平面应变条件下黄土的竖向加载变形与强度特性分析

针对黄土地区工程建设中的平面应变问题,该文利用西安理工大学真三轴仪,在不同围压条件下进行了不同含水率黄土竖向裂隙向大主应力加载的平面应变试验,研究了原状黄土的平面应变强度、变形特性,以及中主应力变化规律。表明低固结围压条件下,低含水率黄土的平面应力应变曲线呈原生结构损伤软化型;随着固结围压增大,压缩损伤增强,平面应力应变曲线呈次生结构形成硬化型。黄土原生结构损伤软化剪切过程伴随着剪胀变形;压缩损伤次生结构形成剪切过程伴随剪缩变形。平面应变固结竖向加载剪切过程中平面应变方向上的主应力由小主应力逐步转换为中主应力,中主应力系数由单调减小转变为单调增大,破坏时的中主应力系数介于0.15～0.35之间。不同含水率黄土平面应变剪切强度破坏线近似为线性关系;随着含水率的增大,粘聚力明显增大,内摩擦角基本不变。     

竖向加载下填筑黄土边坡土体强度特性研究

利用真三轴仪,对重塑黄土进行了竖向加载条件下的平面应变试验,研究其在平面应变条件下的应力-应变关系、中主应力的变化特性和强度特性。试验结果表明:竖向主应力加载过程中,重塑黄土的应力-应变曲线均为硬化型或强硬化型。同一压实系数和固结围压条件下,含水率愈小,重塑黄土的强度就越高;同一含水率和固结围压条件下,压实系数越大,重塑黄土的强度就越高;同一含水率和压实系数条件下,固结围压越大,重塑黄土的强度就越高;重塑黄土的中主应力随轴向应变的增大而增大,固结围压越大,含水率越小,相应的中主应力越大;随着含水率的增大,黏聚力衰减明显,内摩擦角略有减小;随着压实系数的增大,黏聚力显著增大,内摩擦角几乎不变。     

平面应变条件下原状Q3黄土的结构性演化特性研究

针对黄土工程中经常遇到的平面应变问题,通过扰动、加载和浸水充分释放土的结构势,开展Q₃原状、重塑和饱和原状黄土的无侧限压缩试验和平面应变剪切试验,依据初始结构性参数(构度)和剪切过程结构性参数(应力比结构性参数)定义了可综合描述从土的初始结构状态到平面应变剪切破坏状态的全过程结构性参数,分析了平面应变条件下,全过程结构性参数随轴向应变的衰减演化规律及结构性强度特性。研究结果表明,黄土的不同初始状态(原状、重塑和饱和)对应力 应变关系演化特性影响较大,原状黄土应力 应变曲线最高,重塑黄土次之,饱和黄土最低。随着含水率增大,构度指标不断减小,含水率小于土的塑限时,水的浸入对黄土结构的损伤较大。固结围压和含水率变化均对结构性参数及其演化规律有明显影响。建立的全过程结构性参数,可以很好的描述土的初始结构性及平面应变剪切全过程的结构损伤演化规律,亦可以反映出含水率和固结围压对于土结构性损伤演化全过程的影响规律。不同初始状态对土的强度影响显著,黏聚力随构度呈非线性增长,内摩擦角随着构度增大近似呈线性增长,但变化幅度较小。     

平面应变加、卸荷条件下考虑初始应力的原状黄土#br# 强度与变形特性试验研究

针对黄土工程中的众多平面应变加、卸载问题,利用平面应变改造后的西安理工大学真三轴仪,模拟黄土原位沉积方向及不同初始应力状态,在不同围压下对不同初始应力状态原状黄土进行竖向加载和侧向卸载平面应变试验,揭示不同初始应力状态原状黄土在加、卸载不同应力路径条件下的强度和变形特性。研究结果表明：两种应力路径条件下的应力应变曲线均呈硬化型,加载曲线均高于卸载,加载强度大于卸载强度,但卸载时,土的强度发挥较快。剪切过程中,黄土的侧向变形与竖向变形均呈非线性关系。竖向加载时,土的初始应力状态k值对土强度和变形的影响与固结围压的大小关系紧密;侧向卸载时,k值的增大可以限制侧向变形的发展。竖向加载条件下的体积应变均为剪缩,侧向卸载时均为剪胀。加、卸载条件下p-q平面内的破坏强度线基本一致,近似呈线性关系。侧向卸载条件下土体破坏时的应变远小于竖向加载和常规三轴试验。随着k值的增大,加、卸载应力路径时,黏聚力均线性减小,内摩擦角均线性增大。     

