黄土的修正上下加载面模型研究

由于天然沉积的黄土具有显著地结构性,在湿度及荷载变化条件下,其宏观力学特性发生显著的变化。为了分析增湿和加载条件下黄土的结构性损伤演化特性及应力-应变关系的变化特性,引入上、下加载面的概念,在原有超固结及结构性参数的基础上,考虑了含水率变化的影响,定义了新的初始超固结及结构性参数;运用上、下加载面概念,通过引入构度及黄土结构屈服强度,推导了结构性黄土的一般应力-应变关系,并进行了参数的影响变化分析;最后,通过不同含水率条件下的黄土压缩及三轴试验数据与模型预测数据的对比分析,验证了模型的合理性。     

黄土的湿载结构性本构模型研究

土结构性是土结构空间排列几何特征和联结特征所表现出的力学性质,是影响土力学特性的重要内在因素。它与土的密度、粒度、湿度相联系,能够综合反映土的强度、变形等力学特性的变化和发展。从综合反映增湿导致土结构内在主动变化和加载变形导致土结构被动变化两个方面出发,沿用土综合结构势的应力比结构性参数,首先建立压缩、剪切及增湿作用下黄土的结构性演化规律;其次,通过压剪湿作用下黄土的应力-应变特性、屈服破坏特性及其与结构性之间的关系,揭示结构性变化对土力学性质的影响;进而,建立了反映压剪湿作用下黄土结构性发展演化的湿载结构性本构模型。最后通过与试验数据、修正剑桥模型的比较分析,初步验证该模型的准确性。     

考虑细观结构演化的非饱和Q_3原状黄土弹塑性本构模型

Q_3原状黄土是典型的非饱和土,具有明显的结构性,其力学变形特征与结构性密切相关。建立黄土的本构模型有必要考虑加载和湿陷过程中结构演化特征,才能真实地反映原状黄土的固有特性。假设原状黄土的屈服应力是重塑黄土与结构性两者的耦合,基于细观结构演化规律,考虑吸力和结构性的影响,提出了一个非饱和Q_3原状黄土的弹塑性本构模型。模型包括土骨架变形与水量变化两个方面,土骨架变形方面以修正Barcelona非饱和土弹塑性模型为基础,引入通过CT三轴试验获得的Q_3原状黄土加载-湿陷过程中的结构演化方程,分别得到描述土骨架在加载和湿陷过程的本构模型,以突出加载和湿陷过程中结构性对变形的影响;水量变化方面则采用广义土-水特征曲线描述,以反映净平均应力和偏应力对持水性的影响。模型总计22个材料参数,均可由试验确定。通过对比若干试验数据与模型计算结果,初步验证了模型的合理性。建立的考虑结构性的弹塑性本构模型为深化认识黄土力学特性提供了可能,并为有效分析黄土地基湿陷变形提供了一定借鉴。     

压实黄土变形影响因素与计算模型研究

为研究压实黄土的压缩特性和沉降计算模型,开展了不同压实度、不同含水量下的压实黄土侧限压缩试验,分析了压力、含水量、压实度以及结构性对压实黄土压缩变形量及变形过程的影响,提出了结构性的表示方法及结构强度的计算方式,引入割线模量表达法并推导出了压实黄土加压过程的结构性本构模型及增湿本构模型。结果表明:压实黄土的压缩性随着压实度的增大而减小且压力越大减小越明显;压缩性随着初始含水量的增大而增大且塑限前后差别明显;压实黄土具有增湿变形性质,增湿变形系数随压实度的增大而减小、随增湿含水量的增大而增大;高压实度下的黄土具有结构性且结构强度随着含水量的增大而减小、随着压实度的增大而增大,据此推导出的加压结构性本构模型和增湿本构模型精度更高、物理意义更加明确。     

