结构性黄土湿压屈服损伤特性试验研究

通过侧限压缩试验系统研究了原状黄土在湿压条件下的结构屈服特性及结构损伤演化过程。针对利用饱和重塑土模拟正常固结土性质的不足,介绍一种制备正常固结土的方法。结合原状黄土及正常固结黄土压缩曲线提出一种确定原状黄土结构屈服压力的新方法,该方法具有作图简便、精度较高等特点;并指出原状黄土结构屈服压力随着含水量的增大而降低,其与含水量的关系可以近似用幂函数进行拟合。同时确定出原状黄土结构屈服临界点,并指出原状黄土结构稳态线(SSL)的相对位置。最后,根据原状黄土压缩曲线、结构稳态压缩线(SSL)及正常固结线(NCL)的相对位置,结合损伤力学思想,提出原状黄土结构变形损伤比的表达式,为评价黄土地基的湿陷变形量提供一条较为可行的途径。     

黄土结构屈服损伤与其土水特征的关系

通过非饱和土固结仪对原状黄土进行土水特征、压缩变形特性的试验研究,系统分析了原状黄土结构屈服损伤特性与其土水特征之间的关系。试验结果表明,原状黄土基质吸力随着竖向净压力的增大呈先增大后减小的变化趋势。定义基质吸力临界压力,发现基质吸力临界压力随着含水量的增大而减小。通过原状黄土及相应的饱和正常固结黄土的压缩曲线特征提出一种确定原状黄土结构屈服压力的新方法,该方法具有受压缩曲线形状影响较小、精度较高且作图简便等特点。统计得到原状黄土基质吸力临界压力与其结构屈服压力近似相等,进一步分析原状黄土结构屈服损伤破坏机理。     

黄土的结构屈服及湿陷变形的分析

黄土是一种典型的结构性土,其湿陷性是浸水后黄土结构破坏的反应。黄土的结构性可用构度指标定量地描述,它既包含了土的物质组成,还包含了不同沉积年代黄土的结构特征。加载和浸水均可引起黄土结构性衰减,加载结构性衰减可由一定含水率黄土的压缩结构屈服应力和压缩变形曲线表征;浸水结构性衰减可由浸水的压缩结构屈服应力减小和压缩变形曲线的变化表征。针对不同场地、不同沉积年代的Q_3黄土和Q_2黄土,依据不同含水率黄土的压缩曲线,分析了不同黄土构度指标与其压缩结构屈服应力之间的关系,以及黄土压缩变形过程中孔隙比和初始孔隙比比值与压缩应力和压缩结构屈服应力比值对数之间的关系。表明不同沉积年代黄土的构度随其反映基本物性的综合物理特征量单调变化,压缩结构屈服应力与构度之间近似呈线性关系,压缩结构屈服前后的孔隙比比值和压缩应力比值对数之间服从近似一致的变化规律。建立了由黄土沉积年代和基本物性指标确定构度,进而确定压缩结构屈服应力;依据孔隙比比值与压缩应力比比值对数的关系,分别描述天然含水率黄土和浸水饱和黄土的压缩曲线;进而,确定饱和自重作用下黄土的自重湿陷系数,计算场地自重湿陷变形的评价方法。该方法应用于西安地区黄土场地自重湿陷评价,得到了与现场浸水试坑试验实测自重湿陷量比较一致的结果,论证了考虑黄土结构性的湿陷性评价方法的合理性和准确性,为建筑黄土地基湿陷变形和大厚度湿陷性黄土地下结构地基湿陷变形评价提供了一种新途径。     

构度指标与黄土力学特性指标的关系研究

西北地区基础设施建设涉及地基、边坡、洞室、支护及环境等岩土工程,由于黄土对水敏感性、特有结构性及结构强度,常因黄土的结构性损伤及结构强度遇水衰减而产生许多岩土工程问题,如:“基础不均匀沉降、边坡滑坡、洞室工程塌方、支护位移变形、围岩稳定性及岩土生态环境问题”,这些岩土工程问题都与黄土的力学性质有关,且黄土的力学特性起主要作用。构度指标反映了土的初始结构性,是个基本物性指标,本文主要研究构度指标对黄土力学特性指标的影响。研究表明:构度指标随压缩系数增大而减小,随压缩模量增大而增大,随湿陷系数增大而增大;在处理黄土工程问题、分析黄土力学特性等方面,构度指标具有很好的实用性、合理性。     

