黄土的三轴试验研究

通过不同含水量的原状黄土与重塑黄土的三轴试验,研究了黄土的吸力、变形和强度特性.通过对吸力的直接测量,得到了剪切过程中吸力随应变增加有所增加,原状黄土与重塑黄土的吸力大小及其变化特性基本一致的结论;等向固结过程中原状黄土与重塑黄土的体变差异小于原状黄土与饱和原状黄土的体变差异;黄土的强度指标中,粘聚力受含水量和扰动的影响较大,而内摩擦角则相对稳定;在扰动和湿度两个因素中,黄土结构性变化主要受含水量影响.     

复杂应力条件下土的结构性本构关系

结合陕西杨凌非饱和黄土不同条件下的三轴试验资料，将作者提出的一种新的土结构性定量化参数（应变型综合结构势）引入土的强度变形特性分析，发现在同一围压下土结构性参数对不同影响因素下的应力应变曲线均具有较好的归一化作用。基于归一化曲线所表现出的双曲线特征，用类似邓肯一张模型的处理手法构造了非饱和黄土的结构性本构关系，本构模型的参数均可由试验确定。由于本文提出的土结构性本构关系引入了能够反映复杂应力状态的土结构性参数并且与邓肯一张模型形式相同，因而具有应用范围广泛和便于程序分析的潜力。试验验证表明，结构性本构关系可以较好地反映非饱和黄土的强度变形关系。     

甘肃黑方台黄土水分运动参数试验研究

灌溉渗透诱发型黄土崩滑灾害在黄土高原具有普遍性,其中以黑方台灌区最具典型性和代表性.从非饱和土力学角度看,黄土在灌溉后更易发生蠕变变形和破坏.黄土含水量这个土壤水分运动参数将对黄土自身的变形和破坏产生一定的影响,进而造成黄土崩滑灾害的可能.选取甘肃省临夏回族自治州永靖县盐锅峡镇黑方台原状黄土与扰动黄土作为试验介质,采用Ku-p F非饱和导水率测定系统测定其土壤水分特征曲线,并运用MATLAB软件拟合实测数据.结果表明:原状黄土中的大孔隙对土壤水分特征曲线具有显著的影响;原状黄土被扰动重塑后,失水率变大,持水性能变强;原状黄土特殊的结构性将随着水体的侵入而逐渐丧失;张力计法只适合测定低负压范围的水分特征曲线;采用Van方程参数拟合方法拟合渗透系数存在较大误差.     

结构性对黄土压缩回弹性能影响的试验研究

根据黄土的大孔隙、高强度及欠压密等特性,对不同含水量的原状土与重塑土进行了一系列侧限压缩试验,包括压缩试验、压缩再回弹试验和压缩回弹再压缩试验,并对天然含水量下原状土进行4种不同荷载下的回弹再压缩试验.在试验的基础上详细分析了结构性对黄土的压缩和回弹性能的影响,尤其是对原状土在结构屈服前后的力学性能变化的影响,得出黄土的结构性对其压缩回弹性能的影响显著,特别是在结构屈服压力前后,原状土的回弹能力差别较大.研究成果为提出一种结构性黄土先期固结压力的推求方法奠定了基础.     

石家庄区域非饱和土不同抗剪强度试验指标对比分析

基于非饱和土理论,通过非饱和土直剪试验、三轴UU、CU和CD试验得出非饱和土的强度指标,对比分析了不同试验条件下石家庄地区非饱和土抗剪强度指标及其在不同基质吸力条件下的变化规律.试验结果表明:石家庄地区抽气饱和后原状土UU试验测得的黏聚力大于直剪快剪试验结果,内摩擦角相差不大;原状非饱和土样UU试验的黏聚力约为抽气饱和后土样黏聚力的2倍,说明该区域非饱和原状土中存在的基质吸力对土样黏聚力的提高贡献较大;土的有效内摩擦角φ′基本不受基质吸力的影响,但随着基质吸力的增加,与基质吸力相关的内摩擦角φb呈非线性增长;试验土体总黏聚力c1′随着基质吸力的增大而呈线性增大.对比结果说明石家庄地区采用抽气饱和后原状土体的UU试验强度指标进行工程设计,在安全性和经济性方面均有一定的优势.如果采用非饱和原状土UU试验强度指标,则需要考虑工程实际中基质吸力受场地及气候等因素的影响.     

