所需时间越短。     

饱和软土大变形非线性自重固结模型

基于分段线性方法,本文建立了饱和软土一维自重固结模型(简称SWC模型)。该模型能考虑自重固结过程中土体的大变形效应和材料参数的非线性变化。将该模型的计算结果与相关解析解、现场试验及室内试验结果进行了对比验证,证明了SWC模型能准确计算出大变形和非线性条件下饱和软土的自重固结过程,包括沉降量、平均固结度、孔隙比分布和超孔隙水压力分布等参数随时间的变化过程。随后,以现场试验为基础,本文采用SWC模型对饱和软土自重固结的四个主要影响因素(即土体初始高度,边界排水条件,初始孔隙比和土粒比重)进行了参数分析。结果表明,上述四个参数对软土自重固结过程均具有重要影响:土体初始高度越高,则自重固结沉降量和最终平均应变值越大;边界排水条件对土体自重固结的速度有重要影响,但不影响自重固结的最终沉降量;初始孔隙比越大,则自重固结沉降量越大,其完成自重固结所需时间越短;土粒比重越大,则土体的最终沉降量越大,完成自重固结所需时间越短。     

主应力轴旋转下小偏压固结密实粉土崩塌特性及孔压模型研究

为研究主应力轴旋转复杂动应力对偏压固结粉土的性状演变影响,以空心圆柱试样为对象,开展具有不同初始固结比的密实粉土（Dr＝70%）在不排水主应力轴循环旋转下的系列试验。结果表明：①初始固结比不大于1.5时,主应力轴旋转导致试样发生中低应变崩塌,进而液化的脆性破坏模式;而固结比大于1.5时,试样变为应变持续稳定开展至高应变,孔压最终进入动态平衡的延性破坏模式,且不同固结比下试样发生崩塌液化和稳态延性破坏的孔压峰值间不存在交叉。②小偏压固结试样的液化峰值孔压和崩塌孔压均随固结比增加而有规律地下降,但受动剪应力水平影响很小,这与等压固结试样的崩塌孔压值受控于剪应力水平有很大差异。③相同初始球应力水平下,崩塌振次反映的小偏压固结试样强度高于等压固结试样,但在偏压条件下强度与固结比不存在单调变化关系,表明小偏压固结试样崩塌除受制初始围压水平外,很大程度上还取决于偏压程度。④基于上述试验结果,提出了主应力轴循环旋转下小偏压固结粉土的孔压预测模型,该模型不仅突显了崩塌状态对相变及液化破坏的重要预测作用,还反映了固结比和动剪应力对孔压开展的综合影响。     

卸荷损伤原状膨胀土剪切力学特性试验研究

通过GDS三轴试验系统对经历3种卸荷速率损伤后的原状南阳膨胀土样进行再加荷不排水三轴伸长剪切试验,同时考虑了超固结比与固结状态的影响。试验结果表明,膨胀土再加荷剪切力学特性与初始卸荷速率有关。在相同的轴向应变下,初始卸荷速率越小,其偏应力单调越小。在主应力方向改变前后,其应力?应变关系曲线斜率显著变化。相同固结方式与超固结比状态下,孔隙水压力均表现为先增大后减小趋势,孔隙水压力峰值应变随卸荷速率增大而减小。无论是等压固结还是K0固结,初始卸荷速率越大,不排水剪切强度越大。膨胀土样经历了初始卸荷损伤后,再加荷常规三轴伸长试验所得剪切强度均低于无损伤时的强度。以膨胀土破坏强度所得损伤度SD低估了卸荷速率对膨胀土的损伤程度,建议采用孔隙水压力峰值强度进行膨胀土边坡设计计算。原状膨胀土力学性状随卸荷速率损伤的演化规律受卸荷阶段轴向应变大小及裂隙性综合影响。     

