饱和砂土的物态变化特性

通过饱和砂土的往返加卸载三轴试验 ,揭示了饱和砂土的初剪缩、剪胀、次剪缩、反向剪缩等物态变化特性 ,论证了它们与不排水条件下饱和砂土孔压的变化和排水条件下剪缩剪胀体应变的变化具有内在的联系 ,从而验证了往返加卸载复杂应力条件下饱和砂土不同物态的客观存在性 ,为进一步揭示动荷条件下饱和砂土的复杂变形特性提供了研究基础。     

砂土剪胀剪缩特性及其对抗剪强度的影响

为了研究饱和砂土的剪胀剪缩特性及其对抗剪强度的影响,选取滹沱河细砂,利用空心圆柱扭剪仪较系统地开展了一系列不同初始密度、不同固结压力条件下的排水与不排水纯扭剪试验研究,在总应力保持不变的情况下研究了砂土的剪胀剪缩特性,着重探讨了在排水与不排水试验中,不同密度和不同有效围压的砂土在单调剪切荷载作用下的应力-应变关系、硬化与软化、土体的剪胀剪缩以及强度等特性。结果表明:砂土密度和固结压力对砂土剪胀剪缩特性具有显著的影响;砂土的剪胀剪缩特性对砂土的排水、不排水强度以及应力-应变关系产生显著的影响;由于剪胀剪缩特性的影响,砂土的不排水抗剪强度甚至可能高于排水抗剪强度;研究成果可为今后砂土的本构模型和数值模拟提供试验资料。     

偏应力往返作用下饱和砂土变形特性的试验研究

在固结排水条件下保持球应力不变,进行了偏应力往返作用下的动三轴试验,分析了饱和砂土的体积变形特性。结果表明:(1) 体应变可视具体条件表现为C1型剪缩(初次加荷)、C2型剪缩(卸荷前未产生剪胀)、C3型剪缩(卸荷前产生剪胀)、剪胀P及剪刚R(再加载无胀缩)等物态有规律的变化;(2) 各物态的体应变均与所作用的偏应力比有良好的线性关系。其参数与综合反映应力特征及土性特征的各物态起始体应变间均有良好的指数或直线关系;(3) 体应变可跟踪偏应力的往返变化,区分加荷、卸荷段的各不同物态,依序考虑各物态起始时的体应变,在对应确定相应参数的基础上进行计算,计算的结果与试验关系间有良好的一致性。     

基于材料状态相关临界状态理论的砂土双屈服面模型

分析现有砂土临界状态单屈服面模型存在的缺陷,基于临界状态理论和材料状态相关剪胀性理论,建立了一个适用于不同初始密实度的双屈服面砂土本构模型。该模型考虑了剪切变形和压缩变形机理,克服了单屈服面在一维压缩等试验条件下只有弹性应变没有塑性应变的不足,模型只用一组参数便可描述不同围压不同密实度砂土的应力应变关系,对剪切试验过程中表现出来的剪胀剪缩特性也可以进行很好的追踪。通过对Toyoura砂和Hostun砂一维压缩及三轴排水和不排水条件下的试验结果进行模拟,表明该模型具有较好的预测能力和较广的适用性。     

基于热力学的砂土不排水统一模型

在传统的土力学中，经常假定剪胀与应力比η存在惟一关系，这与松砂剪缩、密砂剪胀的试验结果不相符，也无法用一种统一的模型模拟无黏性材料在不同初始密度和固结围压条件下的不同特性。另一方面，德鲁克公设不能普遍适用于土体的各种应力、应变情况，需要有新的能量机制作为本构模型的基础。热力学第一定律和第二定律作为自然界普遍适用的规律，能够用来描述能量耗散。在临界状态模型的框架内，将状态依赖剪胀和热力学本构模型结合起来，既考虑剪胀对变形历史中材料内部状态的依赖，又由模型的热力学基础保证屈服面和剪胀函数的协调。通过计算，验证这种状态依赖的热力学模型，结合提出的硬化规律，可以用一组统一的模型参数模拟砂土在不同初始密度和围压下不排水剪切的不同反应。     

