基于剩余强度退化的膨胀土非线性疲劳损伤模型

通过在室内进行膨胀土的常规直剪和干湿循环试验,探讨了低应力条件下膨胀土的黏聚力随循环次数、循环幅度的变化规律;运用损伤力学的研究方法,基于剩余黏聚力定义损伤变量,据此建立了反映循环次数和循环幅度变化的非线性疲劳损伤模型。研究结果表明:在相同循环幅度和初始控制含水率下,膨胀土的剩余黏聚力随循环次数的增加而衰减;在相同循环次数和初始控制含水率下,膨胀土的剩余黏聚力随循环幅度的增加而衰减;利用室内简单试验建立的非线性疲劳损伤模型可以用来计算干湿循环作用下膨胀土的损伤度。     

干湿循环对粉砂土改良膨胀土裂隙及强度影响

为探究黄泛区粉砂土改良膨胀土路基在干湿循环作用下裂隙发育与强度的影响规律,设计并开展了室内干湿循环试验,分别进行了11%、13%、15%、17%四种不同含水率下改良膨胀土经历不同干湿循环次数的直剪试验,然后采用MATLAB开发的图像处理技术对干湿循环作用后的土样裂隙进行定量分析,探讨改良膨胀土的裂隙率和抗剪强度的关系。结果表明:随着含水率的增大,改良膨胀土的裂隙率、黏聚力和内摩擦角逐渐减小; 当含水率一定时,裂隙的发展随干湿循环次数的增加而增大,改良膨胀土的黏聚力和内摩擦角随着裂隙率的增大而减小; 当含水率为11%时,前两次干湿循环作用导致改良膨胀土的裂隙快速发展,裂隙率曲线较陡,黏聚力下降较快,但是内摩擦角变化不大,改良膨胀土的裂隙率和黏聚力的判定系数达到0.95; 当含水率为17%时,前4次干湿循环作用下改良膨胀土的裂隙虽然发育迟缓但裂隙率增长较快,4次干湿循环之后裂隙率的增长变得不明显,裂隙率曲线较平缓,黏聚力和内摩擦角下降较少,改良膨胀土的裂隙率和黏聚力的相关系数仅为0.70。     

干湿循环效应下花岗岩残积土结构损伤的多尺度研究

为了明晰炎热多雨气候对花岗岩残积土结构的损伤特征，对0～8次的干湿循环过程中的原状样开展三轴固结不排水剪切(CU)、计算机层析识别(CT)、核磁共振(NMR)与扫描电子显微镜(SEM)试验，从宏观–细观–微观尺度分析土体的损伤机制。结果表明：干湿循环损伤效应在宏观上表现为强度的衰减，细观上表现为裂隙的发展，微观上表现为颗粒与孔隙结构的演变；有效黏聚力和有效内摩擦角随着循环次数增加呈指数型的衰减规律，但黏聚力的衰减幅度明显更高；细观裂隙的发展过程可以划分为萌发期(0～1次循环)、发展期(2～5次循环)和稳定期(5～8次循环)；孔隙体积分布曲线呈双峰分布，根据孔径大小将孔隙分为4个类别，随着循环次数增加，微孔的体积占比降低，中孔和大孔的体积占比增加；黏土颗粒在干湿循环过程中逐渐疏松，粒间孔隙不断扩张、贯通，形成连通裂隙；在干湿交替过程中，浸水时亲水性黏土矿物发生膨胀，干燥时微观拉应力增加，同时胶结物质分解流失，3种因素共同驱动细观裂隙的扩展和连通，引起结构的疲劳损伤，最终导致宏观力学性能的衰减。该研究成果可为花岗岩残积土力学特性与环境损伤效应的认识提供有益参考。     

