饱和砂土静动力剪切特性对比分析

在相同的初始应力条件下,通过进行循环扭剪试验和单调剪切试验,对比了初始固结应力状态完全相同时,饱和砂土的静动力剪切特性的相关性。试验结果表明,在初始固结应力状态相同的情况下,单调剪切和循环扭剪过程中,应力-应变关系的应变软化和硬化特性与流滑变形和循环流动特性具有密切的相关性,尽管在两种加载模式下都出现应变软化特性,但偏应力比增长均表现出硬化特性,增长模式也几乎一致,能作为静动力本构模型的物理基础。这一结果为对静力条件下的弹塑性模型进行修正和推广,从而进一步描述动荷载条件下的应力-应变特性的本构模型的建立提供了依据。     

中主应力系数及应力路径对砂土剪切特性影响的真三轴试验研究

针对福建标准砂,进行了系列真三轴排水剪切试验,重点探讨了应力路径、中主应力系数对砂土应力-应变关系、广义剪应力比-应变关系及抗剪强度指标的影响,并利用试验实测的三轴拉伸和压缩条件下的内摩擦角及不同中应力系数条件下的强度实测值,验证了岩土材料非线性统一强度模型在π平面上的强度包线。试验结果表明,应力路径完全相同的情况下,砂土的抗剪强度q和广义剪应力比q/p随中主应力系数的增大而减小,强度指标?随中主应力系数的增大而增加;中主应力系数越大,砂土的剪胀特性越明显;不同应力路径对砂土应力-应变关系影响很大,但对应力比-应变关系及抗剪强度指标?的影响相对较小;岩土材料非线性统一强度模型能够很好地描述砂土的非线性强度特性。     

考虑剪切中主应力方向的砂土本构模型

考虑状态依赖性的弹塑性本构模型是当前现代砂土本构理论发展的一个主流方向,目前所引用的状态参量虽能够反映孔隙比与平均有效应力的联合效应,但尚不能反映剪切过程中的主应力方向对砂土应力-应变关系的影响.大量复杂应力条件下的空心扭剪试验证明,剪切中的主应力方向对砂土的变形和强度特性具有重要的影响.本文基于考虑砂土状态依赖性的本构理论,提出了一个含有主应力方向的砂土状态参量,并将其同时引入剪胀方程和塑性模量,以此为基础建立了一个能够反映剪切中主应力方向的砂土弹塑性本构模型.通过同相关试验数据的对比和分析,验证了该模型可以较好地模拟砂土在不同主应力方向下的应力-应变关系.     

考虑剪切中主应力方向的砂土本构模型

考虑状态依赖性的弹塑性本构模型是当前现代砂土本构理论发展的一个主流方向，但目前所引用的状态参量虽能够反映孔隙比与平均有效应力的联合效应，但尚不能反映剪切过程中的主应力方向对砂土应力—应变关系的影响。大量复杂应力条件下的空心扭剪试验证明，剪切中的主应力方向对砂土的变形和强度特性具有重要的影响。本文在考虑砂土状态依赖性的本构理论的基础上，提出了一个含有主应力方向的砂土状态参量，并将其同时引入剪胀方程和塑性模量，以此为基础建立了一个能够反映剪切中主应力方向的砂土弹塑性本构模型，通过同相关试验数据的对比和分析，验证了该模型可以较好地模拟砂土在不同主应力方向下的应力—应变关系。     

不同应力路径条件下的砂土剪切特性试验研究

为了探讨不同应力路径条件下的砂土剪切特性,进行了8种不同应力路径的单调剪切试验。试验结果表明,在不同剪切路径条件下,砂土的剪切特性明显不同。即在压缩条件下的剪胀特性明显大于拉伸条件下的剪胀特性,而同样的压缩路径,减压压缩路径下的剪胀特性最显著,增压剪切路径下的剪胀特性最小,常规压缩路径下的剪胀特性在其中间。且相对于均等固结,在偏压固结条件下表现出更显著的剪胀特性。在不同剪切路径条件下,砂土所发挥的最大内摩擦角也有所不同,即在三轴拉伸条件下所发挥的内摩擦角普遍比三轴压缩条件下的内摩擦角大3°~4°,而在相同的压缩或拉伸条件下,内摩擦角以及临界状态应力比基本一致,与加载路径无关。     

