低含水量粘土的加载速率效应与蠕变变形

通过对低含水量藤森粘土(Fujinomori clay)试样的单向固结试验,研究了低含水量粘土的加载速率效应与蠕变变形。所采用的藤森粘土土样有湿润(含水量小于15%)、风干(含水量小于4.5%)与烘干(含水量小于1%)3种。试验中,应变率逐步改变,同时进行了蠕变及加、卸载试验以及小幅度的循环加载试验。试验结果表明:湿润土样、风干土样与烘干土样都有明显的加载速率效应与蠕变变形;在大范围的卸载-重复加载过程中,蠕变变形会由卸载初期的正变形逐步发展为后期的负变形,在这个发展过程中存在着中性点(即蠕变为零,或者无蠕变的点);藤森粘土的加载速率效应随含水量的降低有所降低,即湿润藤森土样的加载速率效应更明显。     

网纹红土分级加载与分别加载蠕变试验研究

由于试验条件的限制,目前国内外学者大都是采用分级加载对蠕变进行研究,而分别加载很少被采用。为了解决分级加载的土样硬化问题以便得出更符合工程实际的分别加载蠕变,本文对网纹红土未扰动土样进行了在分级加载条件下和分别加载条件下的初始加载、卸载、重复加载的单向固结蠕变试验。试验结果表明,网纹红土未扰动样在每级应力水平下都发生了明显的蠕变,蠕变随应力的增加而增加。对比两种不同加载条件的蠕变试验结果发现,无论是分级加载条件下还是分别加载条件下,网纹红土未扰动样的蠕变时间与蠕变变形的比值跟蠕变时间都存在线性关系;并且分级加载条件下这种线性关系的斜率与分别加载条件下线性关系的斜率也存在线性关系。对研究结果的分析表明,可以利用分级加载的蠕变变形的稳定值推算出分别加载的蠕变变形稳定值。     

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。     

冻土蠕变指标试验研究

通过不同温度、不同加载应力作用下冻结兰州黄土、黏土、砂质黏土的蠕变试验,分析了蠕变曲线、初始应变、流变起始应变与流变起始时间、破坏应变与破坏时间及相对蠕变指标.结果表明：3种土质冻土的蠕变曲线变化规律大致相同,加载过程中,应变非线性增加,且加载应力越大、温度越高,初始应变越大;流变起始时间与破坏时间都与加载应力、温度有密切关系,加载应力越大、温度越高,越先出现流变和破坏. 对于相同的土质,加载应力和温度对流变起始应变、破坏应变的影响不大;对于不同土质的初始应变、流变起始应变和破坏应变,都是黏土最大、砂质黏土次之、兰州黄土最小. 3种土质冻土的初始加载段和非稳定蠕变段所占的时间较短,但产生的应变却较大;同时,温度越高,相对流变时间越短、相对破坏时间越长,说明非稳定蠕变阶段所占的时间随温度的升高而变短、稳定蠕变阶段所占的时间随温度的升高而变长.     

红黏土固结-蠕变特性及其耦合模型

红黏土的蠕变特性直接影响到红土边坡的长期稳定性。为了深入研究红黏土的蠕变特性,设计改制了一套基于杠杆加载原理的三轴蠕变试验装置。采用分级加载,对红黏土试样进行室内排水三轴蠕变试验,获得了不同偏应力水平下的蠕变全过程曲线,采用"陈氏加载法"将分级加载曲线转化成分别加载曲线,并利用等时曲线法得出红黏土蠕变破坏阈值。将固结理论与Kelvin蠕变模型相结合以描述红黏土在偏应力作用下的固结-蠕变特性,然后利用一部分偏应力水平下的蠕变试验结果进行回归建模以确定各模型参数,并以此建立出考虑固结-蠕变耦合作用的红黏土元件蠕变模型,最后采用所建蠕变模型对另一部分蠕变试验结果进行预测,结果表明:本文模型无论是拟合还是预测的精准度都很高。     

