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。     

融化饱和哈尔滨黏土的应变速率效应试验研究

 对饱和哈尔滨黏土进行7次冻融循环后,在不同围压和应变速率下进行固结不排水三轴剪切试验,分析融化饱和黏土的有效偏应力及孔隙水压力随应变速率的发展规律。结果表明,融化饱和哈尔滨黏土在小于240 kPa的围压下表现出超固结特性,在240 kPa围压下表现为正常固结或者轻度超固结特性。随着应变速率的增大,融化哈尔滨黏土的强度变化规律以0.15 h－1为节点分为2个阶段：当应变速率小于0.15 h－1时,试件的强度随着速率的增大先增大后减小,当应变速率超过0.15 h－1时,试件的强度随着速率的增大持续增大;孔隙水压力的发展趋势随着围压的增大由软化型转变为硬化型,但各围压下的应变速率效应对孔隙水压力的发展趋势影响不明确;利用广义双曲线模型对试验数据进行分析拟合,研究表明,该模型能够合理的描述融化哈尔滨黏土的应变速率效应。     

不同温度模式下软黏土孔隙水压力变化规律与应力–应变特性研究EI北大核心CSCD

温度对软黏土孔隙水压力和应力–应变关系特性具有重要影响。通过自主研发的温控三轴仪,研究恒温、升温和降温3种不同温度模式下软黏土孔隙水压力变化规律和应力–应变特性,升温和降温模式下重点研究不同时间间隔和不同围压对软黏土孔隙水压力的消散、应力–应变关系模式、剪切强度和弹性模量的影响。结果表明:在恒温模式下,温度从10℃增加至70℃,孔隙水压力消散速率变大消散量明显增加。在升温和降温模式下,孔隙水压力呈现波动性下降,时间间隔和围压的增大均能促进孔隙水压力的消散;在恒温模式下,随温度升高应力–应变模式由应变硬化转化为应变软化,剪切强度明显提高,弹性模量整体上呈现出先下降后上升的趋势。在升温模式和降温模式下,土体的应力–应变模式均呈现应变硬化,时间间隔和围压对提高土体的剪切强度和弹性模量具有明显影响。     

应力路径对饱和黄土孔压的影响研究

利用SLB-1型应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪,对陕西杨凌Q3饱和黄土进行了常规三轴压缩、减压三轴压缩和等p应力路径的各向等压固结不排水三轴试验,探讨和分析了应力路径对饱和黄土孔隙压力的影响,试验结果表明:不同应力路径作用下,饱和黄土的孔隙压力随着轴向应变的增大而不断增大;当土体的轴向应变较小时,孔隙压力基本上不受初始固结围压的影响,而当轴向应变超过5%之后,饱和黄土所受的初始固结围压越大,主应力差越大,其孔隙压力也会越大。     

二灰土静态三轴力学性质试验研究

通过不排水三轴压缩试验对二灰土的力学特性研究,从应力-应变关系、抗剪强度、围压对强度的影响以及残余强度4个方面,分析了围压与压实度比对二灰土土体强度、变形和刚度的影响。试验结果表明,随着围压与压实度的增加,土体的强度与刚度均增加,应力-应变特性表现为软化型。压实度增加时强度增加不明显,仅为10%,而围压增加时强度增加幅度较大,能达到45%,峰值应力和残余应力都有所增加,围压增加时,应力-应变关系的弹性范围增大,曲线呈弱应变软化型或理想的弹塑性。     

平面应变偏压固结条件原状黄土强度特性研究

正对平面应变偏压固结条件下的原状黄土的强度特性进行了研究,结果表明:在低含水率和低围压条件下,黄土应力-应变曲线在硬化过程中有弱化现象。含水率、围压和初始固结应力比越大,黄土结构损伤越明显,应力-应变曲线硬化越显著;黄土在低围压时以侧胀为主,在高围压时以侧缩为主,且具有持续侧缩和先侧缩后侧胀两种形式;黄土主要呈剪缩特征,只在低围压、低含水率时才呈先剪缩后剪胀。随着围压增高,剪缩越明显而广义剪应     

平面应变偏压固结条件原状黄土强度特性研究

对平面应变偏压固结条件下的原状黄土的强度特性进行了研究,结果表明:在低含水率和低围压条件下,黄土应力-应变曲线在硬化过程中有弱化现象。含水率、围压和初始固结应力比越大,黄土结构损伤越明显,应力-应变曲线硬化越显著;黄土在低围压时以侧胀为主,在高围压时以侧缩为主,且具有持续侧缩和先侧缩后侧胀两种形式;黄土主要呈剪缩特征,只在低围压、低含水率时才呈先剪缩后剪胀。随着围压增高,剪缩越明显而广义剪应变减小。当围压较低时,体应变与广义剪应变的发展受含水率和初始固结应力比影响的规律性较显著;反之,则较弱。     

广吸力范围内非饱和原状黄土的力学特性

为了研究广吸力范围内非饱和原状黄土的力学特性,采用轴平移技术和饱和盐溶液蒸汽平衡法控制试样的吸力,对Q3原状黄土进行了一系列控制吸力的常净围压三轴剪切试验,分析了吸力和净围压对原状黄土强度和变形特性的影响。试验结果表明:净围压一定条件下广吸力范围内原状黄土破坏时的偏应力随着吸力的增大而增大;不同吸力条件下原状黄土剪切过程中表现出不同程度的应变硬化或应变软化现象,同时吸力对黄土的剪胀性有明显的影响,且吸力越小或净围压越大,剪胀性越小;原状黄土的强度参数黏聚力随着吸力的增大而明显增大,而内摩擦角在低吸力范围内变化不明显,在高吸力范围内随吸力增大而明显增大。     