堆石料颗粒形状对堆积密度及强度影响的离散元分析

颗粒形状不仅反映颗粒的形成历史,更是影响堆石料物理力学性能的重要因素之一,值得深入研究。采用颗粒流程序PFC3D,根据实际颗粒形状建立不同球度的颗粒模型,并提出了数值试验中获取不同相对密实度试样的流程。讨论了球度对最大、最小孔隙比的影响,其结论与已有试验统计结果基本相符。分别以孔隙比和相对密实度为密度控制指标,对不同颗粒形状的试样进行等向固结和常规三轴试验,并分析了配位数、颗粒长轴各向异性、接触各向异性、结构各向异性等微观变量的变化规律。结果表明,当颗粒圆度较高且级配均匀时,球度对峰值摩擦角影响较小,主要影响残余摩擦角的大小。颗粒形状发生变化时,配位数影响试样强度但不起决定性作用,颗粒形状主要通过影响试样内接触以及接触力的各向异性程度来影响试样宏观表现。     

饱和砾性土不排水动力强度及变形特性试验

砾性土的动力强度和变形特性是分析砾性土地基及其构筑物地震永久变形的基础。本文采用大型动三轴仪对饱和砾性土进行不排水循环三轴试验,系统地研究了两种砾性土在循环加载条件下的不排水强度和变形特性,探讨了循环应力比、平均固结应力、固结应力比、初始孔隙比和循环次数对砾性土变形和超静孔压特性的影响。试验结果表明：砾性土的累积轴向应变和超静孔压比随循环应力比、平均固结应力和初始孔隙比的增大而增大,超静孔压比随固结应力比的增大而减小;当循环次数小于20时,固结应力比对累积轴向应变的影响较小,而当循环次数大于20时,累积轴向应变随固结应力比的增大而减小。根据试验结果,建立了考虑平均固结应力、初始孔隙比、循环次数和累积轴向应变影响的不排水动力强度和超静孔压经验模型,其计算值与试验结果比较吻合,说明该模型可以较为准确地描述循环荷载作用下砾性土的不排水动力强度、超静孔压和累积变形的变化规律。     

基于正交试验法的纳米石墨粉红黏土抗剪强度试验研究

针对红黏土抗剪强度影响因素,采用三轴试验法不固结不排水试验,利用正交试验表格,安排本次试验方案,试验结束后,测试破坏后试样的微观结构,采用综合平衡法分析了含水率、掺量比、围压等因素对抗剪强度的影响敏感性,试验结果表明：干密度一定的条件下,纳米石墨粉掺量和含水率都是影响改良红黏土抗剪强度参数的显著因素;抗剪强度随着含水率和纳米石墨粉掺入比的增加,呈现先增大后减小的趋势;纳米石墨粉红黏土的应力-应变曲线具有明显峰值应力,表现为应变硬化特征;其微观改良机理表现为纳米石墨粉的添加改变了高岭石等黏土矿物的黏结性,致使石墨粉在孔隙中重新凝聚,孔隙减小,增加了土颗粒的胶结作用。     

含水率单次递减条件下粗颗粒硫酸盐渍土盐胀的室内模拟试验

为探究粗颗粒硫酸盐渍土含水率单次递减条件下的盐胀特性,利用自主设计的多功能盐胀试验装置,开展了粗颗粒硫酸盐渍土盐胀率随4因素(孔隙比、含盐量、温度、初始含水率)变化规律的试验研究。试验结果表明,硫酸盐渍土的体积变化受两种效应的影响:含水率递减引起的干缩效应以及土体中硫酸钠相态变化引起的盐胀效应。含水率单次递减过程中硫酸盐渍土的失水速率与硫酸盐渍土的孔隙比、试样温度、初始含水率呈正相关关系;而与硫酸盐渍土的含盐量呈负相关关系。试验结果中部分试样的盐胀率达到了9%,这表明粗颗粒硫酸盐渍土在含水率单次递减条件下引发的盐胀不容忽略。其研究结果可为西北地区高含盐量的残余型硫酸盐渍土的盐胀性评价提供参考依据。     

初始弹性模量的研究

切线模量是增量本构中很重要的一个力学参数,研究其规律性意义很大,本文将从初始弹性模量方面对其进行探讨研究,推导出初始切线模量与围压、超固结比、初始孔隙比之间的关系式,并对杭州某一区域的软土进行了三轴试验进行验证。     

