软黏土蠕变特性试验研究：回顾与发展

大量的室内和现场试验表明软黏土存在长期变形难以收敛的问题,为了更深入地认识软黏土的蠕变特性,首先,从微观物理化学角度探讨蠕变机制;然后,深入分析一维应力条件下次固结系数的演变规律以及确定方法和三轴排水、不排水蠕变特性及黏土的长期抗剪强度、室内旁压试验和现场试验等复杂应力下的黏土蠕变特性等,并且讨论黏土蠕变特性与应变速率和应变松弛特性在一维和三轴条件下的关联性;最后,从黏土次固结特性与微观结构的相关性、如何准确描述次固结系数的非线性及蠕变过程中应力剪胀剪缩关系发展等三方面更深入地探讨软黏土蠕变特性。     

冻融循环作用后饱和黏土的应变速率效应试验研究

为研究不同应变速率加载对融化饱和黏土力学效应的影响,对不同初始压实度的融化饱和黏土进行了不同应变速率和围压下的固结不排水三轴剪切试验,分析了融化饱和黏土的应力-应变关系曲线特征、孔隙水压力、割线模量(E_(50))、峰值强度、残余强度、抗剪强度指标的变化规律。结果表明:随着应变速率的增大,融化饱和黏土峰值强度和残余强度均先增大后减小,随后持续增大;而E_(50)模量则一直增大。应变速率未改变偏应力峰值所对应的应变大小;初始压实度不影响融化饱和黏土峰值强度对应的应变值,且在围压为120 k Pa、应变速率为0.15%/h时初始压实度对融化饱和黏土孔隙水压力发展趋势的影响不大,而当应变速率超过1.5%/h时,初始压实度的影响显著。随着围压增大,融化饱和黏土峰值强度对应的应变值及孔隙水压力明显增大。应变速率小于15%/h时,内摩擦角随着应变速率增大而减小,应变速率大于15%/h时,内摩擦角则随着应变速率增大而增大;黏聚力随着应变速率的增大持续增大。其研究结果对加深融土应变速率效应的理解具有一定的理论意义。     

冲击荷载作用下结构性软黏土力学特性试验研究

冲击荷载作用对土体力学特性影响较大,为了研究此特性,基于天津滨海结构性软黏土,以空心圆柱扭剪仪模拟冲击荷载作用,并在冲击荷载作用前后对土体进行不固结不排水三轴试验,对比研究不同试验条件下结构性软黏土力学特性。试验结果表明:低围压常规三轴剪切试验状态下,土体表现出弱应变软化现象,且土体抗剪强度包线不能用直线表示,而是可由两条直线近似拟合而成;冲击荷载作用时,在一定应力范围内,冲击荷载越大,土体轴向应变、孔隙压力以及主应力差峰值也越大;冲击荷载作用后三轴剪切试验各围压下土体都呈应变硬化型,主应力差峰值均大幅减小,且土体抗剪强度包线均可用直线表示,c、φ值也远小于未受冲击荷载时三轴剪切试验相应数值。最后,总结分析冲击荷载作用对软黏土强度的影响,并拟合得到强度折减与围压、冲击荷载的关系,为实际工程中承受冲击荷载的结构性软黏土强度确定提供参考。     

纳米碳酸钙影响下红黏土强度特性试验研究

为了探寻纳米碳酸钙对桂林红黏土力学强度特性的影响机理,利用TSZ-1型三轴试验仪进行不固结不排水三轴压缩试验,分析了在不同干密度条件下各梯度纳米碳酸钙掺量对重塑红黏土黏聚力、内摩擦角、抗剪强度以及应力-应变曲线的影响,从红黏土矿物颗粒胶体化学的角度阐释纳米碳酸钙对红黏土力学强度的影响机理,研究结果表明:随着纳米碳酸钙掺量增加,红黏土黏聚力、内摩擦角以及抗剪强度呈现先减小后增大的趋势;纳米碳酸钙的掺入改变了原有的介质电荷pH值,使得红黏土原有的氧化铁胶结吸附平衡发生改变,形成新的钙质胶结团粒,改变了红黏土的强度特性;加入纳米碳酸钙后起始干密度为1.4g ·cm-3的重塑红黏土样应力-应变曲线由弹性理想塑性型变为应变硬化型。     

