结构性黏土压缩和剪切特性试验研究

天然黏土一般都具有结构性,其变形过程必然伴随着结构的破坏。为了了解结构性黏土的力学行为,本文采用人工制备结构性黏土的方法,进行了一系列试验,研究了结构性黏土和重塑土不同速率下的压缩和剪切特性。     

陇东Q3黄土结构破损演化特性试验研究

陇东黄土具有显著的结构力学特征和遇水敏感特性,深入研究陇东Q_3黄土的力学变形特征对于理论研究及实际工程建设具有重要意义。利用室内侧限压缩试验系统研究了陇东Q_3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。结合原状黄土及相应的饱和无结构性黄土的压缩曲线特征,介绍了一种确定原状黄土结构屈服压力的方法,并与Casagrande法及Jose法确定的结构屈服压力进行对比,证明了方法的合理性。分析黄土结构屈服压力与黄土构度指标之间的关系,表明黄土结构屈服压力随着黄土构度指标的增大而增大。根据试验曲线确定出原状黄土的结构屈服临界点,结合岩土损伤力学思想提出了原状黄土结构变形损伤比的具体表达式,进一步推导出一维湿压条件下原状黄土结构损伤演化模型。     

Q_3原状非饱和黄土的水量变化和临界状态特性

用双室非饱和土三轴仪,对Q3原状黄土进行一系列控制吸力的各向均等压缩及同时控制吸力和净围压的三轴排水剪切试验,分析了吸力,净围压及应力路径对非饱和原状黄土临界状态及水量变化特性的影响,提出了各向均等压缩及三轴剪切应力条件下水土体积比与净平均应力关系的表达式、偏应力与净平均应力临界状态关系模式。研究结果表明:应力路径对非饱和原状黄土水量变化的影响显著,随着净平均应力增大,等向压缩应力条件下处于排水状态,剪切应力条件下视吸力及净围压的大小可能处于吸水或排水状态,不同试验条件下水土体积比与净平均应力或其增量之间对数关系呈二段直线。吸力对偏应力与净平均应力临界状态线的影响皆随着净围压增大而减小,不同吸力(大于0)下水土体积比与净平均应力的对数关系临界状态线皆近似为平行直线。     

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。     

湿陷性黄土结构损伤演化特性

基于Q3黄土三轴剪切试验确定了应力-应变曲线的初始切线模量，结果表明，初始切线模量随同结围压的增大而减小，随含水量的升高而降低。围压作用下湿陷性黄土的结构损伤性较压硬性更加突出。基于初始切线模量定义的损伤比，能够反映球应力增大和进水增湿作用引起的结构破损变化。根据损伤比建立的应力，应变关系能够考虑加载及浸水耦合作用，为评价湿陷性黄土地基的可能湿陷变形量提供了一条有效途径。     

真三轴条件下Q_3黄土的屈服特性研究

针对非饱和黄土的湿、载屈服特性,利用非饱和土真三轴仪,对不同初始吸力非饱和原状黄土进行常含水率等向固结和不同中主应力参数b值的剪切试验,研究非饱和原状黄土在p-s平面上的屈服曲线和p-q平面上的剪切屈服曲线,建立p-s平面上吸力增加屈服线和加载增湿屈服线的统一表达式;探讨非饱和黄土在不同b值条件下的屈服特性。研究结果表明:屈服吸力是一常数,与土的密度和结构性状相关;吸力增加屈服线和加载增湿屈服线统一描述为抛物线;p-q平面上的剪切屈服线呈曲线,在三维净主应力空间呈屈服曲锥面;随着b值增大,净主应力空间屈服面与k_0圆锥面相交;随着基质吸力减小和b值增大,k_0条件非饱和土可能产生屈服。对分析工程问题具有重要意义。     

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。     

结构性软土压缩特性研究

针对结构性软土的压缩性 ,通过对温州软土的原状土和重塑土在不同加压率下的固结试验 ,分析原状土和重塑土不同的压缩性状以及加压率对土体压缩性状的影响。在此基础上对已有的原位压缩曲线确定方法进行探讨 ,并结合对世界各地土样的试验室压缩曲线的分析 ,提出新的折线形原位压缩曲线确定方法。     