湿载耦合作用下黄土结构性损伤演化及本构关系

 针对增湿、加荷作用下黄土结构性损伤演化的变形问题,通过压缩变形特性和三轴剪切变形特性,分析黄土结构性损伤的宏观力学反映。分析结果表明,土的含水量增加、固结压力增大和剪切作用均会引起黄土的结构性损伤。随着含水量的增大,压缩作用损伤和剪切作用损伤更加突出;固结压力较大时,压剪作用对土原生结构破损更突出,其次生结构和剪缩性增强。将结构性损伤土视为原状结构体和完全损伤体的复合体,综合应用应力比损伤方程和应变损伤方程,在比较原状土与饱和重塑土应力比建立结构性参数的基础上,建立黄土的结构性损伤演化方程;在原状结构体服从弹性定律、完全损伤体服从修正剑桥模型的基础上,从结构性损伤土变形为原状结构体弹性变形和完全损伤体弹塑性变形叠加出发,建立结构性土的损伤弹塑性本构方程。同时,比较分析不同湿度黄土试验测试的应力–应变曲线和损伤弹塑性本构方程描述的理论曲线,两者比较一致,验证了该本构关系的合理性。     

加荷增湿作用下Q3粘黄土的结构损伤特性

基于三轴加荷与增湿作用下原状Q3粘黄土的变形特性,从增湿、等向压缩及增湿、剪切变形引起黄土结构产生损伤演化发展出发,寻求得到了通过应力应变曲线初始切线模量变化反映湿压原状结构损伤和次生结构增长,以及剪切变形过程不同应力应变状态对应的等结构性应力应变理想双曲线变化反映湿剪结构损伤和次生结构增长,揭示加荷与增湿作用下原状黄土结构性变化发展全过程的途径。提出了一个能全面反映湿陷性粘黄土在湿度和应力变化条件下原生结构的损伤演化规律的结构性损伤比,并建立了结构性黄土应力应变方程。     

基于扰动状态概念的陇东Q_3结构性黄土本构模型试验研究

陇东Q_3黄土具有显著的结构特征,深入研究其力学变形特征,进而提出合适的本构模型对于理论研究及实际工程建设均具有重要意义。基于扰动状态概念,提出陇东Q_3结构性黄土的本构模型,通过三轴剪切试验,结合原状黄土及对应的饱和正常固结黄土应力–应变曲线和体变曲线,分别提出反映球应力扰动及剪应力扰动的体应变扰动因子D_p和剪应变扰动因子D_q,以根据相关测试结果建立扰动状态函数表达式,函数表达式中的参数可以通过三轴等向压缩试验及三轴剪切试验求得。通过相关验算证明,模型可较理想地模拟黄土在受荷扰动条件下的变形特性。     

原状黄土的非线性弹性损伤本构模型

随着黄土地区工程的逐渐增多,对黄土力学本构关系的研究十分必要.通过原状黄土的三轴压缩变形试验,研究应力-应变和应变-体变曲线的变化特征,初步分析原状黄土的损伤机制,在此基础上建立了能描述原状黄土变形特性的本构关系,并通过试验验证了其合理性.     

原状黄土的非线性弹性损伤本构模型

随着黄土地区工程的逐渐增多,对黄土力学本构关系的研究十分必要.通过原状黄土的三轴压缩变形试验,研究应力-应变和应变-体变曲线的变化特征,初步分析原状黄土的损伤机制,在此基础上建立了能描述原状黄土变形特性的本构关系,并通过试验验证了其合理性.     