不同固结状态下黄土坡滑坡滑带土的蠕变试验研究

为了研究黄土坡滑坡滑带土在不同固结状态下的蠕变特性,首先采用单向加载、加载—卸载、加载—卸载—再加载的方式分别固结滑带土,然后开展滑带土在不同固结状态下的剪切蠕变试验。试验结果表明:滑带土初始孔隙比为0.49,压缩系数a_(1-2)介于0.37～0.45 MPa~(-1)之间,属中等压缩性土;滑带土在单向加载至上覆压力后的孔隙比最大,压缩量最小,加载—卸载至上覆压力后的孔隙比最小,压缩量最大,加载—卸载—再加载至上覆压力后的孔隙比和压缩量介于二者之间。对于初始状态相同的滑带土,在经历不同加载—卸载—再加载固结状态后,在正应力和水平剪应力相同条件下,单向加载后的蠕变剪切应变最大,加载—卸载后的蠕变剪切应变最小,说明滑带土的剪切蠕变特性与加载路径和加载后的孔隙比密切相关。采用Burgers模型拟合蠕变试验数据,得出了不同固结状态下Maxwell模型和Kelvin模型的蠕变参数,拟合曲线和试验曲线能够很好地吻合,说明Burgers模型能够较好地反映滑带土在不同固结状态下的蠕变特性。     

卸载速率对北山花岗岩强度影响研究

为了更准确地认识卸荷速率对北山花岗岩力学性质的影响,使用MTS815岩石试验系统进行了不同围压下不同卸荷速率的三轴试验。试验采用加轴压卸围压的方式,设置0.1、1.5、2.0 MPa/min三种围压卸载速率,轴压加载速率是围岩卸载速率的10倍,初始围岩设置为5、10、15、20、30 MPa。加卸载过程用力控制,试验过程中用轴向引伸计和环向引伸计记录轴向变形和环向变形,研究加载速率对岩石强度、c、φ值的影响,并基于弹性能建立卸载速率影响系数。研究结果表明,(1)卸载试验岩石破坏均表现明显的脆性破坏特征,随着卸载速率增加,强度升高;(2)随着卸载速率增加,c值增大,φ值基本不变;(3)卸载速率主要通过应力调整滞后和卸载附加应力对岩石强度、c、φ值造成影响;(4)基于弹性能建立了影响系数,表征卸载速率对岩石破坏的影响程度,表明同一围压下卸载速率增加,影响系数增大,岩石破坏剧烈程度增加,同一卸载速率时,围压增加,影响系数减小,受围压的限制,岩石破坏剧烈程度降低。     

超深钻岩芯地质环境真三轴试验装置研制及应用

为研究超深部岩芯的变形与破裂行为,研制了超深钻岩芯地质环境真三轴试验装置。该装置主要用于测试超深钻岩芯加工的试样(25 mm×25 mm×50 mm)在真三轴应力下的全应力-应变行为、循环加卸载破裂行为和时效变形行为,解决了试样变形测量不准确、加载系统低刚度、高油压与作动器压力互相干涉等技术难题。利用该装置完成了山东黄金集团三山岛金矿西岭副井工勘孔岩芯真三轴应力下力学行为的测试,发现：循环加卸载弱化了试样的脆性破裂特征,诱导3个方向的变形表现出各向异性;分级蠕变试验中,试样3个方向的变形均表现出初始蠕变、稳态蠕变、加速蠕变,且3个方向的蠕变速率均随偏应力的增加近似线性增加。     

盐岩循环加卸载过程中的速率效应试验研究

作为一种典型软岩,盐岩力学特性的时间相关性显著,准确预测和评估盐穴储气库加卸载过程中的变形损伤能力,关系到能源储备库的长期安全稳定运行。为研究盐岩的速率效应,进行了不同加卸载速率的疲劳试验。基于现有蠕变本构模型,构建了速率效应方程,区分了加卸载过程中的蠕变塑性变形与加载塑性变形。研究结果表明：（1）盐岩的整体疲劳寿命、稳定变形阶段（即第2阶段）疲劳寿命占比基本随加卸载速率的增大而增大。（2）减速变形阶段（即第1阶段）疲劳寿命占比、稳定变形阶段平均残余应变基本随加卸载速率增大而减小。（3）速率耦合疲劳试验中,加卸载速率越大,残余应变越小,蠕变塑性变形随加卸载速率的增大而减小,当加卸载速率由0.04 kN/s增加至5 kN/s时,蠕变塑性变形在循环中的占比由85%下降至36%,呈现出负指数的关系。（4）整个循环加卸载过程中,加载塑性变形、蠕变塑性变形均呈现U型发展趋势,与盐岩疲劳过程的三阶段相对应。该研究结果可以为进一步分析盐岩蠕变塑性与加载塑性奠定基础。     