三轴剪切下黄土结构特性试验研究

为了研究原状黄土结构性,在控制吸力的条件下以黄土三轴剪切试验为基础,研究了原状与重塑黄土的应力—应变曲线和结构强度qs的变化规律。试验结果表明:重塑黄土与控制吸力为50kPa的原状黄土呈塑性破坏,而吸力为100kPa、200kPa的原状黄土试样则呈脆性破坏;三轴剪切条件下,黄土结构强度发挥曲线分为三个阶段,当轴向应变ε1为2%左右时,瞬时结构强度τε达到峰值,即为原状黄土结构强度qs。含水量w是影响黄土结构性的主要因素,吸力s是非饱和土中重要的应力变量,利用数学函数拟合,分别建立了黄土结构强度qs与含水量w、黄土结构强度qs与吸力s的数值关系。     

含水率对泾阳Q_2黄土剪切及蠕变影响研究

黄土含水量变化引起的抗剪强度及黄土蠕变与黄土边坡稳定性密切相关。通过室内直剪及蠕变试验,研究了含水率、干密度及法向压力等对非饱和Q_2黄土的剪切强度及长期强度的影响。结果表明:对比不同干密度下含水率为10%和18%的黄土,发现后者抗剪强度较前者弱化均在20%以上;含水率的增大对黏聚力也产生了弱化效应,且随干密度有增大弱化更严重的趋势;黄土蠕变阶段表现出典型的初始衰减蠕变、稳态蠕变及加速蠕变阶段;含水率的降低,干密度的增大都将使蠕变阶段变形降低;通过拟合,发现泾阳Q_2黄土的蠕变符合对数函数曲线变化规律。     

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。     

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。     

黄土剪切蠕变特性试验研究

 通过对陕西杨凌地区Q3黄土的直接剪切蠕变试验,研究原状、重塑和饱和黄土的蠕变特性。结果表明：原状、重塑和饱和黄土均具有蠕变特性;相同试验条件下,饱和黄土的蠕变速率最快,蠕变变形量最大,重塑黄土次之,原状黄土蠕变现象较不明显。根据蠕变曲线形态特征,建议一种对数型蠕变模型;选用分数线性蠕变模型模拟杨凌地区Q3黄土的剪切蠕变特性,经验证,该模型能很好地描述杨凌地区Q3黄土的剪切蠕变特性。另外,基于试验数据,拟合出剪切模量和法向应力、时间的关系,为确定剪切模量提供一条新途径。     

结构性黄土的变形特性

针对结构性黄土研究中的不足和存在的问题，以原状结构性黄土样和人工制备结构性黄土样2种试样的室内侧限压缩试验、等含水量三轴剪切试验和浸水变形试验以及等吸力三轴剪切试验为基础，研究了结构性黄土的湿陷及变形特性。结果表明，结构性黄土存在一个与广义应力路径无关的湿陷面，结构性黄土的变形与结构强度的破坏有直接的关系。     

非饱和黄土剪切特性的试验研究

对渭南地区回填黄土进行不同含水率重塑后直剪试验,得到其抗剪强度以及强度参数。结果表明,相同围压下抗剪强度随含水量的增大而减小,粘聚力随含水量呈先增大后减小的趋势,内摩擦角随含水量线性减小。天然含水率下直剪试验的剪切速率对重塑土的强度参数有一定影响。     