基于离散元的颗粒材料三维临界状态与剪胀特性研究

临界状态通常作为砂土等颗粒材料本构模型中的一种参考状态,是经典土力学框架的一个重要组成部分。根据砂土的细观结构特性,一些学者提出了描述砂土内部结构特性的状态参量,建立了状态相关的剪胀模型。然而受试验条件的限制,目前多采用常规三轴试验研究颗粒材料的临界状态和剪胀特性,未考虑中主应力因素。已有研究表明加载路径对颗粒材料的力学特性有一定影响,本文采用离散单元法模拟了颗粒材料真三轴应力路径试验,分析了加载过程中颗粒材料的应力应变特性及中主应力对临界状态的影响。结果表明:颗粒材料的临界状态线(CSL)在e-lg p平面内是唯一的,与中主应力系数无关。临界状态应力比与应力罗德角的关系可以采用角隅函数近似表达。基于状态相关的剪胀理论,采用Lode角的函数(角隅函数)表示模型参数,提出一个新的应力-剪胀模型。数值试验结果表明,本文采用的三维剪胀模型能够较好地反映了离散元数值模拟中颗粒材料在三维应力路径下的剪胀特性,然而公式的适用性需要更多的试验验证和理论研究。     

粉质砂土的土-水特征及一维应力变形试验研究

浅层非饱和土的力学特性与其土-水特征密切相关,研究自重应力作用下土体的土-水特征曲线及一维应力变形对于边坡、基坑等工程的稳定性分析具有重要意义。采用应力相关的压力板仪对西南某地区的粉质砂土进行了干燥试验及k₀固结试验。结果表明:在较低的竖向应力状态下,应力大小变化对粉质砂土的土-水特征曲线影响不大;在一定的净竖向应力状态下,粉质砂土的体积应变随吸力的增加呈线性增大;在一定的吸力状态下,粉质砂土的k₀固结变形是非线弹性的,净竖向应力越大,土体的体积应变越大,孔隙比越小。     

循环荷载作用下粉细砂累积变形的等效黏塑性本构模型

提出了适用于长期循环荷载作用下粉细砂累积变形计算的等效黏塑性本构模型及数值模拟方法。该模型基于经典弹塑性理论框架及结构安定理论,考虑了砂土材料的双屈服面及剪胀性特征,引入塑性应变随加载次数的增量表达式,预测粉细砂土材料累积不均匀变形。通过粉细砂的动静三轴试验确定模型参数,并研究了砂土累积变形规律。数值模拟结果表明,该模型对于粉细砂长期循环累积塑性变形具有良好的模拟能力,而且计算步长可任选取,适用于长期循环加载的计算。     

多轴应力条件下碾压混凝土层面抗剪强度试验研究

针对碾压混凝土重力坝和拱坝等坝体真实的工作受力状况,对碾压混凝土拱坝所用的二级配混凝土材料成型的本体、层面处理和层面不处理试件,进行了单轴及多轴应力条件下的剪切试验研究。试件尺寸为150mm×150mm×150mm,试验比较了不同应力状态对本体和含层面试件的抗剪强度和变形特性的影响。结果表明：在低应力压剪和压压剪应力状态下,所有试件抗剪强度和极限变形均有所提高;在有拉应力存在的状态下,所有试件抗剪强度均有所降低;复合应力状态下三种试件强度和变形特性有一定的差异。在以上试验基础上提出了碾压混凝土在复杂应力状态下的多轴剪切强度破坏准则。     

穿黄工程隧洞段饱和砂土的动强度特性研究

为了解在遭遇地震的情况下,穿黄隧洞的抗震安全性能,选取穿黄隧洞地基饱和砂土为样本,进行了室内饱和固结不排水动三轴试验,研究循环动荷载作用下饱和砂土的动强度特性和孔隙水压力特性,给出了循环动荷载的大小对动强度特性和孔隙水压力特性的影响规律。结果表明：静应力状态、动应力幅及其循环次数和试样密实程度等是影响穿黄工程隧洞段地基饱和砂土动强度特性和孔隙水压力特性的主要因素。     