黄土损伤与流变耦合模型及参数研究

以试验为基础,对不同含水量Q3黄土的蠕变特征进行了分析研究,结合黄土结构损伤特性及其对黄土力学特征影响,通过考虑结构损伤对变形模量的劣化来反映黄土结构性对蠕变规律的影响,提出了黄土损伤与流变耦合作用的本构模型。该模型不仅具有参数少的优点,而且能够准确描述黄土的突发性破坏特征。利用结构性软土流变的研究成果,给出了黄土流变模型参数的确定方法,并对模型参数随非饱和黄土含水量变化的规律进行了研究。数值模拟结果表明,该模型能够很好地描述黄土的加速蠕变阶段的变形特征。     

非饱和结构性黄土本构模型的研究

本文在饱和土扰动概念基础上,提出了可以考虑外力和增湿两个扰动因素对非饱和土结构性影响的耦合扰动变量。根据复合材料均匀化理论的思想建立了适用于非饱和结构性黄土的本构模型,并给出了耦合扰动变量的演化方程。通过将BBM模型和本文模型的计算结果分别与已有的实验结果进行对比说明,本文模型能够更好地反映非饱和原状黄土的力学特性。通过对结构性参数、进行分析说明,所给出的耦合扰动变量的演化方程能够较好地描述土结构性随变形劣化的规律。     

黄土结构性力学特性研究与应用的探讨

大孔隙、高孔隙比、欠压密的非饱和黄土具有显著的结构性,结构性是影响土力学性质的关键因素。在讨论土结构性力学特性研究途径的基础上,从反映土的结构可稳性和可变性的综合结构势出发,阐述了反映力、水作用的黄土压缩变形结构性参数、应力结构性参数和应力比结构性参数,以及与土的物理性质指标对应的反映结构特征的构度。通过黄土的单轴抗压试验、非饱和直接剪切试验、三轴试验和真三轴试验,揭示了结构性参数和构度的变化规律,以及它们分别与强度指标之间的关系,提出了湿、剪变形过程等结构性临界状态的概念。将正常固结土视为结构性参数或构度等于1的无结构性土,在修正剑桥模型的基础上,考虑临界状态线和等向压缩曲线随结构性参数的变化,建立了结构性屈服面方程,为建立结构性弹塑性本构方程打下了基础。同时,阐述了黄土隧道围岩和黄土地基稳定性分析中应用结构性强度变化规律研究成果的途径,深化了黄土体稳定性分析的理论基础。     

陇东Q3结构性黄土压剪损伤本构模型试验研究

Q3黄土在我国西北地区分布广泛,且大部分都具有显著的结构性。随着国家“一带一路”倡议的不断向前推进,作为丝路沿线的西北黄土分布地区将迎来新的建设大潮。黄土的结构变形特性非常复杂,深入研究黄土在压缩、剪切条件下的结构损伤变形特性,并依此构建黄土的本构关系在理论研究及现场工程应用中具有非常重要的意义。通过对黄土进行均等压缩试验及三轴剪切试验,基于损伤力学思想,提出黄土结构在均等压缩条件下的平均正应力损伤比,在剪切条件下的平均正应力损伤比及偏应力损伤比。根据弹性、塑性应变确定塑性势线,进而确定其屈服函数;将确定的黄土结构损伤比引入到屈服函数中,得到一定结构损伤时黄土的屈服函数表达式;验证了选取塑性体应变作为本构模型硬化参量的合理性;根据硬化参量与相关试验参数的联系,推导出结构性黄土在压剪条件下的损伤本构模型。经过实测应力-应变曲线与本构模型推算得到的应力-应变曲线对比可知,所建立的本构模型可以较好地反映黄土在压剪条件下结构损伤演化变形过程,具有较好的工程应用前景。     

基于黄土结构损伤的地裂缝局部化破裂发展机制

针对西安地裂缝活动条件下黄土覆盖层裂缝的发展与形成,依据黄土的构度和应力比结构性参数变化规律,分析了黄土构度和抗拉强度之间的关系,建立了黄土结构性演变的数学模型,抗拉强度与抗剪强度随结构性参数变化强度准则,以及反映黄土结构性演变的Mohr-Coulomb屈服面弹塑性模型.通过本构模型嵌入FLAC3D软件,数值模拟西安地裂缝活动边界条件,以及结构性黄土地层结构,进行了黄土结构损伤变化和地层破裂带形成发展分析研究.表明地裂缝错动位移作用条件下,黄土地层塑形区域破裂带发展分为初始剪切破坏、初始拉伸破坏、剪切与拉伸破坏发展、破裂带贯通四个阶段;地层破裂带黄土的结构性损伤衰减变化突出,黄土应力比结构性参数等值线与地层塑性破裂带分布一致.揭示的黄土地层局部化破裂发展过程机制,对于认识地裂缝造成地面建筑物与地下工程灾害有重要的理论和实际意义.     