不同固结状态下黄土坡滑坡滑带土的蠕变试验研究

为了研究黄土坡滑坡滑带土在不同固结状态下的蠕变特性,首先采用单向加载、加载-卸载、加载-卸载-再加载的方式分别固结滑带土,然后开展滑带土在不同固结状态下的剪切蠕变试验。试验结果表明：滑带土初始孔隙比为0.49,压缩系数a_(1)_(-)_(2)介于0.37～0.45 MPa~(-1)之间,属中等压缩性土;滑带土在单向加载至上覆压力后的孔隙比最大,压缩量最小,加载-卸载至上覆压力后的孔隙比最小,压缩量最大,加载-卸载-再加载至上覆压力后的孔隙比和压缩量介于二者之间。对于初始状态相同的滑带土,在经历不同加载-卸载-再加载固结状态后,在正应力和水平剪应力相同条件下,单向加载后的蠕变剪切应变最大,加载-卸载后的蠕变剪切应变最小,说明滑带土的剪切蠕变特性与加载路径和加载后的孔隙比密切相关。采用Burgers模型拟合蠕变试验数据,得出了不同固结状态下Maxwell模型和Kelvin模型的蠕变参数,拟合曲线和试验曲线能够很好地吻合,说明Burgers模型能够较好地反映滑带土在不同固结状态下的蠕变特性。     

On overestimation of displacements in numerical calculation of zoned dams

Overestimation of displacements in numerical calculations can occur if some requirements are not met by the constitutive relations. Along with consideration for small strain behaviour of soils¹ the stiffening effects of unloading in shear should be taken into account. The latter problem is analysed in the paper using embankment dams as a typical example. Strain and stress paths in their cores and shells were derived from field measurement results and frequent path direction changes during seemingly monotonic loading process were discovered. Proportional loading test results of isotropically and anisotropically consolidated sand allowed interpretation of the in situ paths by the incremental theory of plasticity and distinction between the sections where unloading and reloading in shear develop. Furthermore, the analysis of these tests showed a marked stiffening of the soil due to unloading as well as neutral loading in shear. The strain redistribution due to material inhomogeneity, either inherent or introduced by the loading process, was identified as a common reason for the frequent occurrence of this phenomenon. Consequently, overestimations in displacement calculations can be brought about by neglecting this important effect by the constitutive model used. Accordingly, the unit response envelopes of some typical constitutive laws have been checked from this special point of view, and the models properly describing this phenomenon selected.     

考虑卸荷扰动的黏土蠕变特性试验研究

盾构施工过程中,由于盾尾建筑空隙的存在,土体会受到较大的卸荷扰动,尤其是对于结构性较强的黏土。通过卸荷拉力来模拟土体受到的卸荷扰动,进行排水剪切蠕变试验。试验结果表明:卸荷拉力越大,土体的扰动程度增大,同级荷载作用下土样的变形越大,且加载压力较小时土样的变形属于稳定型蠕变,蠕变速率随着卸荷拉力的增大而增大,加载压力较大时土样的变形属于衰减型蠕变;与Singh-Mitchell蠕变模型进行比较,发现卸荷拉力较小土样Singh-Mitchell蠕变模型的计算值与试验值相比吻合较好,但当卸荷拉力较大时,模型计算值与实验值相比有较大的误差;修正了Singh-Mitchell蠕变模型的参数,提出考虑卸荷扰动的修正Singh-Mitchell蠕变模型,计算结果与试验数据在加载压力和卸荷拉力较大时吻合较好,对工程实际有一定的指导意义。     

基坑土体卸荷平面应变试验离散元数值分析

对基坑开挖影响范围内土体的应力路径进行平面应变试验离散元数值模拟,以研究结构性与卸荷形式对坑周土体宏微观力学特性的影响。首先,将一个描述土颗粒间胶结效应的简单三维胶结接触模型植入三维离散元软件PFC3D;其次,对初始K0固结状态的重塑土、结构性土试样分别进行常规三轴以及平面应变条件下4种不同卸荷应力路径的离散元模拟;最后,对经历不同卸荷形式的坑底土体单元进行再加荷模拟。模拟结果表明,在卸荷过程中,被动区土体峰值强度以及破坏时竖向应变随卸荷比增大而增大,且其强度小于主动区土体强度;在卸荷、再加荷过程中,被动区土体峰值强度随卸荷比增大而增大,但均小于不卸荷而直接加荷条件下的峰值强度;由于结构性的存在,土体由应变硬化向应变软化过渡,且强度增长;结构性与卸荷形式显著影响土体体积改变。在微观尺度,增大卸荷比或结构性均会增大垂直大主应力方向的平面上的法向接触力,进而提高其强度。     