饱和砂土体有效应力物态动力本构模型 及应用的研究

首先通过对现有土体动力反应分析方法的系统分析,在动三轴仪上对饱和砂土进行大量等q往返球应力p、等p往返偏应力q以及往返p,q三类固结排水动力试验,揭示往返球应力和往返偏应力作用下饱和砂土的应力-应变特性.在继承饱和砂土瞬态动力学理论的基础上,完善由状态边界面、相态转换面及应力历史边界面构成的静动有效全应力空间特性域,建立新的有效应力物态本构模型.由于该模型是建立在球应力-体应变、球应力-偏应变和偏应力-偏应变关系的基础上,因此能够全面反映饱和砂土的应力-应变非线性、硬化性、剪切胀缩性和压密回胀性、应力路径相关性以及球应力-偏应力-变形的耦合性等主要特征.其次,以动力固结理论和瞬态动力学理论为基础,将该本构关系引入到以动力反应-动力固结相耦合、静应力–动应力变化相耦合以及孔隙水压力产生-扩散-消散相耦合,能较全面地反映动力作用下土体应力-应变反应的真实过程为特点的三维瞬态动力方程组,形成饱和砂土体有效应力物态地震反应分析的完整理论体系.     

砂土的变形特性与临界状态(英文)

通过一系列室内三轴压缩试验研究了砂土的变形特性与临界状态。试验结果显示砂土在剪切过程中会产生剪胀或剪缩 ,其胀缩性由该砂土的当前状态所决定 ,而砂土的当前状态取决于本身的密度和所施加的有效平均正应力。土的密度越大 ,有效平均正应力越低 ,土的剪胀性就越大。试验还发现当剪应变水平较高时土样都出现了临界状态 ,而所观测到的临界状态线与排水条件无关。     

反压对土体强度特性的影响试验研究及其影响机理分析

为提高试样饱和度,室内试验普遍采用反压饱和法,但现行规范中对其反压大小未做具体规定。该文利用竖向-扭转双向耦合剪切仪及全自动真三轴仪,针对福建标准砂(相对密实度30%、58%、70%)及细砂,进行了不同反压下单调排水与不排水剪切试验,分析不同反压下砂土的应力-应变关系、超静孔隙水压力发展规律。试验结果表明：反压对剪胀性砂土的固结不排水剪切强度具有显著影响,且剪胀性越大,其影响更显著;反压对剪缩性砂土的不排水抗剪强度影响不显著;反压对砂土固结排水抗剪强度的影响相对较小;反压对砂土有效抗剪强度指标基本没有影响。本文认为反压对剪胀性砂土的固结不排水抗剪强度产生影响的原因是：反压不同时,土体中的气液混合体的体积模量并不相同,因此相同的体胀趋势或相同的体积回弹下所引起的超静孔隙水压力不同,进而直接影响有效围压及其砂土抗剪强度;而土体发生剪缩时,气液混合体越接近刚体,其体积模量对反压的依赖性越小,因此,相同的剪缩趋势或相同的体积压缩量下,所产生的超静孔隙水压力与反压的大小没有显著的依赖关系,因此在剪缩状态下,反压对砂土的应力-应变关系及抗剪强度没有显著的影响。在固结排水试验中无论反压设定多大,不存在超静孔隙水压力,有效围压与反压大小无关,因此反压对砂土排水抗剪强度没有显著影响。     

基于统一硬化参数的砂土临界状态本构模型

在临界状态理论的基础上,通过引入状态参数来调整硬化参数和剪胀方程,从而更好地反映砂土的剪胀、剪缩特性以及砂土对密度、有效主应力的双重依赖性,通过引入修正屈服函数的参数,能更好地描述砂土的塑性变形特性。同时,模型采用砂土等向固结线和临界状态线在孔隙比与有效应力幂函数平面内呈线性关系,并且只用一组材料参数即可描述在较大密度和较大有效应力范围内砂土的应力应变响应。通过模拟结果与试验结果对比,验证了模型的有效性。     