黄土增湿特性的结构性定量化参数

依据土的结构性观点,提出了一个能够反映黄土增湿特性的结构性定量化参数—结构性增湿系数。并利用侧限压缩试验对甘肃省兰州市、陕西省杨凌区2个采样地黄土进行不同含水率和不同压力条件下黄土增湿特性的研究。结果表明:压力和含水率对黄土的结构性参数具有显著影响;相同压力条件下,含水率越大,结构性增湿系数越大,且二者之间呈现非线性的关系;相同含水率条件下,黄土的结构性增湿系数总趋势上随压力的增大而增大;结构性增湿系数在受水和荷载作用下变化规律明显,能够较好地反映黄土的结构特性与增湿变形特性。     

考虑非饱和黄土基质吸力影响的隧道病害分析

为深入分析非饱和黄土基质吸力变化与隧道病害之间的内在联系,结合大有山隧道的工程实例,利用非饱和黄土数学模型分析、等围压变吸力剪切试验、现场监测等手段对非饱和黄土基质吸力的变化规律及其对隧道支护力、塑性区的影响进行研究.结果表明:非饱和黄土基质吸力随着含水量的增加而减小时,隧道内部所需支护力则随之增大,塑性区半径也随之增大;由于受地表水下渗影响,大有山隧道周围土体基质吸力减小,导致其发生拱顶下沉、塌方及衬砌开裂等病害;大有山隧道病害治理的首要任务在于保持隧道排水系统的顺畅,并做好地表水的堵、截及隧道洞身的防水.     

非饱和原状土本构模型研究

提出了反映外力和浸润2个扰动因素影响的耦合扰动变量的概念.根据复合材料均匀化理论的思想建立了适用于非饱和结构性土的本构模型,该模型中考虑了水的滞后性与土体变形的耦合作用及饱和度变化对结构性劣化的影响,同时给出了耦合扰动变量的演化方程.将本文模型的预测结果与已有的实验结果进行了对比,本文模型能较好地反映非饱和原状土结构性对土体力学性能的影响,即软化现象.     

陕西泾阳南塬黄土滑坡滑带土残余剪切强度特性

为探求陕西泾阳南塬高速远程黄土滑坡的复活机理,从大型黄土滑坡滑带采集原状黄土试样、古土壤试样(原状土),部分制备重塑试样(重塑土),进行不同体积含水率下的反复剪切试验,从而获得滑带土残余剪切强度指标与体积含水率、黏粒含量之间的关系。结果表明:原状土和重塑土的剪应力-位移曲线均为硬化型; 在不同的垂直压力下,原状土和重塑土的残余剪切强度差值变化较大; 当剪切强度达到峰值强度以后,随着剪切位移的继续增大,原状土和重塑土的残余剪切强度都有一定程度的损失,这种损失因垂直压力的不同而不同; 对同类土,通过反复剪切试验获得的内聚力和内摩擦角随体积含水率的增加而降低; 相关性分析表明,该区滑带土的黏粒含量较低,对残余剪切强度的内摩擦角影响很小,尤其是当天然体积含水率较低时,体积含水率的变化对残余剪切强度的影响远远大于黏粒含量的影响。     

南水北调中线工程禹州段膨胀土的非饱和性质研究

基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响不可忽视,而膨胀土就是一种典型的非饱和土,因此研究基质吸力对膨胀土抗剪强度的影响,对工程实践具有重要的意义.采用GDS非饱和三轴试验系统对南水北调中线工程禹州段膨胀土进行非饱和试验.研究表明:膨胀土的总黏聚力随着基质吸力的增大而增大,且增幅十分明显;基质吸力对有效内摩擦角几乎没有影响;抗剪强度不仅取决于所承受的围压,而且还与基质吸力大小密切相关,且随围压和基质吸力的增大而增强.     