Na_2SO_4盐渍原状黄土冻融过程劣化特性试验研究

选取西安Q_3原状黄土,人工制备不同Na_2SO_4含量的盐渍原状黄土试样。通过冻融作用下的三轴剪切及CT扫描试验,研究了Na_2SO_4盐渍原状黄土冻融过程劣化规律及微细观结构损伤演化机制。结果表明:冻融作用对应力–应变曲线的类型及特征无明显影响,均表现为应变硬化型。破坏偏应力随冻融次数增加逐渐减小,但衰减速率逐渐减小,表现出减速劣化特征;冻融条件下破坏偏应力随着含盐量增加逐渐减小,且表现出线性或加速劣化特征。黏聚力呈现与破坏偏应力相似的劣化特征;内摩擦角变化幅值较小且无明显规律。冻融与盐蚀劣化因子的比值随冻融次数增加逐渐增大但增速逐渐减小,随含盐量增大逐渐减小且衰减速率逐渐减小。CT数ME值呈现与破坏偏应力和黏聚力相似的劣化规律;构建了CT细观损伤变量演化方程,可较好预测试样冻融过程细观结构损伤演化规律。宏细观损伤变量表现出一致的变化规律,表明CT细观结构损伤变量准确揭示了宏观三轴剪切强度指标的劣化机理。     

干湿环境下膨胀土力学性能劣化的多尺度效应

为探索干湿循环作用下膨胀土力学性质与其结构损伤的多尺度效应,首先对重塑膨胀土试样进行0～6次干湿循环并记录开裂过程,而后分别展开三轴强度试验、核磁共振测试及扫描电镜试验,进而研究土体宏观力学行为与微细观结构损伤规律。研究结果表明:(1)干湿作用参与下,土体应力-应变曲线软化显著,抗剪强度劣化,其中黏聚力在前3次干湿循环期间骤减,4次后趋于稳定,内摩擦角变化较小;(2)土体裂隙在干湿循环作用下经历了启裂期、传播期和平衡期,平均裂隙率及平均隙宽均先后经历了增长期和稳定期,且平均隙宽在稳定期末略有收敛;(3)土体微观结构受干湿循环影响显著,孔隙总体积增加,微孔不断粗化、贯通,形成介孔或大孔;土体微观结构破碎、疏松,颗粒和孔隙间界限模糊;颗粒丰度稍有增加,但整体处于平衡互馈状态;颗粒定向频率整体呈各向同性,但局部存在最优取向;粒径分布表现为黏粒稍减、粉粒稍增、砂粒相对稳定。综合分析上述结果,对干湿循环下膨胀土的微细观损伤过程进行描述,从而得到土体力学性能劣化的多尺度机制:湿度交替变化引起土体内亲水性黏土矿物循环胀缩,诱发膨胀势、基质势,反复作用于土体微细观结构,造成疲劳损伤,导致土体黏聚力骤减、抗剪强度损失;加之土体不均匀干缩产生张拉应力并驱动裂隙扩展、贯通,继而造成土体完整度退化、力学性能降低。研究成果为半干旱区膨胀土力学行为及结构损伤演化的认知提供有益参考。     

干湿循环对有无上覆荷载作用镇江下蜀土抗剪强度的影响

针对下蜀土边坡常呈浅层滑动破坏的状况,选取镇江市某边坡的下蜀土为研究对象,通过干湿循环直剪试验,对制备试样时有、无上覆荷载,分别开展不同干湿循环次数下下蜀土抗剪强度劣化规律研究。结果表明:随着干湿循环次数的增加,无荷及有荷下蜀土的剪应力峰值、黏聚力及割线模量都逐渐降低,下蜀土黏聚力的衰减可用分段函数描述,当循环次数小于6时可用直线描述,而后趋近于一稳定值,而内摩擦角则保持相对稳定;法向应力及干湿循环次数相同,制样时有上覆荷载的下蜀土抗剪强度的衰减率明显小于无上覆荷载的衰减率,并且两种情况下的抗剪强度都随干湿循环次数的增加而不断衰减;相同干湿循环次数下,有上覆荷载下蜀土的黏聚力明显大于无上覆荷载的黏聚力,并且随着干湿循环次数的增加,其差距的增长率呈增大趋势。     