高埋深条件下尾砂土的动强度特性

为分析随着尾矿坝坝高的增加,处于尾矿库高埋深条件下的尾矿料在地震作用下是否会出现液化现象或发生较大永久变形,选择尾砂土进行高埋深条件下不同围压400,800,1 200 kPa的动强度试验,并进行尾砂土液化影响深度分析。分析成果表明高埋深条件下尾砂土的动应力随围压的增加而增大,随固结应力比的增加而增大,变化规律和小围压下的变化规律基本相同;高围压条件下,围压对液化应力比影响较大,液化应力比随围压的增加而减小,但归一化较差。采用规范的尾矿料地震液化判别方法,在尾砂土较小干密度和低固结应力比条件下,中部尾砂土存在大概率液化可能,随着地震作用应力比随埋深的逐渐折减,底部尾砂土可以不考虑液化问题     

多轴应力条件下碾压混凝土层面抗剪强度试验研究

针对碾压混凝土重力坝和拱坝等坝体真实的工作受力状况，对碾压混凝土拱坝所用二级配混凝土材料成型的本体、分层处理和分层不处理试件，进行了单轴及多轴应力条件下的剪切试验研究。试件尺寸为150mm×150mm×150mm，试验比较了不同应力状态对本体和含层面试件的抗剪强度和变形特性的影响，结果表明，在低应力压剪和压压剪应力状态下，所有试件抗剪强度和极限变形都有所提高，在有拉应力存在的状态下，所有试件抗剪强度有所降低，复合应力状态下三种试件强度和变形特性有一定的差异。在以上试验基础上给出了碾压混凝土在复杂应力状态下的多轴剪切强度破坏准则。     

库水循环加卸载条件下岸坡饱和土体变形特性试验研究

水库运行期水位每年周期性涨落,岸坡土体在库水循环加卸载作用下会发生不同程度的阶梯状变形。为探求循环加卸载对岸坡深部变形的诱发机理,本文以水库防洪限制水位以下岸坡土体为研究对象,在饱和土应力路径三轴试验过程中,控制非等向受压试样的孔隙水压力周期变化,模拟岸坡土体的水力-力学状态,实时测定土体的周期性变形特性及破坏特征。研究结果表明:等偏应力孔压循环加卸载过程中,试样剪应变为台阶式上升趋势,而体应变是循环的弹性变化;孔压持续增大造成试样破坏呈现脆变和剪胀的特征。最后,结合等偏应力孔压增大条件下粉质黏土的破坏特征与常规三轴剪切试验成果,对比两种应力路径下试样的有效应力比和剪应变的发展过程,分析了其强度差异的内在原因。     

固结应力状态对超深厚覆盖层深埋砂土动强度参数的影响

在室内固结不排水动三轴试验基础上,对较低有效固结应力到较高有效固结应力范围内超深厚覆盖层深埋紧密砂土的动强度特性进行了研究,重点研究了固结应力状态对动强度参数的影响。结果表明:(1)有效固结围压力对抗液化动剪应力比有明显影响,其影响随土类和相对密度的不同而不同,有效固结围压力越增大,抗液化动剪应力比越减小,相对密度越大,这种效果越明显;(2)有效固结应力比的影响规律比较复杂,在有效固结围压力较低时,抗液化动剪应力比随有效固结应力比的增大而越大,相对密度越大,这种效果越明显;在固结应力较高时,随有效固结应力比的增大,抗液化动剪应力比可能增大,也可能减小,主要取决于相对密度和有效固结应力比的大小;当紧密砂土在较高的有效固结应力下呈现剪胀时,抗液化动剪应力比随有效固结应力比的增大而增大;当紧密砂土在较高的有效固结应力下呈现剪缩时,抗液化动剪应力比随有效固结应力比的增大而减小;(3)对于中密和紧密砂土,在由剪胀到剪缩状态转变的过程中,存在一个剪胀与剪缩分界的临界固结应力状态,其对应的临界有效固结围压力随相对密度的增大而增大。     

