重塑黄土三轴蠕变特性研究及模型分析

采用SR-6型三轴蠕变仪对陕西省泾阳县某边坡重塑黄土进行了一系列室内三轴固结排水蠕变试验,着重研究了90%压实度下重塑黄土在不同含水率与围压下的蠕变特性,并依据试验资料建立了两种经验蠕变模型。结果表明：该地区黄土具有明显的流变特性,总体呈非线性衰减蠕变;围压与含水率均对蠕变特性有着显著的影响,土样在小围压、大含水率的条件下蠕变现象明显且蠕应变较大;同等荷载增量引起的应变增量的突然放大,预示着该级荷载已经超过土体的屈服应力值,土样产生黏塑性变形;两种模型的建立均能恰当地描述土体在20% ~ 65%偏应力水平下的蠕变特性,且模型简单,参数易得。     

结构性黄土二元介质本构模型在局部化剪切带中的应用

基于破损力学理论,将结构性黄土抽象成具有一定结构强度的结构块和摩擦带组成的二元介质模型。对结构性黄土体来说,局部化剪切带问题也是土体的破损问题,剪切带萌生发展的实质就是结构块向摩擦带转化的动态过程。应用结构性土的双参数破损率二元介质本构模型,采用数值分析方法模拟了平面应变压缩条件下结构性土中局部化剪切带萌生、扩展的过程,研究了不同缺陷方案下局部化剪切带的形态、特性与规律,发现结构性土中局部化剪切带的发展起初是由一段段不连续的微小局部破坏区域在外荷载逐步作用下渐进扩展连接贯通而形成整体剪切带的破坏形式。二元介质本构模型和常规有限元的结合,形象生动地再现了局部化剪切带萌生、发展的过程。     

基于破损参数简化的二元介质冻结粉细砂土本构模型

二元介质模型在非冻结岩土材料中已得到广泛研究,但在冻土领域的相关研究尚不充分。为探讨三轴试验条件下冻结粉细砂土的强度变形特性,此处引入二元介质理论对冻土应力-应变关系进行分析研究。针对现有二元介质模型参量多、确定方法复杂的特点,推导了基于破损参数简化的二元介质模型;并结合开展的5种细颗粒含量、4种围压条件下的冻土三轴试验,对推导模型进行了验证。结果表明:随轴向应变的增大,应力-应变曲线可划分为线弹性阶段、弹塑性阶段和应变软化阶段,3个阶段均可通过胶结元和摩擦元转化理论进行较好的解释;同一围压下随细颗粒含量的增大,偏应力和体胀最大值均呈降低趋势,抗剪强度呈线性减小趋势;在横截面积修正条件下,随轴向应变的增大,5种细颗粒含量冻结粉细砂土均表现为应变软化特性,体积变形表现出由体缩向体胀转化发展的趋势;偏应力发展3个阶段的转折点,与体积变形中体缩极值点和体缩体胀转折点较为契合;通过三轴试验偏应力实测值与基于破损参数简化的二元介质本构模型计算值对比分析,简化模型可以较好地模拟冻结粉细砂土的偏应力-轴向应变关系。     

结构性土二元介质本构模型及破损率影响因素的研究

岩土类材料是非均质的具有微缺陷的天然材料,岩土破损力学将岩土材料抽象成由结构块和结构带组成的非均质二元结构体。破损率演化方程反映了岩土材料在外部荷载作用下,结构块向结构带动态变化程度的过程。从细观尺度上分析结构性土体变形、破坏过程发展机制,揭示土体在荷载作用下结构块向结构带转化的过程。最后,针对杨陵黄土,通过三轴剪切试验,研究围压、含水率对破损率演化规律的影响。研究结果表明,单参数模型的破损率与围压和含水率没有关系,使从实验上证明参数模型的破损率是大主应变的函数。     

岩土破损力学:结构块破损机制与二元介质模型

沈珠江等在总结岩土材料的基本特性、分析理论和研究方法的基础上,提出了岩土破损力学理论框架和二元介质模型概念。基于岩土二元介质模型思想,近年来在试验、理论和数值模拟方面对结构性岩土材料进行了详细研究。通过对棒状和棱柱状结构块试件的平面试验,探讨了结构性岩土材料的破损机制,并发现了在受荷过程中结构块逐渐破损并转化为软弱带二者共同抵抗外部作用,即验证了二元介质模型对结构性岩土材料力学抽象的正确性;扩展了岩土二元介质模型对岩土材料的脆性变化进行了模拟,并与结构性土和砂岩的三轴试验结果进行了验证;基于二元介质模型概念,发展了一种模拟岩土材料破损过程的细观数值方法,同时提出了适用于结构性岩土材料的强度准则。     