干湿循环对玄武岩纤维加筋膨胀土抗剪强度的影响

为了对膨胀土进行改良,将分散玄武岩纤维掺入膨胀土中,研究干湿循环对玄武岩纤维加筋膨胀土的抗剪强度的影响规律。试验选取长12mm玄武岩纤维,以按纤维含量与干土质量比为0.4%掺入膨胀土中。对膨胀土和纤维加筋膨胀土进行0~3次干湿循环试验,然后对试样进行直接剪切试验,研究干湿循环对玄武岩纤维加筋膨胀土抗剪强度的影响。试验结果表明:玄武岩纤维掺入膨胀土能有效提高膨胀土的抗剪强度。膨胀土和纤维加筋膨胀土经过反复干湿循环后,其强度指标持续降低,且在第一次干湿循环之后抗剪强度降低较明显,之后抗剪强度降低幅度变小。相对于内摩擦角,纤维对黏聚力的增强效果要明显得多。同一次干湿循环,纤维加筋膨胀土比素膨胀土强度的降低幅度小。     

干湿循环后膨胀土力学特性的真三轴试验研究

为了研究原状膨胀土经过反复干湿循环稳定后的力学性状,利用非饱和土真三轴仪对经历不同干湿循环后的膨胀土进行了一系列脱湿-吸湿试验、常吸力等向固结试验和常吸力真三轴剪切试验,研究干湿循环对膨胀土土-水曲线、胀缩特性、压缩特性和强度特性的影响。研究结果表明:随着干湿循环次数的增加,脱湿曲线和吸湿曲线形成的滞回圈越来越小,甚至发生了逆向回滞;脱湿速率和吸湿速率随着循环次数的增加而增大。脱湿—吸湿过程中体变性状皆呈明显的屈服特性,验证了膨胀土本构模型中SI和SD屈服包线的存在,脱湿屈服吸力均大于吸湿屈服吸力,且二者皆随着循环次数的增加而减小。在低围压和低吸力条件下,干湿循环对膨胀土的压缩特性影响较大,而在高围压和高吸力条件下影响较小。干湿循环使膨胀土的黏聚力和内摩擦角降低,干湿循环后膨胀土的黏聚力随着吸力和中主应力的增大而增大,内摩擦角随着中主应力的增大而减小。在低吸力范围内(s≤200 kPa),干湿循环后的膨胀土的吸力摩擦角φ_b是一个变量。经历3次干湿循环后膨胀土的强度逐渐趋于稳定,其吸力摩擦角可看作是一个常量,其值随着b值的增大非线性增大。     

结构损伤对膨胀土屈服特性的影响

 利用与CT机配套的非饱和多功能土工三轴仪,对干湿循环不同次数的膨胀土进行控制吸力为常数的各向等压试验,从细观上研究损伤对膨胀土屈服应力的影响。研究表明：屈服应力随着结构损伤的增大而减小;屈服前压缩指数随着结构损伤的增大而增大。根据细观试验数据,分别提出结构参数与屈服应力和宏观变量之间的定量表达式,进而将Barcelona膨胀土模型推广到结构损伤情况。     

石灰改良膨胀土力学性质的干湿循环效应

设计干湿循环作用条件下的石灰改良膨胀土三轴压缩试验,通过试验研究得到石灰改良膨胀土的内摩擦角、粘聚力和初始弹性模量等力学参数和干湿循环作用次数之间的关系。试验结果表明,当干湿循环次数从0增大到16,内摩擦角、粘聚力和初始弹性模量均不断衰减,其中,内摩擦角和粘聚力的衰减幅度分别为6.8%和29.6%,初始弹性模量的衰减幅度为15.4%~21.4%。干湿循环作用显著降低石灰改良膨胀土的粘聚力和弹性模量。干湿循环作用下石灰改良膨胀土的耐久性差。研究成果可为膨胀土改良技术研究提供参考。