砂土ＵＨ模型在土石坝有限元分析中的应用

利用砂土ＵＨ模型对两岔河水库工程心墙堆石坝进行了应力变形三维有限元计算,分析了坝体在竣工期和满蓄期的应力变形特性。结果显示:坝体在竣工期和满蓄期的最大沉降分别为７３．８ｃｍ和７７．７ｃｍ;坝体在竣工期和满蓄期的大主应力、小主应力均存在拱效应,大主应力的拱效应更显著,心墙内小主应力均为正,未出现拉应力;竣工期和满蓄期防渗墙左右两侧小主应力出现了拉应力区,防渗墙最大拉应力和压应力均在混凝土强度容许范围内。大坝应力变形的计算结果符合心墙堆石坝应力变形一般规律。有限元计算结果均在合理范围内,表明砂土ＵＨ模型在土石坝工程中有较好的适用性。     

考虑剪胀性和应变软化的粉细砂双屈服面本构模型

针对上海粉细砂不存在唯一临界状态线的特点,对传统的砂土本构模型进行了改进,提出了一个能合理描述粉细砂剪胀性和应变软化特性的弹塑性本构模型.该模型采用双屈服面形式,可同时反映剪切变形及压缩变形机理.模型对传统修正剑桥模型中的剪胀性公式进行了改进,考虑了反映塑性体积应变由正转为负时对应的特征状态应力比与初始有效围压的相关性.为了描述应变软化特性,提出了一个利用残余状态应力比和峰值应力比的应变软化公式,可较为合理地反映粉细砂的应变软化特性.通过对上海粉细砂的多组试验结果模拟,验证了本文模型的合理性和有效性.     

考虑原位结构效应确定深厚覆盖层土体的动力变形特性参数

深厚覆盖层土体原位结构性强,原状样取样困难,且由于粒径、级配的改变,室内重塑样试验确定的力学参数不能反映原位土体的实际性质,如何准确确定深厚覆盖层土体的力学参数是工程建设中的难题。本文联合室内和现场试验,研究了考虑原位结构效应确定深厚覆盖层砂土动力变形特性参数的方法。研究结果表明,可以通过联合现场波速试验和室内共振柱试验综合确定的最大动剪模量Gmax反映深厚覆盖层砂土动力变形特性的原位结构效应;基于室内共振柱试验确定的砂土归一化G/Gmax-γ/γr曲线和λ-γγr曲线受颗粒大小、级配和结构性的影响很小,用其可以分别较为接近地表征原位土体动剪模量G随动剪应变γ的衰减关系及阻尼比λ随动剪应变γ的增长关系。联合现场剪切波速和室内重塑样动力变形特性试验成果,能够较好地考虑原位结构效应确定深厚覆盖层土体的动力变形特性参数。     

应力路径对固结排水条件下饱和原状黄土

在轴向加载、径向卸载和轴向卸载、径向加载二种类型的等应力比应力路径下,对杨凌饱和原状黄土进行K0固结排水三轴剪切试验,探讨了应力路径、固结围压等对饱和原状黄土的变形及强度特性影响的规律.研究表明,应力路径类型对其变形及强度特性有明显的影响;在二种类型等应力比应力路径下,体积变形皆表现为剪缩性,且固结围压及应力路径类型相同时,体应变随应力路径的变化呈现出规律性的变化;对于同一类型的等应力比应力路径,破坏强度值因应力路径的变化而异,但不同应力路径下临界状态线是唯一的,挤伸破坏时抗剪强度要比压缩破坏时低.     

颗粒级配与含水率对粉质砂土力学性能影响研究

砂土的级配与含水率会对砂土的力学性能产生较大影响。本文通过试验研究不同不均匀系数、曲率系数与含水率下砂土的抗剪强度,分析了直剪试验粉质砂土的级配与含水率对强度曲线、峰值强度与内摩擦角的影响规律。研究结果表明：粉质砂土在剪切过程中颗粒破碎和颗粒翻滚行为都会对砂土力学性能产生影响。随着不均匀系数或曲率系数的增加,砂土的峰值强度与内摩擦角均出现先增大后减小的趋势,含水率与粉质砂土峰值强度、内摩擦角均呈现负相关关系。     

往返荷载下饱和砂土有效应力强度指标的确定

本文以饱和砂土在往返荷载下出现剪胀现象作为达到极限平衡状态的标志,提出确定有效应力动强度指标φ′与c′的一个方法。