武（汉）广（州）客专武汉韶关段红黏土工程特性研究

通过对武（汉）广（州）客运专线武汉韶关段红黏土的工程特性研究,认为该地区红黏土液塑限高,饱和度和孔隙比大;具有较好的力学性能,压实性较低;先期固结压力远大于上覆土层自重压力,具有超固结性,具有固而不密特征;红黏土呈现出特殊的上硬下软的工程特性,超固结比和先期固结压力随深度增加而减小。这些研究成果为客运专线实体工程的修建提供了重要的指导和依据。     

一个描述软黏土时效特性的一维弹黏塑性模型

为了描述软黏土一维应力-应变关系的时效特性,基于Bjerrum的等时间线体系,提出等黏塑性应变率线概念,推导了黏塑性应变率与黏塑性应变增量的关系,建立了软黏土的一维弹黏塑性模型;从理论上分析了新建模型与3种典型的一维弹黏塑性时效本构模型的内在联系,表明新建模型与其他3种模型在本质上是等效的,且形式更简洁,物理意义更明确;利用新建模型对软黏土的固结-蠕变耦合效应、应变率效应、应力松弛效应等时效特性进行了理论分析,并得到了相应的解析解;结合宁波软黏土的一维固结试验,阐述了模型参数的确定方法,并用新建模型对宁波软黏土的固结-蠕变试验、温州软黏土的一维多级等应变率试验、香港海相软黏土的一维应力松弛试验进行模拟,验证了新建模型的有效性。研究结果表明,新建模型能很好地模拟软黏土的一维时效特性。     

长江口海域软黏土一维固结特性试验研究

特殊的沉积条件使长江口海域软黏土的力学特性具有明显的地域性。为研究长江口海域饱和软黏土的固结特性及其参数(固结系数C_v、压缩系数a_v和渗透系数k)的变化规律,对启东长江口某海上风电项目场地软黏土开展了一系列逐级加载的一维固结试验。结果表明：在自然沉积过程中,长江口海域软黏土因受长江水流及黄海和东海潮波的共同作用而具有较弱的结构性;固结过程中,海域软黏土固结变形的发展可分为线性发展阶段、快速变形阶段、稳定阶段,固结变形增量ΔS_ti随固结应力的增大呈现先减小后增大的变化;固结过程中,长江口海域黏土和粉质黏土的C_v先减小后增大并趋于稳定,a_v和k逐渐减小并趋于稳定,相较黏土,粉质黏土具有较大的C_v和k,较小的a_v。研究可为该区域海洋工程的基础设计提供参考。     

有明黏土各向异性固结特性的试验研究

由于大多数黏土矿物是片状的,在沉积和随后的固结过程中黏土颗粒和组构单元趋向水平定向排列,使天然沉积黏土呈现各向异性的固结特性。通过垂直切和水平切试样的恒应变速率固结试验研究了日本有明黏土的各向异性固结特性。试验结果表明,水平切试样的先期固结压力pch与垂直切试样的先期固结压力pcv的比值在0.5～1.0之间,主要是因为天然沉积黏土各向异性的屈服轨迹以及垂直切和水平切试样所经历的应力路径不同;在正常固结阶段,水平切试样的固结系数ch与垂直切试样的固结系数cv之比约为1.43,水平切试样的渗透系数kh与垂直切试样的渗透系数kv之比约为1.40,水平切试样的体积压缩系数mh与垂直切试样的体积压缩系数mv基本相等。因此,有明黏土固结系数的各向异性主要是因为渗透系数的各向异性,而渗透系数的各向异性本质上是因为其微观结构的各向异性。     