等向应力下原状黄土的压缩及增湿变形特性研究

 用非饱和土三轴剪切渗透仪,在等向应力条件下对原状黄土进行增湿–加载,加载–增湿及加载–增湿–加载3个系列加载增湿路径试验,分析吸力对压缩变形和加载屈服特性的影响,探讨增湿时应力对变形及屈服特性的影响,通过对单线法及双线法的试验结果对比,确认原状黄土的增湿体积变形与加载增湿路径有关,加载及增湿屈服线不具有唯一性,进而提出等向应力条件下原状黄土的弹塑性体变模型。研究结果表明：吸力及应力分别对屈服前压缩及增湿变形特性指标几乎没有影响,而对屈服后的指标皆有明显的影响;单线法与双线法确定的增湿体积变形皆随应力的增大而先增大后减小,峰值点处应力与吸力丧失程度及加载增湿路径无关,且近似等于天然状态土样的初始屈服应力;增湿变形与加载增湿路径有关,单线法的值比双线法确定的值小,差值随增湿程度增大而减小,增湿至饱和时2种方法确定的湿陷变形近似相等。对于相同的塑性体应变,吸力减小屈服线位于加载屈服线之下方,二者随塑性体应变的增大而耦合联动扩大。提出的弹塑性体变模型可以较好地预测不同吸力下的压缩变形,比采用唯一加载湿陷屈服线的模型更好地预测不同应力下增湿变形。     

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。     

结构性对压实黄土侧限压缩特性的影响

对一定试验含水率及干密度下具有不同结构性(排列)的压实黄土试样进行侧限压缩试验,分析制样含水率引起的结构性变化对不同试验含水率压实黄土侧限压缩特性的影响,探讨压缩性指标与初始结构性参数之间的关系。以饱和压实黄土的压缩曲线为基础,通过引入反映结构性影响的初始结构性参数,提出压实黄土压缩曲线的表达式,根据此表达式可以确定湿载耦合时压实黄土的压缩变形。研究结果表明:制样含水率引起的结构性变化对压实黄土的侧限压缩特性有一定的影响,影响程度随试验含水率增大而减小,对饱和压实黄土压缩特性几乎没有影响;压实土的初始结构性随制样含水率的增大或试验含水率的减小而增强,弹性指数基本上不受结构性的影响,结构屈服压力及压缩指数皆随初始结构性参数增大而增大。在不同的试验含水率及制样含水率下,压缩指数及结构屈服压力与初始结构性参数之间皆有良好的归一化非线性关系,且可用以饱和压实黄土的压缩性指标为参照状态的双曲线来描述。     

结构性黄土的本构模型

天然沉积黄土具有结构性，因为其在结构破坏前后表现出非常不同的力学特性。为了真实地反映黄土的结构性、湿陷变形特性，在室内试验的基础上，应用充分扰动饱和粘土的稳定孔隙比和稳定状态原理，根据不可逆变形由团块之向滑移和团块破碎机理所引起的概念及土体损伤演化定律，建立了非饱和黄土的屈服函数和损伤函数，得到了非饱和原状结构性黄土的结构性数学模型。该模型能够模拟加载及其他力学特性，且物理意义明确，数值计算结果与试验结果吻合很好。     

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。     

结构性黄土压缩屈服特性及湿压模型

湿陷性黄土具有很强的结构性,在增湿及侧限压缩应力作用下,其变形特性表现出与一般黏性土不同的特性。针对这一问题,通过对3种不同初始结构性黄土的侧限压缩试验,对黄土在增湿及压缩应力条件下黄土的宏观力学特性及其结构变化特征进行研究。研究结果表明:1)在增湿及侧限压缩应力作用下,黄土的e-lgp曲线分成三段,即平缓状态段、非线性段和线性段;2)原状黄土的压缩曲线与重塑土压缩曲线的变化给出了同一压力下黄土架空排列结构破损后孔隙比的可能变化量;3)原状黄土与饱和黄土压缩曲线的差别揭示了同一压力下黄土颗粒间胶结丧失后结构性黄土孔隙比的可能变化量;4)结构屈服应力与初始含水率之间满足幂函数关系,压缩指数与初始含水率之间呈指数函数关系。     

黄土的构度及其与粒度、密度、湿度之间的关系

土的粒度、密度、湿度和构度是其固有的物质组成和状态特性指标,用来描述土的力学性质及其变化规律。土的构度是其结构性的定量描述指标,它不仅与土物质组成和存在状态的粒度、密度和湿度有关,而且与土骨架结构中土粒空间排列的组构和粒间联结特征有本质的联系。土骨架结构的土粒排列和粒间联结具有抵抗外荷作用的可稳性和遭受破坏的可变性,从比较黄土结构的可稳性和可变性出发,建立的构度指标实质上包括了原状黄土与其饱和条件下抗压强度比较确定的浸水灵敏度及原状黄土与重塑黄土抗压强度比较确定的扰动灵敏度。揭示黄土具有浸水灵敏度随含水率增大呈显著衰减的变化规律和不同含水率黄土的扰动灵敏度基本保持不变的特征。通过黄土构度随含水率和塑限差值的变化规律,构度随塑限、液限的变化规律,以及构度随液性指数的变化规律分析,揭示了构度与粒度、密度、湿度的之间的本质联系。通过黄土构度与液性指数、干密度和孔隙比表征的综合物理特征量之间的关系分析,揭示了干密度相近条件下黄土构度随综合物理特征量的单调变化规律。论证了黄土构度指标的可靠性与合理性。     