复合桩基重复加卸载过程中侧向约束桩变位规律试验研究

复合桩基上堆载可能引起侧向约束桩侧移,导致侧向约束桩和复合桩基失稳破坏。采用室内模型试验研究复合桩基重复加、卸载过程中侧向约束桩水平变位规律。结果表明：（1）复合桩基上加载时,侧向约束桩的桩身侧移沿深度先增大、后减小、存在峰值,峰值随加载增大而增大,出现在距离地面0.4倍地面以下桩长处,峰值位移与桩顶（或地面）处位移的比例系数和发生侧移的桩身长度随荷载增大而增大;（2）复合桩基上重复加、卸载时,侧向约束桩的桩顶侧移随桩间距增大而增大,弹性变形则变小。中桩侧移比边桩大。桩顶侧移增长率随重复加载次数增加而减小。若荷载超过首次加载的最大荷载,侧向复合地基上加载-桩水平位移曲线将回到首次加载曲线的延长线,具有记忆效应。第 次卸载曲线与第i次卸载曲线线型相似且相互平行。每次卸载的初、中期,荷载的减小不影响桩顶侧移,只有卸载到最后1～2级时,侧移才开始减小,直到永久塑性变形。侧向约束桩的顶部水平位移回弹曲线特征与岩石或土在垂直加、卸载作用下的回弹曲线相似。     

适用于砂土循环加载分析的边界面塑性模型

基于临界状态土力学框架,建立了一个适用于砂土排水循环加载的边界面塑性模型。采用了考虑虚拟峰值应力比的偏应变硬化准则,初始加载阶段应力点位于边界面上,反向加载阶段以历史最大屈服面作为边界面,同时实现了对密砂软化现象的模拟和对历史所受最大应力的记忆。边界面采用修正的椭圆形,引入考虑密度与应力水平的状态相关剪胀函数,采用非相关联流动法则和以应力反向点作为映射中心的径向映射准则。模型仅有10个参数,通过常规三轴试验即可确定,并且使用一套参数可以模拟不同围压、密度的单调和循环加载情况。分别对饱和砂土的单调、循环排水三轴试验进行模拟,结果表明,该模型能够合理地反映饱和砂土排水条件下的应力-应变特性。     

An elastoplastic model with combined isotropic–kinematic hardening to predict the cyclic behavior of stiff clays

This paper presents a kinematic hardening model for describing some important features of natural stiff clays under cyclic loading conditions, such as closed hysteretic loops, smooth transition from the elastic behavior to the elastoplastic one and changes of the compression slope with loading/unloading loops. The model includes two yield surfaces, an inner surface and a bounding surface. A non-associated flow rule and a kinematic hardening law are proposed for the inner surface. The adopted hardening law enables the plastic modulus to vary smoothly when the kinematic yield surface approaches the bounding surface and ensures at the same time the non-intersection of the two yield surfaces. Furthermore, the first loading, unloading, and reloading stages are treated differently by applying distinct hardening parameters. The main feature of the model is that its constitutive equations can be simply formulated based on the consistency condition for the inner yield surface based on the proposed kinematic hardening law; thereby, this model can be easily implemented in a finite element code using a classic stress integration scheme as for the modified Cam Clay model. The simulation results on the Boom Clay, natural stiff clay, have revealed the relevance of the model: a good agreement has been obtained between simulations and the experimental results from the tests with different stress paths under cyclic loading conditions. In particular, the model can satisfactorily describe the complex case of oedometric conditions where the deviator stress is positive upon loading (compression) but can become negative upon unloading (extension).     

Mathematical modelling of monotonic and cyclic undrained clay behaviour

The proposed general analytical model describes the anisotropic, elasto-plastic, path-dependent, stress-strain-strength properties of inviscid saturated clays under undrained loading conditions. The model combines properties of isotropic and kinematic plasticity by introducing the concept of a field of plastic moduli which is defined in stress space by the relative configuration of yield surfaces. For any loading (or unloading) history, the instantaneous configuration is determined by calculating the translation and contraction (or expansion) of each yield surface. The stress-strain behaviour of clays can thus be determined for complex loading paths and in particular for cyclic loadings. The stress-strain relationships are provided for use in finite element analyses. The model parameters required to characterize the behaviour of any given clay can be derived entirely from conventional triaxial or simple shear soil test results. The model's extreme versatility is demonstrated by using it to formulate the behaviour of the Drammen clay under both monotonic and cyclic loading conditions. The parameters are determined by using solely the results from monotonic and cyclic strain-controlled simple shear experimental tests, and the model's accuracy is evaluated by applying it to predict the results of other tests such as (1) cyclic stress-controlled simple shear tests, (2) monotonic triaxial loading compression and unloading extension tests, and (3) cyclic stress- and strain-controlled triaxial tests on, this same clay. The theoretical predictions are found to agree extremely well with the experimental test results.