重塑饱和黄土长期渗流劣化机制及其渗透性分析

为研究重塑饱和黄土在长期渗流条件下的劣化机制,以杨凌Q3黄土为研究对象,用pH=4的稀乙酸溶液作为渗透液加速劣化,通过长时间的常规渗透试验和不同围压下的三轴渗透试验,测量了渗透系数随时间的变化过程,分析了渗透系数随时间的变化规律,探讨了重塑饱和黄土在长期渗流条件下的劣化机制。结果表明：渗透系数随着渗透时间持续减小,与时间符合幂函数关系;渗透系数是反映黄土劣化最敏感的参数;最小孔隙比面的孔隙比决定了渗透系数的大小;最小孔隙比面的孔隙比与初始孔隙比的比值可以用来描述黄土长期渗流的劣化程度,其比值定义为黄土长期渗流劣化率;结合黄土的非线性渗透模型提出了在一定围压下三轴渗透试验渗透系数与黄土长期渗流劣化率的关系式,进而推导出黄土长期渗流劣化率随时间的变化关系式。     

基于三轴试验的黄土K0固结特性研究

静止土压力系数(K₀)是岩土工程中计算侧向土压力的关键参数,原状和重塑黄土的K₀系数在固结过程中的发展规律明显区别于黏土或砂土。为研究围压和初始孔隙比对原状和重塑黄土的K₀系数的影响,采用加装高精度局部径向位移计(LVDT)的应力路径三轴仪开展了K₀固结试验研究,结果表明:(1)重塑黄土的K₀系数受初始孔隙比(e₀)的影响较为明显,当试样的初始孔隙比减小(从0.775变为0.503),其K₀系数的最大降幅为55%;然而原状黄土的K₀系数受有效围压(σ₃′)的影响较为明显,比如在σ₃′ < 350kPa时,K₀系数为0.77~0.85,在σ₃′>350kPa时,K₀系数为0.46~0.51;(2)在固结过程中,原状黄土试样和重塑黄土试样的K₀系数均发生陡降,具体表现为重塑黄土密样(e₀<0.6)的陡降发生在固结的起始阶段,重塑黄土松样(e₀ ≈ 0.77)的陡降发生在有效围压接近100kPa,而原状黄土试样的陡降发生在有效围压为350kPa附近;(3)在相同的有效围压和密度条件下,原状黄土的K₀系数大于重塑黄土。采用核磁共振技术(NMR)获取了重塑和原状黄土的孔隙分布,并辅以试样的超孔隙水压力、排水体积等数据进行了讨论,发现结构性是造成黄土K₀系数差异的主要原因。     

重塑黄土压缩变形的预测模型研究

针对黄土填方场地的沉降变形问题,通过进行不同初始含水率和干密度的重塑黄土的高压固结试验,发现荷载与干密度的比值（p/?d）与荷载（p）呈很好的线性关系,并以此为依据建立了不同厚度（荷载）填方场地的沉降预测模型。该模型有k和b两个参数,其中k随着初始含水率（w0）或初始干密度（?d0）的增大而减小,三者之间的关系为：?d0k +w0 =1;b主要与初始干密度有关,随着初始干密度增大而减小。与前人基于孔隙比和荷载关系所建立的压缩变形计算模型的对比分析发现,用干密度和荷载表示土压缩性的方法与试验数据拟合精度更高,且线性相关性更强,更适合于重塑黄土的压缩变形预测。     

初始应力各向异性结构性土的二元介质模型

天然岩土材料具有结构性和各向异性。在岩土破损力学的理论框架下,建立了初始应力各向异性结构性土的二元介质模型。岩土破损力学把结构性岩土材料抽象成由胶结强的胶结块（胶结元）和无胶结的软弱带（摩擦元）组成的二元结构体,变形过程中胶结块逐步破损并向软弱带转化。假定胶结块为横观各向同性的理想弹脆性体,胶结块破损后转化成的软弱带为可用邓肯-张模型描述的非线性弹性体。通过引入考虑各向异性影响的破损率和局部应变系数,建立了初始应力各向异性结构性土的二元介质本构模型,并给出了模型参数的确定方法。最后给出了模型的表现,且通过人工制备初始应力各向异性结构性土的三轴压缩试验结果验证了模型的适用性。计算结果表明,所提出的本构模型可以较好地模拟初始应力各向异性结构性土的应力-应变和体积变形特性。     