复杂应力路径下饱水砂岩宏细观力学特性研究

饱水作用对砂岩变形及强度特征影响显著,考虑岩体实际赋存环境,为了解复杂应力路径下饱水砂岩宏细观力学特性,利用RMT-150C岩石力学多功能试验机及SEM电镜扫描技术,对饱水砂岩进行循环荷载作用后卸荷破坏试验,研究不同影响因素作用下的疲劳损伤特征,重点分析了加载频率、上限应力等因素对卸荷变形、强度及细观损伤特征的影响规律。研究表明,根据试验设计方案获得的饱水砂岩应力-应变曲线大致可以划分为5个典型阶段,其中,同一应力状态下,疲劳损伤阶段轴向不可逆应变在等速变形阶段的应变速率随加载频率的增大迅速增加,这表明上限应力的“门槛值”极有可能是变化的,且与加载频率及循环次数密切相关;同时,卸围压变形破坏阶段的总应变及围压卸荷量均随加载频率（或上限应力）的增大而减小,与该阶段持续时间随加载频率（或上限应力）的变化规律一致。不仅如此,通过分析饱水砂岩破坏面细观损伤特征发现,加载频率与上限应力作用下的细观损伤特征差异显著,其中破坏面微裂隙面积占比随加载频率增大而减小,上限应力则恰好相反。     

西峰塬黄土的湿陷性研究

采用双线法对西峰塬原状Q3黄土进行增湿、减湿情况下的压缩试验。分析了黄土的湿陷变形随湿度及压力的变化规律。利用SEM技术测试了黄土湿陷前后的微结构变化,采用微结构定量化分析方法和分形分维集合方法分析了黄土试样微观孔隙的变化规律。结果表明:(1)黄土湿陷性的产生是构成黄土架空孔隙的刚性结点变异导致。(2)同级压力下超越湿陷率随初始含水量的增加而变大; 初始含水量在同一水平下,随压力的增加超越湿陷率逐渐变大。(3)黄土湿陷过程伴随孔隙数量大幅增加,平均孔径减小,孔隙面积缩小,大中孔隙数量骤降; 孔隙结构变得更加复杂。本文提出了黄土超越湿陷率的概念及受外界因素的影响规律,分析了非饱和黄土的湿陷机理,即水分和外力不同组合情况的湿陷性。     

黄土地基增湿变形的实用算法

以大量黄土单线法、双线法湿陷试验的成果为基础,提出了用割线模量计算黄土由一个含水量情况到另一个含水量时增湿变形量的实用算法。利用它既可计算最大湿陷势,又可计算广泛存在的可能增湿湿陷势。     

灌溉引起的黄土工程地质性质变化

引水灌溉改变了黄土的原生环境,使黄土在增湿乃至饱和的过程中,微结构、物理、力学及水理性质都不同程度地发生了变化,成为诱发黄土灾害的重要条件.以甘肃省黑方台灌区为研究区,开展从原位试验到室内测试、从传统土力学到非饱和土力学、从微观到宏观的多角度系统研究,揭示灌溉引起的黄土工程地质性质变化.研究结果表明,灌溉造成黄土原生结构破坏,孔隙总量和孔隙度普遍减小,造成天然含水量、天然密度、干密度等物理性质指标增高,天然孔隙比降低,黄土压缩性和湿陷性趋低,抗剪强度降幅尤为明显;从非饱和土力学角度看,灌溉使得黄土含水量增加,基质吸力降低,非饱和黄土强度参数也随之呈递减趋势;从黄土时效变形分析看,灌溉使得黄土更易发生蠕变变形和破坏.     