基于两种波形作用结构性软黏土动力特性试验研究

利用GCTS动态空心圆柱扭剪仪,基于正弦波和方波两种波形循环荷载作用,考虑围压、振幅、频率及振次等因素的影响,研究结构性软黏土动力特性。试验结果表明:动应力低于土体结构屈服应力时,波形对动应力-应变关系曲线整体形状影响很小;动应力超过结构屈服应力时,应力-应变关系都呈软化型,方波软化程度高。同条件下,方波累积变形量总是大于正弦波。波形对孔压变化有影响,正弦波作用下孔压值总是大于方波。振幅对于孔压变化的影响表现为:稳定型幅值时上升速度快,数值也大于临界型幅值作用下的孔压值,即临界型幅值作用下的孔压滞后现象严重。屈服应变与动强度都随振次的增加呈减小趋势,最终都分别趋于一定值,最终数值大小都与波形有关,前者正弦波小于方波,后者正弦波大于方波。     

软黏土蠕变试验及其经验模型研究

针对湖南竹城公路路基软土开展了系统的三轴固结不排水蠕变试验,得到不同围压、不同应力加载等级下的全过程蠕变曲线。进而通过“陈氏加载法”得到分别加载下蠕变曲线和应力-应变等时曲线。以围压100 kPa为例,得出应力-应变关系采用幂函数,而应变-时间关系采用双曲线关系的蠕变方程。对比分析表明,该蠕变方程较Singh-Mitchell模型、Mesri模型更适应试验数据,能够更好地反映和预测该软土的蠕变特性。     

海积软土前期固结压力与结构强度的关系及成因分析

通过对不同地区海积软土的大量试验，对原状土样和重塑土样的压缩曲线确定了海积软土前期固结压力和结构强度，并研究了海积软土前期固结压力及结构强度的关系。由于考虑了土的结构强度，对结构性土根据超固结比(OCR)对土的压密状态的判断与实际结果更加相符。为了定量地反映海积软土的结构强弱，首次引入反映海积软土结构性及其对扰动敏感程度的结构稳定系数，反映了海积软土结构性的稳定程度。初步分析了海积软土结构强度的成因。     

海相沉积软土动强度与孔压特性试验研究

以宁波轨道交通1号线②、③和④层海相沉积软土为对象,进行GDS单向振动三轴试验,研究了不同动应力幅值和频率作用下软土的动强度与孔压特性。结果表明：相同动应力状态下,等向固结时的强度要比K0固结时的强度大;在相同动应力幅值条件下,频率越高,强度越高;动应力越大,试样强度越大,发生硬化现象。随着振动次数的增加,孔隙水压力也不断增大,仅③层粉质黏土夹砂层在应力幅值为5 kPa时孔压有稳定趋势。最后,通过对动三轴试验数据进行拟合,得到了模型参数,其结果可以用来预测循环荷载作用下土体的累计孔压。     

重塑超固结上海软土力学特性及弹塑性模拟

对典型上海软土重塑样进行了围压不变和平均主应力不变的三轴排水剪切试验,得到重塑上海软土在不同初始超固结比和围压条件下的应力-应变关系,弄清了超固结比、围压以及应力路径对重塑上海软土的变形和强度特性的影响;根据土体的应力-应变曲线得到重塑上海软土的临界状态应力比及内摩擦角。采用姚仰平等建议的基于伏斯列夫面的超固结土本构模型,并根据等向压缩及三轴排水剪切试验确定其模型参数,对保持围压和平均主应力不变的三轴压缩试验进行了模型预测。预测结果表明,此超固结土本构模型能较好地反映重塑超固结上海软土的变形和强度特性。     

饱和粉质黏土静剪强度与振动后静剪强度对比研究

针对黄河下游冲积流域分布的大量粉质黏土,利用动、静三轴仪,研究了试样在振动荷载作用、不同围压、超固结比下的静抗剪强度变化。研究表明:振动荷载作用后,试样呈现出类似超固结土的现象,对比振动前的静抗剪强度发现,当似超固结比小于1.25时,振动对试样的抗剪强度影响较小;当似超固结比大于1.25时,抗剪强度迅速衰化,而破坏孔压比呈现出先减小而后增大的特征。在不同超固结比作用下,对比卸载后相同围压的静抗剪强度可得,超固结比与抗剪强度呈指数增长关系,而似超固结比对抗剪强度的提高要强于超固结比;随着似超固结比、超固结比的增大,试样的抗剪强度比均有所增加,当工程中缺乏动力试验条件时,采用超固结比评价经过动荷载作用的地基强度变化是偏安全的。     