基于图像测量技术的非饱和黄土固结变形试验研究

为了研究非饱和重塑黄土在三轴试验条件下的湿陷变形,利用自主研发的三轴试验土样变形数字图像测量系统,对其在均等围压下的三轴固结变形进行了初步研究。研究了非饱和黄土固结变形过程中轴向应变、径向应变、体积应变和时间之间的关系以及体积应变和压力之间的关系,并对比了单轴压缩试验和三轴压缩试验中体积应变和压力的关系。试验研究表明,在含水率一定的条件下轴向应变、径向应变和体积应变与时间的关系可以用双曲线模式表达,其表征最终变形量的参数依赖于均等固结压力。     

基于反正切函数的西安黄土动本构模型

基于反正切函数曲线,构造了一种新的黄土非线性动力本构模型。选取西安黄土试样进行室内动三轴试验,得到黄土试样的动应力-应变曲线,并以此得到了所提本构模型的理论曲线。理论曲线与试验结果对比表明,较Hardin-Drnevich模型而言,所提西安黄土动本构模型能够更好地描述三轴应力条件下黄土的强度和变形特征。研究结果表明,加载频率与含水率不变时,动剪切模量随围压的增大而增大。加载频率与围压不变时,动剪切模量随含水率的增大而逐渐减小。含水率与围压不变时,动剪切模量随加载频率的增大而增大。     

基于等速线模型的一维黄土动荷载响应分析

本文以兰州黄土为研究对象,开展了不同加载速率条件下的K0压缩试验,并结合试验结果和“等速线理论”研究了震动荷载作用下黄土的动力学响应及其影响因素。研究结果显示,随着加载速率的升高,回弹系数(a)、塑性压缩系数(b)、前期固结压力(σp)以及内变量参考时间(τp)均会产生显著变化。其中,加载速率的升高对内变量参考时间影响最为剧烈,而加载速率对黏塑性应变速率参数(c)的影响可以忽略。通过对比震动荷载作用下土体应变发展的计算和实测结果表明,基于加载速率较快的试验结果获取的模型参数,其理论预测精度较高。在计算动力学问题中,σp的量值较静力条件下获取的参数要小2~3个数量级,这是使用该模型计算动力问题与静力问题的最大不同。进一步的计算分析表明,震动荷载作用下的动应变幅值与回弹系数正相关,而(b-a)/c和应力比(震动荷载的平均值与前期固结压力之比)正比于动荷载初期作用下发生的塑性应变(“残余应变”)。因而,在评价土体动荷载作用下的“残余应变”时,应综合考虑各力学参数和应力状态的影响。     

黄土骨干曲线模型比较分析

对饱和重塑黄土进行了一系列不同加载条件下的动三轴试验,研究了对每级荷载应用多个滞回圈构造骨干曲线的方法,该方法可以考虑更多的试验信息,减小试验随机性对模拟曲线的影响。并运用该方法对试验数据采用Hardin-Drnevich模型、修正Hardin-Drnevich模型和Martin-Darvidenkov模型3种不同的骨干曲线模型进行数值模拟,分析了不同的骨干曲线模型对试验数据模拟的准确性和参数敏感性。结果表明,在试验条件变化时Hardin-Drnevich模型并不能总是很好地模拟试验骨干曲线,而且在有些情况下偏离较多。修正Hardin-Drnevich模型和Martin-Darvidenkov模型相比于Hardin-Drnevich模型能更好地模拟试验数据。在对不规则动载下黄土动力反应的数值模拟中,可以考虑用修正Hardin-Drnevich模型和Martin-Darvidenkov模型模拟骨干曲线。考虑到Martin-Darvidenkov模型参数对试验数据相对敏感,因此,建议采用修正Hardin-Drnevich模型模拟骨干曲线。     