基于物态本构模型的土体动力反应分析方法

通过对现有土体动力反应分析方法的分析,提出了新的有效应力物态地震反应分析方法。首先,建立了能够全面反应饱和土体的应力应变非线性、硬化性、剪切胀缩性和压密回胀性、应力路径相关性以及球应力和偏应力与变形的耦合性等主要特征的有效应力物态动本构关系。其次,以动力固结理论和瞬态动力学理论为基础,将该本构关系引入到以动力反应与动力固结相耦合、静应力和动应力变化相耦合,孔压产生、扩散和消散相耦合、能够较全面反映动力作用下土体应力应变反应的真实过程为特点的三维瞬态动力方程组,形成了饱和砂土体有效应力物态地震反应分析的完整理论体系。最后,开发了新的动力固结三维有限元分析程序,通过对一个饱和路基的计算和分析,不仅得到了合理的土体动力性状,而且验证了该分析方法与程序的正确性。     

考虑第三偏应力不变量的岩石局部化变形预测模型

 现有岩石局部化变形带发生条件与带角预测模型均只考虑2个应力不变量,预测结果与实验观测结果关联度不好,最近的研究表明第三应力不变量在局部化变形中起重要的作用。在Rudnicki与Rice单屈服面和Issen双屈服面模型的基础上,通过相似角表征第三偏应力不变量,得到第三偏应力不变量相关性模型判断岩石局部化变形发生条件和预测变形带角,利用Mogi的Dunham白云岩轴对称拉伸和压缩状态以及Haimson的Westly花岗岩轴对称拉伸实验的变形带角属性作为边界条件,计算得到模型中的弹塑性参数,最后预测得到其他一般应力状态的变形带角,相较于二应力不变量模型,提高局部化变形带角的预测精度。     

主应力轴旋转下(b=0.5)原状软黏土孔压特性

采用浙江大学空心圆柱扭剪仪(ZJU-HCA),对杭州原状软黏土进行固结不排水主应力轴旋转试验,探讨剪应力变化、初始剪应力水平高低及主应力轴正向和逆向旋转对黏土孔隙水压力(简称孔压)发展的影响。试验中保持平均主应力不变,中主应力系数b=0.5。试验结果表明:定向剪切产生的孔压主要受剪应力控制;用双重屈服面理论得到孔压系数,结合孔压线性拟合结果发现,若初始剪应力低于峰值剪应力,体积屈服面函数不受主应力轴旋转影响;若初始剪应力接近峰值剪应力,主应力轴开始旋转时的孔压上升速率相对较高,但后期孔压反而会下降;纯主应力轴旋转过程中的孔压上升速率主要受初始剪应力大小控制。主应力轴正向旋转较逆向旋转产生的孔压小;主应力轴逆向旋转相对正向旋转对整个剪切过程的孔压发展有较大影响。     

土的卸载体缩与可恢复剪胀

卸载体缩是很多土在剪切试验中表现出的一种变形特性。它与土的物理性质、试验的应力路径、试验的边界条件等因素有关 ,也和土的各向异性有关。卸载体缩源于土的可恢复剪胀变形 ,在剪胀过程中土颗粒一般是从低势能状态向高势能状态变化 ,处于不稳定状态 ,当剪应力消除时 ,有很大部分的剪胀变形将会恢复。     

椭圆抛物双屈服面弹塑性模型三维各向异性修正及其试验验证

 粗粒料作为高土石坝的重要筑坝材料,其应力–应变规律受初始不等向固结和后续施工影响。考虑粗粒土各向异性特性的同时兼顾其剪胀性和初始不等向应力状态等主要性质,结合室内试验资料,运用应力变换方法和引入新的应力比参数等手段对经典双屈服面弹塑性模型的屈服轨迹和硬化轴进行修正。通过试验数据和预测结果的对比,表明修正的三维化各向异性双屈服面弹塑性模型能够较合理地反映粗粒土在初始不等向固结状态下的强度和变形特性。     