平面应变偏压固结条件原状黄土强度特性研究

对平面应变偏压固结条件下的原状黄土的强度特性进行了研究,结果表明:在低含水率和低围压条件下,黄土应力-应变曲线在硬化过程中有弱化现象。含水率、围压和初始固结应力比越大,黄土结构损伤越明显,应力-应变曲线硬化越显著;黄土在低围压时以侧胀为主,在高围压时以侧缩为主,且具有持续侧缩和先侧缩后侧胀两种形式;黄土主要呈剪缩特征,只在低围压、低含水率时才呈先剪缩后剪胀。随着围压增高,剪缩越明显而广义剪应变减小。当围压较低时,体应变与广义剪应变的发展受含水率和初始固结应力比影响的规律性较显著;反之,则较弱。     

考虑结构性影响的原状黄土等效线性模型

对不同含水率的西安原状黄土及相同干密度的扰动饱和黄土进行动三轴试验,用同一动应变下原状黄土的割线模量Edy与扰动饱和黄土的割线模量Edrs之比值定义了动三轴应力条件下结构性参数mεd,它可以综合反映土的排列和胶结特征所表现出的综合结构势(结构性强弱),探讨了动荷作用过程中不同固结围压及含水率下结构性参数变化特性。研究结果表明:①结构性参数可以反映含水率、固结围压对动三轴应力条件下原状黄土结构性的影响,具有很好的合理性、灵敏性、稳定性。用此结构性参数随含水率、固结围压的增大而减小的特性可以合理地解释原状黄土的动应力应变特性;②结构性参数的变化量mεd0?mεd与动应变εd关系可以用双曲线来拟合(mεd0为初始结构性参数),由此所得到的结构性参数表达式可以反映固结围压、湿度、密度、动应力和动应变对结构性的影响;③在扰动饱和土的等效线性模型中引入结构性参数所得到的原状黄土等效线性模型能够考虑增湿、加荷对原状黄土结构性的影响,计算结果与试验结果之间吻合较好。     

平面应变条件下冻融循环对黄土力学性质的影响

以原状黄土为研究对象,通过平面应变试验,研究冻融循环对原状黄土物理力学性质的影响。结果表明:随着冻融循环周期的增大,土样表面损伤越严重;在同含水率、同固结围压的条件下,原状黄土的偏应力轴向应变(σ_1-σ_3)-ε_1曲线随着冻融循环次数的增大而逐渐减小,并且冻融循环对原状黄土(σ_1-σ_3)-ε_1曲线的劣化作用随着含水率的增大而增大,随着固结围压的增大而减小;根据摩尔库伦强度准则,得出粘聚力和内摩擦角均随着含水率的增大呈线性减小,黏聚力随着冻融循环周期的增大呈指数减小,内摩擦角随着冻融循环周期的增大而减小,且在3°范围内变化。基于试验数据的合理性,拟合出原状黄土随冻融循环周期的劣化模型,该模型经试验验证可较好地描述原状黄土随冻融循环周期的劣化规律。     

非饱和原状黄土增湿条件下力学特性试验研究

利用FSY30型应变控制式非饱和土三轴仪采用常含水率试验,研究陕西泾阳县某边坡原状黄土在不同含水率(无偏应力条件下增湿)、不同固结围压下的强度和变形特性,求得Fredlund双应力状态变量抗剪强度公式中b?值并利用含水率建立了工程中实用的抗剪强度公式;再将天然原状土在不同偏应力水平下增湿饱和后继续剪切,观察其力学特性。两种增湿条件下试验结果表明:该地区黄土应力应变曲线关系呈剪切硬化型;含水率与初始基质吸力呈双曲线关系,剪切过程中基质吸力无明显变化,抗剪强度指标黏聚力随着含水率的增大显著降低而内摩擦角所受影响较小;有偏应力条件下试样浸水饱和后破坏强度显著降低,但对应力应变关系影响较小,增湿时偏应力水平越低,土样饱和后的稳定偏应力值越小。     