原状Q2黄土三轴剪切特性

探讨陕西蒲城电厂原状Q2黄土的变形、强度和屈服特性,并研究吸力对非饱和原状Q2黄土性质的影响.共进行2种12个原状Q2黄土试样的三轴剪切试验,即控制吸力和净围压为常数的非饱和土三轴排水剪切试验与控制初始含水量和围压为常数的三轴剪切试验.研究结果表明,非饱和原状Q2黄土控制吸力为100,300,450 kPa的试验试样呈塑性破坏,而控制初始含水量为4.78%和7.64%的试验试样则呈脆性破坏.原状Q2黄土随着吸力降低(或含水量增大)和固结围压的增大,应力-应变曲线由软化型逐渐向理想塑性及硬化型发展.在试验给出的吸力范围(100～450 kPa)内,非饱和原状Q2黄土的黏聚力随吸力线性增加,而内摩擦角随吸力的变化很小,基本上可以认为是一常数.建议一种确定原状Q2黄土三轴剪切条件下屈服应力的方法,得到的屈服净平均应力和屈服偏应力随吸力增大而增大;同一吸力或含水量下屈服偏应力和屈服净平均应力则呈线性关系.     

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。     

常含水率三轴条件下非饱和原状黄土的吸力和力学特性

为了模拟实际工程在不排水条件下土体的快速破坏,对不同初始吸力非饱和原状黄土进行了常含水率等向压缩和三轴剪切试验,研究了常含水率下非饱和原状黄土的变形特性、临界状态、屈服及吸力变化特性。研究结果表明: 在等向压缩和三轴剪切应力条件下,非饱和黄土的变形和吸力变化特性不同;不同初始吸力下,偏应力与净平均应力临界状态线为平行直线,偏应力与有效平均应力临界状态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,半对数坐标系上孔隙比与净平均应力及有效平均应力临界状态线皆近似为平行直线,直线斜率比饱和土的大,比屈服后等向压缩曲线的小;对于不同初始吸力,相同有效平均应力下非饱和原状黄土与饱和黄土的临界状态孔隙比之比与气体饱和度关系可以归一;屈服净平均应力及屈服偏应力皆随着初始吸力的增大而增大;q-p平面上初始及后继屈服曲线为对称于K₀线的椭圆,吸力及应力硬化对屈服曲线的影响是等向的。     

湿陷性黄土隧道的工程性质分析

黄土隧道往往具有特殊的湿陷性黄土围岩和干旱半干旱气候地区特殊的地形地貌及地质环境,对隧道结构构成了潜在的不利影响。在对湿陷性黄土隧道修建和运行中工程特性认识的基础上,首先,根据地形地貌、地层结构、侵蚀发育、地下水条件和黄土浸水水源,进行了隧道的岩土环境等级和浸水等级划分,以及湿陷性黄土隧道的环境等级划分。其次,给出了隧道黄土地基湿陷变形量的计算分析方法,依据黄土地基湿陷变形不均匀沉降对衬砌结构的作用影响,以及列车运行对路基沉降变形的控制标准和建筑地基湿陷变形对结构的作用影响,确定了隧道湿陷性黄土地基等级的划分标准。最后,考虑到现行《湿陷性黄土地区建筑规范》适用的局限性,结合湿陷性黄土隧道的工程特点,针对隧道施工过程中围岩稳定性和湿陷变形对衬砌结构影响的两个重要问题,相应的提出了隧道地基湿陷性变形的评价方法和围岩压力的确定方法;由竖向压缩应力系数确定湿陷压缩应力,结合试验得出的湿陷系数计算隧道下地基土在实际压缩应力条件下的湿陷变形量。在考虑黄土结构性的条件下,利用太沙基公式计算隧道围岩压力,得到了围岩压力随黄土构度的变化关系。