等向应力条件下原状Q_3黄土的渗气特性研究

用改装的三轴渗气仪,在不同等向应力条件下对不同含水率的原状Q_3黄土进行渗气试验,分析了含水率、体积含气率及应力对渗气系数的影响,提出了直接及间接地反映含水率与应力变化对渗气系数影响的3种类型渗气函数。研究结果表明:应力对渗气系数与含水率及体积含气率关系皆有明显的影响,增湿时含水率及体积含气率对渗气系数的影响比减湿时稍大;应力变化(含水率不变)和含水率变化(应力不变)时渗气系数与体积含气率的关系不同。不同应力条件下相对渗气系数与相对体积含气率关系,渗气系数与修正体积含气率关系皆可分别用唯一的幂函数描述;不同含水率下渗气系数与规格化应力关系皆可用指数函数描述,且仅一个参数随含水率而变化。用3种类型的渗气函数皆可较好预测含水率及应力变化时的渗气系数,而其中无需引入力水耦合作用引起孔隙比变化的指数型渗气函数更便于工程应用。     

原状Q_3黄土湿陷特性的CT-三轴试验

利用应力控制式CT-三轴仪及CT-湿陷性三轴仪,在控制吸力的条件下,试验研究原状Q3黄土的浸水湿陷特性。做了2组共15个三轴试验,包括均压浸水试验和以双线法进行的侧向卸荷浸水试验,试验中利用CT机进行无损断面扫描,并用得到的CT数定量分析原状Q3黄土的结构性对湿陷的影响。结果表明:对于双线法湿陷试验,同一吸力和偏应力下,固结净围压大的试样湿陷变形大于固结净围压较小的试样湿陷变形,包括体应变、轴应变及偏应变量;均压浸水湿陷试验时,在试样饱和前,随着浸水量的增加CT数与浸水量之间基本呈线性关系;当试样趋于饱和时,CT数增大减缓;均压浸水湿陷试验中,在同一吸力下,固结净围压大的湿陷体应变较大,结构演化变量值也越大。     

非饱和结构性黄土的强度特性试验研究

黄土既有非饱和性,又有结构性。首先在控制基质吸力的条件下进行了原状黄土与重塑黄土的非饱和直接剪切试验,分析了两种结构性状非饱和土的基质吸力对净应力强度指标、Fredlund抗剪强度公式中参数b、以及Bishop抗剪强度公式中参数的影响。表明两种土的黏聚力随基质吸力的增大而增大,b和均随基质吸力的增大而减小;在相同基质吸力条件下,原状黄土的黏聚力、b和均大于重塑黄土。其次,通过无侧限抗压试验,测试了不同含水率原状黄土、重塑黄土和饱和黄土的单轴抗压强度,得到了不同含水率下原状黄土和重塑黄土的构度值。最后,探讨了非饱和黄土的构度与基质吸力、净应力强度指标、参数b和之间的关系。得到非饱和黄土的b和值随构度分别有单调的变化规律;相同构度值条件下,原状黄土的b和值均大于重塑黄土的值,反映了两种非饱和土结构性状的差异。     

剪切速率对结构性黄土力学性状的影响

天然原状黄土一般都具有结构性，其变形过程必然伴随着结构的破坏。而工程中由于施工速度的不同，黄土的强度特性也不完全相同。因此，为了全面认识结构性黄土的力学特性，以天然结构性黄土为研究对象，并考虑剪切速率的影响是十分必要的。通过结构性黄土三轴试验研究，发现结构性黄土具有独特的剪应变速率力学效应，“应变速率软化”现象同样存在于结构性黄土中；其CU剪切强度和凝聚力C随剪应变率的增大而呈现先增大后减小的特征，存在，临界速率现象，而内摩擦角随剪切速率的增大基本上呈线性减小的趋势。     

剪切速率对结构性黄土力学性状的影响

天然原状黄土一般都具有结构性,其变形过程必然伴随着结构的破坏.而工程中由于施工速度的不同,黄土的强度特性也不完全相同.因此,为了全面认识结构性黄土的力学特性,以天然结构性黄土为研究对象,并考虑剪切速率的影响是十分必要的.通过结构性黄土三轴试验研究,发现结构性黄土具有独特的剪应变速率力学效应,"应变速率软化"现象同样存在于结构性黄土中;其CU剪切强度和凝聚力c随剪应变率的增大而呈现先增大后减小的特征,存在临界速率现象,而内摩擦角随剪切速率的增大基本上呈线性减小的趋势.