反映土结构性的扩展剑桥模型

在等向压缩中,结构性土与重塑土的压缩线在屈服点前斜率相当,而在屈服点后结构性土压缩线较重塑土压缩线的斜率绝对值更大.在剪切中,结构垮塌使结构性土较重塑土发生更大的体积收缩.基于此本文对反映重塑土的剑桥模型进行2点扩展,以使其可描述结构性土的变形特性:1)将结构性土在屈服点前视为弹性,而在屈服点后以结构性土等向压缩线(NCL)确定其压缩指数.2)引入一个新参数来调整NCL与临界状态线(CSL)之间的距离以反映受结构性影响的体积变形规律.通过模型预测与结构性土试验数据对照表明,本文所建立的扩展剑桥模型能通过简单的描述较合理地反映结构性土的变形特性.     

原状、扰动非饱和黄土应力—应变—强度特性研究

利用我校岩土室25g.t 离心机模拟黄土高路堤的原型特性,试验后从离心模型试验箱内取出高路堤中非饱和黄土原状土,又取与离心模型试验中相同的土料,作成干密度相近的扰动非饱和黄土试样。通过三轴剪切试验表明:二者应力～应变曲线都为应变软化型.在小应变(ε<3%)时,曲线有反弯段。达到峰值时对应的应变ε_1原状土大于扰动土.原状非饱和黄土的强度包线宜分段表示。所得结果与现场取原状样情形相符,对工程实际有重要指导意义.     

非饱和重塑黄土土-水特征曲线与渗透系数模型预测

在分析土-水特征曲线及预测非饱和土渗透系数方法的基础上,以甘肃兰州重塑黄土为研究对象,采用非饱和土固结仪,测定初始饱和度相同、干密度不同的土样的土-水特征曲线,基于拟合效果较好的Fredlund&Xing三参数方程对试验数据进行拟合.以实测的土-水特征曲线为基础,采用Childs&Collis-Geroge预测非饱和渗透系数的模型,计算得到非饱和黄土渗透系数与基质吸力的关系,结果表明:渗透系数随吸力的增大呈非线性减小,两者的关系可用幂函数表示,这为黄土地区土体工程性质的研究和预测,如降雨入渗的边坡稳定性评价、非饱和地基湿陷变形计算等提供了理论支持.     

非饱和击实粉土强度特性的试验研究

为研究非饱和土样的强度特性及吸力对非饱和土强度的影响,采用GDS非饱和土三轴仪,对非饱和击实粉土样进行了控制吸力的三轴排水剪切试验.试验结果表明:对于同一土体,吸力对其有效黏聚力和有效内摩擦角影响较小,但对吸力内摩擦角有着显著影响;吸力对土体具有一定的强化作用,相同围压、相同应变土样的偏应力随吸力的增大而增加;吸力对土体应力-应变关系曲线的形式影响不大,曲线形式主要取决于土体自身的性质和其应力历史;吸力和吸附强度之间存在着良好的乘幂关系,据此可将Fredlund提出的抗剪强度公式改写成以吸力为直接变量的抗剪强度公式.     

不同结构性黄土的单轴抗压试验及破坏模式

结合室内单轴压缩实验,对不同初始结构性黄土在单轴应力条件下的结构性变化特性进行研究.研究发现,在同一含水率条件下,原状黄土试样的单轴抗压强度要明显高于重塑黄土试样的单轴抗压强度;当含水率较低时,土样的破坏主要表现为脆性拉裂破坏,破坏呈现突然性;当初始含水率较低时,含水率对黄土结构亚稳定状态的影响减小,初始结构强度的损失也相对减小,结构的可变性相对较大,黄土在该状态条件下所具有的初始结构性较强.构度结构性参数指标随初始含水率的增大出现骤减,说明在这一阶段试样的初始含水率对黄土的初始结构性的影响较明显;当黄土的初始含水率达到一定值以后,含水率的增大使得黄土试样在沉积过程中初始结构性相比低含水率下沉积的黄土试样,土样的初始结构性已经部分减小,从而对构度结构性参数指标的影响相对较小.     