软黏土层一维有限应变固结的超静孔压消散研究

根据土力学固结理论计算分析软黏土层固结过程的超静孔隙水压力值,确定软黏土体固结过程的强度增长,对排水固结法处理软土地基至关重要。软黏土层固结过程中土体变形较大时,有限应变固结理论和小应变固结理论计算分析软黏土固结所得结果差异较大。利用非线性有限元法及程序,通过对软黏土层固结工程算例的计算结果分析,研究了有限应变固结理论和小应变固结理论计算分析软黏土层一维固结超静孔压值消散的差异;探讨了软黏土体一维固结过程中,几何非线性、土体渗透性变化和压缩性变化对超静孔隙水压力消散的影响。研究结果表明,当土体的变形较大时,有限应变固结理论计算出的超静孔压要比小应变固结理论得到的值消散的更快。考虑土体固结过程中渗透性的变化时,超静孔压消散变慢;可用软黏土渗透性变化指数ck 反映渗透性变化对超静孔压消散的影响,渗透性变化指数ck值越小、超静孔压消散越慢。固结过程中软黏土压缩性的大小及变化也影响超静孔压的消散,可用软黏土的压缩指数cc反映固结过程中压缩性的大小及变化对超静孔压消散的影响,软黏土的压缩指数cc越小,固结过程软黏土层中的超静孔压消散越快。     

考虑循环应力比和频率影响的动荷载下软土微观结构研究

以杭州原状软土为研究对象,借助扫描电镜和PCAS微观定量测试技术,采用分形理论对波浪荷载下的饱和软土微观结构进行研究,探讨不同循环应力比和不同频率条件下孔隙的分布特征及其变化规律。结果表明：循环应力比越大或频率越低,试样破坏所需的循环次数越少;试样临界破坏应变水平随循环应力比的增加呈升高趋势,而不同频率下的临界破坏应变水平则基本一致;孔隙的尺度、排列、形态等特征均随循环应力比的变化呈规律性变化,但随频率变化没有明显的规律性;循环剪应力作用下,孔隙破碎的同时兼并生长,这是剪切带上褶皱现象的微观本质,并且孔隙排列方向与剪切带方向基本一致。通过循环加载前、后微观结构特征参数的变化规律,揭示了波浪荷载下循环应力比和频率对土体微观结构的影响以及土体宏观变形的微观机制。     

冻融作用对海相软土压缩性及抗剪强度影响研究

为揭示原状海相软土冻融前后变形及强度差异性,对宁波原状海相软土及不同冻融条件下的融土进行了压缩实验和三轴固结不排水剪切实验。研究结果表明：单向冻结条件下,冻融作用使海相软土压缩性增强,且对试样不同部位处产生的影响程度不同,对靠近冷端的下部融土压缩性影响最大,中部其次,上部最小;冷端温度越低,冻融作用对融土压缩性影响越小,且逐渐趋于稳定;自然解冻比强制解冻对融土压缩性影响程度更大。冻融作用使融土黏聚力明显减小,内摩擦角略有增大;冷端温度越低,冻融作用对黏聚力和内摩擦角影响程度越大,在一定法向应力范围内,融土破坏强度越小。     

循环荷载下软黏土不排水强度弱化分析的动力有限元ABAQUS实现

在波浪循环荷载作用下饱和软黏土地基出现孔隙水压力升高,并导致不排水强度弱化,严重影响防波堤的承载性能。考虑静偏应力影响,基于最大孔隙水压力发展模型和正常固结软黏土不排水强度公式,推导出软黏土不排水强度随循环荷载作用次数和应力水平变化的动态折减规律。结合软黏土不排水强度动态折减规律和M-C屈服准则,在有限元软件ABAQUS上实现软黏土不排水强度循环弱化分析的数值开发和动力运算过程。运用该动力有限元方法对天津港防波堤地基软黏土的动、静三轴试验进行数值模拟运算。结果表明,最大孔隙水压力发展曲线以及循环荷载作用后不排水强度的数值预测结果与动三轴试验结果吻合良好。另外,动力有限元方法（DFEM）能够表示土体强度在循环荷载作用下的具体弱化过程。