平面应变偏压固结条件原状黄土强度特性研究

正对平面应变偏压固结条件下的原状黄土的强度特性进行了研究,结果表明:在低含水率和低围压条件下,黄土应力-应变曲线在硬化过程中有弱化现象。含水率、围压和初始固结应力比越大,黄土结构损伤越明显,应力-应变曲线硬化越显著;黄土在低围压时以侧胀为主,在高围压时以侧缩为主,且具有持续侧缩和先侧缩后侧胀两种形式;黄土主要呈剪缩特征,只在低围压、低含水率时才呈先剪缩后剪胀。随着围压增高,剪缩越明显而广义剪应     

加卸载条件下吸力对黄土变形特性影响的试验研究

为了探讨基质吸力和净围压对黄土的变形–强度及卸载–再加载模量的影响,用非饱和土三轴仪对原状Q_3黄土及其重塑土共做了3组27个试验,即9个控制吸力和净围压等于常数的原状Q_3黄土的三轴固结排水剪切试验、9个原状Q_3黄土和9个重塑Q_3黄土的控制吸力和净围压等于常数的三轴固结排水卸载–再加载剪切试验。研究结果表明:基质吸力和净围压均对试样的强度及变形特性有显著影响;原状Q_3黄土的偏应力–应变曲线随净围压的增大从理想弹塑性型演变为硬化型,因其结构性导致偏应力–应变曲线的初始阶段存在交叉现象,试样一直处于剪缩状态;重塑试样在净围压较小时由剪缩逐渐变为较强的剪胀,在净围压较大时则只发生剪缩;表观凝聚力、切线杨氏模量和卸载–再加载模量均随着吸力的增大而增大;而吸力对有效内摩擦角及参数n(原状Q_3黄土的初始杨氏模量随净围压增大而变化的指数)、n_(ur)(原状Q_3黄土的卸载—再加载模量随净围压增大而变化的指数)和n_(ur)'(重塑Q_3黄土的卸载—再加载模量随净围压增大而变化的指数)的影响很小,皆可视为常数。基于试验研究结果,提出了考虑吸力和净围压影响的表观凝聚力、切线杨氏模量和卸载—再加载模量的修正计算公式,完善了非饱和土的增量非线性模型。     

考虑结构性影响的原状软黏土应力–应变特性真三轴试验研究

通过对营口原状软黏土和饱和重塑软黏土的真三轴试验,研究围压和中主应力系数对软黏土强度的影响。基于综合结构势理论,提出真三维应力条件下软黏土的应力比结构性参数,建立引入结构性参数的原状软黏土偏应力–广义剪应变关系式。研究结果表明:当固结围压先期固结压力时,原状软黏土偏应力–广义剪应变曲线形态表现为应变软化,体应变表现为剪缩特性;当固结围压先期固结压力时,其曲线形态表现为应变硬化,体积应变表现为剪胀特性;饱和重塑软黏土的偏应力–应变关系曲线则不受先期固结压力的影响,均表现为应变硬化型。软黏土强度都随着固结围压和中主应力系数的增大而增大。应力比结构性参数m_η随广义剪应变、固结围压和中主应力系数的增大而降低,其与广义剪应变呈显著的对数关系。将拟合得到的应力比结构性参数m_η引入到原状软黏土的q-ε_s曲线中,得到q/m_η-ε_s关系曲线,进而建立引入结构性参数的原状软黏土偏应力–广义剪应变关系式,其与试验结果具有较好的一致性,从而使原状软黏土q-ε_s曲线得到合理描述。     

循环扭剪作用下黄土的动剪切特性试验研究

原状黄土具有显著的结构性,在增湿及循环剪切作用下均可导致其结构破坏。通过不同固结围压条件下大尺寸原状黄土圆筒试样的动扭剪试验,测试分析了原状黄土从小应变到大应变的动应力应变关系,动剪切模量和阻尼比的变化规律,以及逐级增大循环扭剪作用下黄土的剪切强度。得到了10^-5~10^-2剪切应变范围内黄土动剪切模量随固结围压和含水率的变化规律,分析了黄土最大动剪切模量随黄土构度的变化规律。建立了黄土最大动剪切模量与构度和固结围压的关系式。揭示不同固结围压条件下不同含水率黄土的阻尼比随动剪应变对数值的变化分布在一个带内;循环扭转作用下圆筒黄土样存在两组破坏面。     