饱和结构性Ko固结黄土试验研究

在侧限高压固结仪、常规三轴仪上,对饱和结构性Ko固结黄土进行了大量的试验,同时,结合重塑土作了平行对比试验研究,通过整理分析各试验结果,得出了饱和结构性Ko固结黄土的变形和强度特性,从而为建立考虑土的结构性的本构模型提供了试验依据．     

非饱和土剪切试验颗粒流模拟

实验研究基质吸力对非饱和土的变形及强度特性影响耗时耗力,为减少实验所带来的问题,采用颗粒流理论,以颗粒黏结强度为桥梁,建立非饱和土的PFC3D直剪数值模型,模拟不同固结应力及基质吸力作用下非饱和红土的力学特性,得到其剪切应力与剪切位移的关系。基于摩尔-库伦准则,通过拟合计算得出与基质吸力相关的黏聚力c、内摩擦角φ并与实验值对比;通过黏聚力与基质吸力的关系得到φb角,数值模拟与实验值非常接近,结论验证了模拟的合理性。研究成果为非饱和土性质验证提供了新的思路。     

K_0结构性黄土的临界状态模型

在修正剑桥模型的理论基础上,引入参数描述土的结构性,建立K0结构性黄土的临界状态模型,使模型能够预测K0结构性黄土的结构性及其他基本特性.该具有明确物理意义的结构性参数通过分析K0结构性黄土相关的各种试验结果而获得,且作为一个状态参数,其与土初始结构性及应力水平相关,不需另行测得.对模型计算值与试验结果比较,提出的模型能够较好地描述K0结构性黄土的应力应变特性,表明了该模型的合理性.     

冀北地区原状土与重塑土的抗剪强度对比研究

为研究冀北地区原状土与重塑土的抗剪强度特性,对不同法向应力作用下的原状土与重塑土进行了饱和快剪试验和饱和固结快剪试验,分析了原状土与重塑土应力-应变曲线及抗剪强度-法向应力曲线。结果表明：饱和快剪试验中,原状土与重塑土在低于200 kPa的法向应力下具有应变软化的特性,而在高于200 kPa的法向应力下具有应变硬化的特性;饱和固结快剪试验中,原状土在不同法向应力下具有应变软化的特性,重塑土应力-应变变化特征与饱和快剪试验一致。在应变软化状态下,重塑土峰值强度对应的剪切位移小于原状土峰值强度对应的剪切位移。在应变硬化状态下,随着剪切位移的增加,重塑土的剪切应力增加速率高于原状土。在不同法向应力作用下,重塑土的抗剪强度基本低于原状土,其黏聚力c的最大降幅为33.8%,内摩擦角φ的最大降幅为22.0%。     

非饱和土强度统一解及地基承载力的拓展研究

为改善现有非饱和土抗剪强度统一解与地基极限承载力的应用灵活性,分别对二者进行了拓展研究.研究包括非饱和土抗剪强度统一解的适用范围,非饱和土地基极限承载力的模型试验结果验证、线性吸力和高吸力对地基极限承载力的影响.结果表明:拓展后的非饱和土通用抗剪强度统一解可适用于双应力状态变量理论、有效应力理论及其他理论方法;扩展后的地基极限承载力公式得到模型试验结果的验证,且统一强度理论参数为0或1都不能反映试验地基土的真实承载特性;高吸力具有双重影响,线性吸力分布下的地基极限承载力明显小于均布吸力下的地基极限承载力.应实测地基土中基质吸力的大小及其分布,并慎重选择高吸力双曲线模型的截距.