紫坪铺面板坝堆石料颗粒破碎试验研究

采用大型三轴仪对紫坪铺面板坝堆石料进行了单调和循环荷载下的固结排水剪切试验,研究了不同孔隙比情况下颗粒破碎及剪胀的变化规律。试验表明：（1）单调和循环荷载条件下,堆石料颗粒破碎率与塑性功之间存在一致的双曲线关系;（2）峰值应力处剪胀率与颗粒破碎率在半对数坐标中呈近似线性关系;（3）峰值应力处主应力比与相应的剪胀率呈近似线性关系,且上述结果受初始孔隙比的影响不大。研究成果有助于进一步了解堆石料的颗粒破碎特点,对建立复杂应力条件下考虑颗粒破碎和状态相关性的弹塑性本构模型,分析紫坪铺面板堆石坝汶川地震破损机制是十分有益的。     

Discrete simulations of a triaxial compression test for sand by DEM

A quasi‐static homogeneous drained triaxial compression test on cohesionless sand under constant lateral pressure was simulated using a three‐dimensional discrete element method. Grains were modelled by means of particle clusters composed of rigid spheres or spheres with contact moments imitating irregular particle shapes. Attention was paid to the effect of initial void ratio and grain shape mixture on the shear strength, volume changes, force chains, kinetic, elastic and dissipated energies. In addition, the effect of the mean grain size, grain size distribution, grain size range, specimen size and roughness and stiffness of boundaries was numerically analysed in initially dense sand. Some numerical results were compared with available experimental results. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于PFC3D的黄土三轴试验细观参数敏感性分析

从细观角度出发,研究各细观参数对黄土三轴试验宏观力学响应的影响,基于三维离散元PFC3D软件及理论,结合室内三轴试验结果确定数值模拟基本细观参数取值范围,在50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa围压下对三轴试样进行颗粒流模拟,通过改变各细观参数值对黄土数值试样宏观力学行为影响程度及正交试验设计的方式,开展黄土三轴数值模拟过程中摩擦系数、孔隙率、颗粒刚度比k_n/k_s、颗粒粒径分布的敏感性分析,建立土体细观参数与宏观力学的关系式。结果表明:不同围压下数值试样峰值强度和剩余强度均与摩擦系数正相关,与颗粒刚度比、孔隙率负相关,而颗粒粒径分布的变化对其影响均小于2%。低围压下(50 kPa),孔隙率对数值试样峰值抗剪强度和剩余强度影响最大,颗粒刚度比次之,高围压下(200 kPa),摩擦系数对数值试样强度的影响比颗粒刚度比更为显著;对数值试样的初始线弹性模量和应变软化特性影响最大的细观参数为孔隙率,刚度比次之,颗粒粒径分布最小,200 kPa围压下正交试验分析结果与数值分析结果一致。通过改变细观参数取值范围的方式系统地分析了其对黄土三轴试验宏观力学性能的影响,为今后离散元软件用于黄土室内试验研究提供了参考。     

堆石粗粒料颗粒破碎试验研究

利用室内大型三轴试验,对堆石等粗粒料的颗粒破碎进行了分析。结果表明,颗粒破碎率随围压的增加而增加,呈非线性状态,二者之间的关系可以用双曲线表示。颗粒破碎的增加将导致粗粒料的抗剪强度降低,峰值内摩擦角与颗粒破碎率之间呈幂函数关系,不论颗粒的岩性、强度、大小、形状、级配和初始孔隙比等情况如何,试验资料都落在一个狭窄的区域,如果围压和材料的试验参数已知,则可估计颗粒破碎率。     

A density‐dependent elastoplastic hydro‐mechanical model for unsaturated compacted soils