应力路径试验前后黄土孔隙变化及与力学特性的联系

应用压汞试验研究了不同应力路径试验前后原状和重塑黄土孔隙分布的变化,探讨了宏观力学特性与孔隙分布的联系。压汞测试结果表明：试验前两种土具有相近孔隙分布的双孔隙结构;两者w＝15%试样等含水率试验后孔隙分布接近,两者饱和试样固结不排水试验后孔隙分布差异较大;应力作用主要对粒间孔隙分布产生影响;常规和减围压三轴等含水率试验后粒间孔隙体积分别减小和增大,相同固结压力下固结不排水减围压三轴试验后粒间孔隙体积比常规三轴试验后的大。原状黄土（w＝15%）在低围压常规三轴试验后未出现剪切带,试样内不同部位孔隙分布未呈较大差异性。根据原状和重塑黄土相同应力路径试验后的孔隙分布差异,探讨了试样宏观力学特性的微观机理,研究结果表明胶结作用、基质吸力和粒间孔隙比对试样的强度和变形起主要作用。     

平面应变加、卸荷条件下黄土的非线性变形特性的研究

针对黄土深基坑开挖坑壁土体侧向变形和填土路堤地基加载侧向挤出变形等平面应变问题,利用西安理工大学真三轴仪改变加载机构,模拟平面应变条件下路堤黄土地基竖向加载和黄土基坑侧向卸载,进行了竖向加载和侧向卸载的黄土平面应变试验,研究了平面应变条件下不同含水率原状Q3黄土的加、卸载应力应变关系。揭示了平面应变竖向加载应力路径下原状Q3黄土的大、小主应力差与轴向应变及轴向应变与侧向应变服从双曲线关系;平面应变侧向卸载应力路径下原状Q3黄土的大、小主应力差与侧向应变及侧向应变与轴向应变也服从双曲线关系。依据平面应变条件下三向的切线线弹性关系,建立了切线弹性模量和泊松比随应力应变状态变化的关系,以及非线性本构模型。经平面应变加、卸载应力路径下原状黄土应力应变关系的模型计算与试验结果比较,验证了两种平面应变路径下非线性模型的正确性。     

三轴应力状态下不同湿度原状黄土的结构性定量化参数

通过对黄土结构性研究现状的分析，对与原状样干密度相同的扰动饱和土施加荷载来实现破坏结构性的目的，以三轴试验得到的原状黄土以及扰动饱和黄土的应力-应变曲线为基础，用一个定量化结构性参数综合反映土的排列和胶结特征所表现出的综合结构势（结构性强弱），探讨不同围压及含水量下结构性参数在剪切过程中的变化特性。研究结果表明：（1）定义的结构性参数能够反映围压、含水量对原状黄土剪切过程中结构性的影响，具有很好的合理性、灵敏性和稳定性：（2）结构性参数随着含水量的增大而减小，低应变时含水量对结构性的影响很明显，这种影响随着应变增大而逐渐减弱；（3）初始加荷和试样破坏时，结构性参数随着围压的增大而减小，应变达到15％时，结构性参数随着围压的增大呈先增大后减小的趋势。     

陇东地区非饱和原状黄土的三轴力学特性

为获得陇东地区非饱和原状黄土的变形和强度特性及相关参数,对不同基质吸力及不同净围压下的非饱和原状黄土进行了常含水率三轴剪切试验,研究常含水率下陇东地区非饱和原状黄土的变形特性、临界状态、强度参数及基质吸力变化特性。研究结果表明:不同基质吸力下,偏应力与体应变临界状态线均呈线性关系;p-q平面内的原状黄土强度包线可以归一为一条直线,且可近似用饱和土临界状态线表示;非饱和黄土的抗剪强度受基质吸力的影响,非饱和原状黄土的黏聚力随基质吸力的增大而增大,有效内摩擦角受基质吸力的影响较小,可近似为一常数;并对不同基质吸力下陇东地区非饱和原状黄土的弹性模量进行拟合。     