考虑中主应力变化的原状黄土变形特性研究

为研究在高围压条件下考虑中主应力变化的原状黄土变形特性,利用西安理工大学真三轴仪对原状黄土进行了控制固结围压和中主应力b值的等b等p(p为球应力)剪切试验,试验给出了高围压条件下各主应变之间的关系,得到了不同高围压条件下的破坏应变与不同b值阶段的影响规律。结果表明：高围压条件下,所有b值阶段的ε₃均为膨胀变形;b=0.2为中主应变变形临界点,0≤b<0.2为中主应变膨胀变形,0.22)、小主应变的b值敏感度K(ε₃)和广义应变的b值敏感度K(ε_s)在b值为0～0.7之间均增长,0.7～0.9之间受b值变化影响减弱,0.9～1.0受b值变化影响最大。K(ε_v)基本在0～5范围内,说明在不同中主应力阶段破坏体应变受b值变化的影响程度较小。     

非饱和重塑黄土的土水特性及压缩屈服与湿陷性的研究

利用改造的非饱和土固结仪对Q_3重塑黄土分别进行了无应力作用的分级增湿试验和控制基质吸力的压缩试验,测试得到了土–水特征曲线和压缩应力–应变曲线,研究了饱和度与基质吸力和含水率与基质吸力之间关系、压缩屈服应力随基质吸力的变化规律和湿陷系数随基质吸力的变化规律。研究结果表明,非饱和重塑黄土的吸力较大时土的强度较大,其压缩变形较小,非饱和重塑黄土的结构屈服压力较大;非饱和土基质吸力一定时,随着压力的增大,湿陷系数呈现出先增大后减小的趋势;同一净压缩应力下非饱和土基质吸力越大,湿陷系数越大,吸力越小,土样的?_s(p=200 k Pa)越小,当?_s(p=200 k Pa)超过约0.1时,?_s(p=200 k Pa)与基质吸力(u_a-u_w)近似呈指数增加。     

兰州地区某处浅表层重塑黄土的力学特性研究

浅表层黄土的力学性质主要受季节性降雨和干旱气候的影响,表现在黄土遇水后发生较大的沉陷及崩塌。开展浅表层黄土的力学特性研究可为防治黄土地区地质灾害提供一些参考。本文选取兰州某地区浅层黄土,进行重塑黄土的室内直剪试验与干湿循环条件下的直剪试验、无侧限抗压强度试验及渗透试验。结果表明：同一剪切速率下,含水率增加,黏聚力减小,内摩擦角变化很小;同一含水率下,剪切速率增加,黏聚力增加,内摩擦角变化也很小。重塑黄土的黏聚力随着干湿循环次数的增加而减小,内摩擦角变化不大。无侧限抗压强度随着含水率与干湿循环次数的增加而减小,超过4次干湿循环后其抗压强度差异不大,基本趋于稳定。重塑黄土渗透系数随着干湿循环次数增加而增大,随干密度增大而减小。     

含水率对重塑黄土的变形特性影响的实验研究

采用侧限压缩实验,对相同干密度、不同含水率的重塑黄土进行压缩固结实验。借鉴原状黄土湿陷性的研究方法,分析了含水率对于重塑黄土的变形影响。结果表明:低含水率时,孔隙比随应力的变化近似为线性、割线模量随应力的变化表现明显的非线性、应变速率衰减得快;高含水率时,孔隙比随应力的变化表现为明显的非线性、割线模量随应力的变化近似为线性、应变速率衰减得慢。     

加筋黄土变形和强度特性的三轴试验研究

用三轴压缩试验方法研究了土工合成材料加筋黄土的应力—应变及强度特性,探讨了在各种不同加筋方式和围压下加筋机理。结果表明,加筋可以增加土体破坏时的轴向应变和土体的抗拉能力,减小土的侧向变形;试验结果发现,并不是加筋层数越多越有利于土体的稳定,而是表现为加筋土的强度与布筋位置和层间距有一定的关系;同时,分析和解释了未加筋土的变形破坏和筋材在土体剪切破坏过程中的阻裂机理。试验研究得出了在土体中部加筋是最经济合理的布筋方式。     

加筋黄土变形和强度特性的三轴试验研究

用三轴压缩试验方法研究了土工合成材料加筋黄土的应力-应变及强度特性，探讨了在各种不同加筋方式和围压下加筋机理。结果表明，加筋可以增加土体破坏时的轴向应变和土体的抗拉能力，减小土的侧向变形；试验结果发现，并不是加筋层数越多越有利于土体的稳定，而是表现为加筋土的强度与布筋位置和层间距有一定的关系；同时，分析和解释了未加筋土的变形破坏和筋材在土体剪切破坏过程中的阻裂机理。试验研究得出了在土体中部加筋是最经济合理的布筋方式。