黄土受强夯扰动的工程特性与环境公害研究

通过湿陷性黄土地基强夯处理原位测试试验,对强夯引起的湿陷性黄土物理力学特性、密实度、湿陷性、比贯入阻力和承载力变化等扰动特性进行了系统的研究,并划分了不同的扰动区域;同时对强夯所引起周围建筑物的环境公害进行了分析。在实测统计资料基础上,提出了不利扰动影响系数,该扰动影响系数不仅考虑了振动的基本特征,而且考虑了包括建筑物刚度、强度、高度、基础情况以及隔振措施等综合影响因素,其结果可作为强夯振动的扰动评价依据。     

岩体力学参数的损伤反分析优化性研究

岩体力学参数一直是困扰岩石力学和数值计算深入研究的难题,它在很大程度上决定了数值计算结果的准确性、客观性和实用性.本文在岩体损伤力学描述的基础上,提出了弹性波波速、损伤力学和反分析相结合的优化方法.     

湿陷性黄土变形的微结构突变模型研究

根据湿陷性黄土的湿陷特点,分析了其主要影响因素,包括外部因素：水、荷载与内部因素微结构及其力学性质。从湿陷性黄土的湿陷性影响出发,建立了湿陷性黄土结构失稳突变模型,并从模型基本假定、微结构模型应力特性和湿化于微结构失稳的突变关系3个方面进行了理论分析研究,在一定程度上揭示出湿陷性黄土变形机制和规律。通过微结构突变失稳理论发现：当应力状态满足孔隙微结构失稳判别式时,微结构元的变形状态将诱发微结构失稳崩塌。微结构的稳定性与结构刚度 和受力状态 密切相关。地下水不仅改变了颗粒的受力情况,更重要的是使颗粒间连接刚度降低,从而导致微结构失稳。     

水平分层胶结充填体损伤本构模型及强度准则

以矿山分层充填为背景,针对水平分层充填体,提出了初始分层损伤、荷载损伤与总损伤的概念;利用损伤力学理论,考虑分层效应,建立了充填体损伤演化及本构模型;基于全微分方法构建了考虑分层效应的充填体强度准则。开展了不同分层充填体力学特性试验。研究结果表明：所建立的分层充填体损伤本构模型及强度准则理论曲线与试验曲线高度吻合,验证了模型的正确性;初始分层损伤随分层数增多,呈现 的二次多项式递增,分层效应与荷载耦合作用劣化了充填体总损伤;充填体总损伤率呈先增大后减小趋势。在峰值之前,分层数越多,则总损伤率越大;而峰值之后,分层数越多,则总损伤率越小,且总损伤率最大值随分层数增多而增大。     

湿陷性黄土增湿和减湿效应的探讨

湿陷性黄土的湿陷性不是一成不变的。土中含水率的变化产生的增湿和减湿效应,对黄土湿陷性影响很大。进行黄土湿陷性评价时,应注意以动态的观点和方法综合分析、预测增湿和减湿效应的不利影响,以便采取有效的处理措施,消除工程事故隐患。     

黄土连拱隧道动态施工围岩损伤局部化研究

为了研究黄土连拱隧道动态施工时围岩的损伤情况和损伤分布规律,在室内试验的基础上推导了Q2黄土的弹塑性损伤本构模型,并基于FLAC3D平台编制了自定义本构模型,提出了损伤度概念并编制了损伤度后处理模块。以国内首条高速公路黄土连拱隧道-离石隧道为依托工程,对两种开挖方案施工时围岩损伤情况进行数值分析。研究表明,该成果可以较好地掌握隧道每一开挖步后围岩损伤度的分布情况和损伤区的演化规律,为施工方案优化选择提供依据。该研究成果为地下工程支护参数优化和方案的选择开辟了一个新的方向。     

Q1黄土的弹塑性损伤本构模型

在陕西洛惠渠五洞简易盾构法施工现场进行了取样，分析了Q1黄土的应力—应变曲线特性及物理性状，根据连续损伤力学和热力学定律，提出了Q1黄土的弹塑性损伤本构模型。并将模型计算结果与试验曲线进行了比较，模型验证结果表明，该模型能够较好模拟Q1黄土的软化和剪胀性。