A model for freeze-thaw-induced plastic volume changes in saturated clays

A new model is proposed for describing freeze-thaw-induced plastic volume changes in saturated clays based on microscopic inhomogeneities inherent in the soil structure and the pore water transfer between them. It is shown through a simple inhomogeneous mesostructure model that the equilibrium state reached after freezing serves as an important reference state for interpreting the volumetric behaviour. The soil state evolution towards this freeze equilibrium state describes many features seen in the experimentally observed freeze-thaw behaviour, such as the existence of a limiting stress level above which no plastic volume change occurs. The process of freezing/thawing is modelled as a rate process approaching the freeze equilibrium line (FEL) and representing the eventual equilibrium states at a particular sub-freezing temperature, exploiting a newly defined state parameter, ψ_fe. The model offers a mesoscopic three-dimensional yield surface in the specific volume – effective stress – temperature space, expressed by a simple equation. Although the model’s essence is encapsulated in only two simple equations, it can simulate well the experimentally observed volume change accumulation with freeze-thaw cycles under different stress levels and densities (or over-consolidation ratios). As the model is formulated in an incremental rate form, it can be applied to general freeze-thaw problems, even those with irregular temperature and stress history – a feature not seen in existing models.     

有效自重压力下预固结的三轴不排水试验

在我国的一些有关基坑工程的规范中,对于饱和软黏土地基的抗剪强度,规定采用"有效自重压力下预固结后的三轴不排水试验"确定,原位地基土处于静止土压力状态(K0状态),而常规三轴试验是各向等压固结,这种各向等压固结压力与原位的K0状态固结压力如何对应,以使强度指标一致,是本文讨论的问题。文中根据剑桥模型的物态边界面的概念和模型的加卸载准则,得出了二者的平均主应力应当相等的结论,这对于在设计中正确确定和选用强度指标是十分重要的。     

滑坡关键块力学行为及力传递特征和不同应力状态的稳定系数研究

 分析滑坡关键块的力学行为及滑坡力的传递特征,研究滑坡在摩阻力没有折减条件下,滑坡条块下滑力、摩阻力和推力的相互关系,指出滑坡条块在下滑力、摩阻力相等(即推力矢量和为0)时,该条块处于临界应力状态。研究推移式滑坡条块间推力所表征的力学特征,进而提出滑坡条块处于不同推力条件下,条块间推力测量的基本特征：处于残余应力状态和破坏后区应力状态条块间推力测量值逐渐减小或增大(即力测量可以为负值或正值),处于临界应力状态前条块间的推力测量值逐渐增大(即力测量为正值),该结果对滑坡监测具有指导作用。研究现行滑坡稳定系数的计算方法,针对临界应力状态、破坏后区应力状态和残余应力状态及其混合应力状态,以剩余推力法证明现行临界应力状态法计算滑坡稳定系数不是最小值,而取残余应力状态力学参数计算的稳定性系数为最小值,并证明了它们之间的相互关系。     

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。     

环向有效约束条件下破裂岩体再破坏特性分析

 深部地下工程围岩破坏后形成较大范围的破裂岩体,在有效支护条件下具有结构效应,即具有一定的承载和抵抗变形能力,且在其承载和抵抗变形的过程中呈现应力强化的特性;同时,在破裂岩体内部存在岩块的再破坏和岩体力学性能弱化的过程;破裂岩体承载过程中应力状态及其力学特性的演化,取决于岩体整体力学性能、约束状态及初始破裂面的特征;在再承载过程中,破裂面上的主应力方向和大小均会发生变化,且破裂面上主应力方向和岩体的主应力方向并不一致,从而导致新的破裂面的形成和发展。研究反映破裂岩体的承载和再破坏特性,对深部地下工程的稳定控制研究具有一定的指导意义。