干湿循环对云南饱和重塑红土固结不排水剪切特性的影响

以云南红土为研究对象,以反复的低温脱湿、浸泡增湿为干湿循环控制条件,考虑干湿循环次数、干密度和围压等影响因素,利用TSZ-2型全自动三轴仪,开展干湿循环作用下饱和重塑红土的固结不排水剪切试验,研究不同影响因素对干湿循环饱和重塑红土三轴剪切特性的影响。试验结果表明:固结不排水条件下,饱和重塑红土的应力-应变关系表现出应变软化的特征,孔压曲线呈S形变化。随着干湿循环次数的增多,饱和重塑红土的峰值应力、峰值应变、峰值孔压均出现减小,固结排水量、残余应力变化量、残余应变变化量均出现增大;随着干密度的增大,峰值应力、残余应力增大,饱和重塑红土的固结排水量、峰值应变、残余应变、峰值孔压减小;随围压的增大,饱和重塑红土的固结排水量、峰值应力、峰值应变、残余应力、残余应变、峰值孔压均出现增大。饱和重塑红土的总应力强度指标和有效应力强度指标随干湿循环次数的增多呈波动减小的变化趋势。反复的干湿循环对饱和重塑红土的微结构产生了损伤,影响了固结过程中的排水情况和试样的密实状态,相应地改变了剪切过程中的受力特性。     

非饱和Q_3原状黄土及其重塑土的持水特性研究

为研究黄土结构性变化对其持水特性的影响规律,以兰州和平镇非饱和Q3原状黄土及其重塑土为研究对象,利用非饱和四联固结仪和压力板仪,对28个环刀试样进行了施加竖向应力和吸力的固结排水试验,以获取原状黄土和重塑黄土的土—水特征曲线。研究结果表明:固结试验中,竖向应力对黄土的持水特性有着明显影响。在同一竖向应力和吸力作用下,重塑土的固结排水要大于原状土;原状黄土的进气值和残余含水率均要略高于重塑土;吸力在20~80k Pa范围内,随着吸力的增大,原状土饱和度的减小趋势要强于重塑土;在吸力80~1000k Pa范围内,在同一吸力条件下,原状土饱和度要大于重塑土。低吸力作用下,原状黄土特殊结构有利于其排水;而高吸力作用下,对于原状黄土,其大孔隙和竖向孔洞中气体抑制水分排出,使得原状土排水减小,重塑土的排水增大。通过分析原状黄土和重塑黄土持水特性的差异,可为黄土结构性的研究提供一种新思路。     

分级加卸载条件下Q3黄土三轴蠕变特性研究

采用分级增量循环加卸载方式,利用SR-6型三联式三轴蠕变仪对陕西省泾阳县某边坡原状黄土进行了三组室内三轴固结排水蠕变试验,着重研究了黄土黏弹塑性的基本规律,以此建立了黏弹塑性九元件蠕变模型。结果表明:该地区原状黄土具有明显的流变特性,总体呈线性衰减蠕变;卸载后,土样产生衰减黏弹性回弹变形,回弹量随着卸荷量的减小,围压的增大,含水率的增大而减小;加卸载应力历史对黄土蠕变变形具有累积效应;该地区原状黄土的回弹变形不明显,黏弹性变形在蠕应变中所占比重较小;所建立的元件蠕变模型可以较好地描述该地区黄土的三轴线性蠕变特性,物理意义明确,且模型参数易得。     

广吸力范围内非饱和原状黄土的力学特性

为了研究广吸力范围内非饱和原状黄土的力学特性,采用轴平移技术和饱和盐溶液蒸汽平衡法控制试样的吸力,对Q3原状黄土进行了一系列控制吸力的常净围压三轴剪切试验,分析了吸力和净围压对原状黄土强度和变形特性的影响。试验结果表明:净围压一定条件下广吸力范围内原状黄土破坏时的偏应力随着吸力的增大而增大;不同吸力条件下原状黄土剪切过程中表现出不同程度的应变硬化或应变软化现象,同时吸力对黄土的剪胀性有明显的影响,且吸力越小或净围压越大,剪胀性越小;原状黄土的强度参数黏聚力随着吸力的增大而明显增大,而内摩擦角在低吸力范围内变化不明显,在高吸力范围内随吸力增大而明显增大。