This paper presents a three‐dimensional elastoplastic constitutive model for predicting the hydraulic and mechanical behaviour of unsaturated soils. It is based on experimental results obtained from a series of controlled‐suction triaxial tests on unsaturated compacted clay with different initial densities. Hydraulic hysteresis in the water‐retention behaviour is modelled as an elastoplastic process, with the elastic part modelled by a series of scanning curves and the elastoplastic part modelled by the main drying and wetting curves. The effect of void ratio on the water‐retention behaviour is studied using data obtained from controlled‐suction wetting–drying cyclic tests on unsaturated compacted clay with different initial densities. The effect of the degree of saturation on the stress–strain‐strength behaviour and the effect of void ratio on the water‐retention behaviour are considered in the model, as is the effect of suction on the hydraulic and mechanical behaviour. The initial density dependency of the compacted soil behaviour is modelled by experimental relationships between the initial density and the corresponding yield stress and, thereby, between the initial density and the normal compression line. The model is generalized to three‐dimensional stress states by assuming that the shapes of the failure and yield surfaces in the deviatoric stress plane are given by the Matsuoka–Nakai criterion. Model predictions of the stress–strain and water‐retention behaviour are compared with those obtained from triaxial tests with different initial densities under isotropic compression, triaxial compression and triaxial extension, with or without variation in suction. The comparisons indicate that the model accurately predicts the hydraulic and mechanical behaviour of unsaturated compacted soils with different initial densities using the same material constant. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

钙质砂与硅质砂液化特性对比试验研究

钙质砂颗粒具有形状不规则、多孔隙、强度低、易破碎等特点,较硅质砂表现出更为复杂的液化变形特性.本文对相同级配的钙质砂和硅质砂进行了物性试验、不排水循环三轴试验、轻型动力触探试验,研究两种砂在物理性质、抗液化能力和贯入阻力三方面的差异,分析实验结果得到结论如下:(1)钙质砂比硅质砂具有更大的孔隙比和内摩擦角,这与钙质砂颗...     

高压力下原状层间错动带三轴不排水剪切特性及其影响因素分析

针对某大型水电站揭露的原状层间错动带试样,模拟现场快速施工可能会产生的不排水边界条件,在围压5～30 MPa的高压力条件下开展了不固结不排水三轴试验,并结合试样物理性质的差异,分析讨论了原状层间错动带的力学特性。试样试验曲线和破坏模式主要由高围压控制：其应力-应变关系曲线均为应变硬化型且破坏后呈腰鼓状为塑性破坏。此外,较湿颗粒发生了大规模的颗粒破碎,其是造成高饱和度试样强度包线的趋势线随围压降低的根本原因。试验结果明显受物理性质影响造成了试验数据离散性,敏感性分析表明,围压P和饱和度 对初始弹性模量 和破坏强度 的影响最大,其次是孔隙比e,颗粒粒径（ ）分布对其影响程度最小。根据试样剪切特性建立的强度特征（ 和 ）初步预测公式可供实际工程参考。     

筑坝反滤料动剪切模量和阻尼比影响因素试验研究

采用多功能静动三轴仪开展了筑坝反滤料的动剪切模量和阻尼比试验,并对其影响因素进行了试验对比分析,建议了一个综合反应固结应力比、孔隙比和试验级配特征的最大动剪切模量计算公式。试验和分析结果表明,固结应力比对最大动剪切模量的影响可采用幂函数来进行拟合,孔隙比的影响可采用指数函数来进行拟合,试验级配的影响可通过不均匀系数Cu和曲率系数Cc的线性函数来表达。各种影响因素对阻尼比均有影响,但各种情况下的阻尼比试验结果都在一个很小的范围内,可采用平均值计算。     

黄土抗拉强度的综合影响因素探究

对重塑黄土及部分原状黄土进行室内三轴抗剪强度及抗拉强度试验研究,采用Tablecuver3D数据处理软件对试验结果进行三维曲面生成,结果表明：黄土抗拉强度与含水量、干密度和饱和度、孔隙比均呈三维螺旋曲面,且影响抗拉强度的主要因素是含水量和饱和度,次要因素是干密度和孔隙比。与黏聚力和内摩擦角正切值呈凹状微卷上升趋势,黏聚力对抗拉强度有决定性影响而内摩擦角对抗拉强度影响较小。对曲面进行全函数拟合对比分析得出相应抗拉强度相关方程,其中黏聚力和内摩擦角正切值与抗拉强度拟合出的方程具有一般性,可适用于各地黄土,便于工程实践估算黄土抗拉强度。