常压至高压下中砂剪切特性及应力–剪胀关系

为研究高围压范围内砂土相对密实度和围压对土体强度和变形特性的影响,对3种不同相对密实度砂土试样在常至高围压下进行常规三轴固结排水剪切试验,获得偏应力–轴向应变–体应变关系曲线,同时进行颗粒破碎分析。结果表明:在常至中压范围(0.8 MPa≤σ_3≤2 MPa),应力–应变曲线均表现出不同程度的应变软化,其剪胀性随相对密实度增加和围压的降低而增强;当进入高围压范围时(σ_32 MPa),应力–应变曲线逐渐向应变硬化型转变,试样体积逐渐趋于剪缩。颗粒破碎程度随着围压和密实度的增大而增大,在高围压时由于中密和密砂剪切后期出现了明显的颗粒破碎,导致剪切过程中出现了二次相变。不同密实度土体的破坏内摩擦角和对数围压表现良好的线性关系,拟合确定了破坏内摩擦角随对数围压增加的衰减率,同时基于Bolton应力–剪胀关系拟合确定了试验砂土的临界状态内摩擦角,建立了剪胀指标与初始相对密实度及平均有效应力的关系式,为高压情况下砂土地基稳定性分析等提供强度参数。     

考虑围压效应和中主应力的深埋软岩隧道弹塑性解

高地应力深埋软岩隧道开挖卸荷后,断面周边围岩的径向应力急剧降低,围压从围岩深部至隧道洞壁急剧衰减,不同位置岩石的应变软化和剪胀扩容受围压效应的控制。基于三维H-B强度准则建立考虑围压效应和中主应力的深埋软岩隧道弹塑性解计算方法,并依托中老铁路新华隧道计算深埋滇中红层软岩隧道的挤压变形,讨论围压效应和中主应力对围岩应力–应变特征、强度软化特征和剪胀扩容特征的影响,探讨围压效应在不同峰值强度、原岩应力和支护反力下的敏感性。研究结果表明：围压效应通过降低岩石的临界塑性偏应变η^*和增大岩石的峰值剪胀扩容系数K_ψ^p,从而加剧围岩的软化和剪胀程度,进而加剧隧道的挤压变形;中主应力会降低围岩的软化程度,加剧围岩的剪胀扩容,但整体上能有效抑制深埋软岩隧道的挤压变形;岩石峰值强度越低、埋深地应力越大时,隧道的挤压变形受围压效应的影响程度越高。因此分析高地应力深埋软岩隧道开挖卸荷的力学响应时,不能忽视围压效应的影响;支护反力能有效抑制效围压效应对隧道挤压变形的影响,在深埋软岩隧道的施工建设时应及时施作支护结构约束围岩的变形。     

岩土体复合幂–指数非线性模型

以往岩土体的应力–应变曲线只能根据其形态类型采用不同的数学模式来描述,且针对相应体变曲线的描述研究较少。为实现描述形态各异的应力–应变曲线及体变曲线数学模式的统一,通过分析幂函数与指数函数,提出了一个新的非线性模型——复合幂–指数模型(简称CPE模型),并给出了模型参数的确定方法。以结构性黄土为例,通过对不同含水量、不同围压常规三轴试验得到的应力–应变曲线及体变曲线进行CPE模式拟合,并分析各参数的变化规律,得到了非饱和原状黄土考虑含水量的应变软化型、考虑围压的应变硬化型应力–应变曲线CPE模型,及考虑围压的剪缩型体变曲线CPE模型,并将其计算曲线与实测曲线进行了对比,研究表明:CPE模型可描述各种型式的应力–应变曲线及不同形态的体变曲线,具有广泛的适用性和准确性,为形态各异的应力–应变曲线及体变曲线提供了一个统一的数学模型。     

冻融循环作用下石灰改性黄土的力学特性试验研究

对石灰改性黄土进行击实试验,得到改性黄土的石灰掺量分别与最优含水量和最大干密度的变化规律。同时在冻融循环作用下,利用三轴剪切仪对石灰改性黄土进行固结排水剪切试验,以此研究冻融循环下石灰改性黄土的力学特性。结果表明：随石灰掺量增大,最优含水量也逐渐增大,最大干密度却呈减小的趋势。不同石灰掺量下,冻融循环后改性黄土的应力应变关系曲线随冻融循环次数的增加由弱硬化型向弱软化型过渡,最后趋于强软化型。随冻融循环次数的增加,破坏强度呈下降趋势,石灰掺量为6%且冻融次数10次时,围压越大,破坏强度衰减率越小;石灰改性黄土的黏聚力随冻融循环次数的增加而降低,最终趋于稳定,而内摩擦角几乎保持不变。石灰掺量一定时,随冻融循环次数增加,结构性参数减小,且变化趋势不大;冻融循环次数一定时,随石灰掺量的增加,结构性参数呈减小的趋势;同时,随着围压不断地增大,结构性参数也呈减小趋势,结构性参数与轴向应变关系曲线随着围压的增大由强软化型向弱软化型过渡。     

贵阳红黏土的应力-应变软化模型及参数研究

通过对不同含水量和不同围压下的贵阳红黏土进行三轴固结不排水试验,系统地研究了贵阳红黏土的软化特性及孔隙水压力的变化规律。试验结果表明:贵阳红黏土破坏形态具有明显的剪切带;应力-应变曲线出现了带有驼峰的应变软化现象,固结过程中孔隙水压力与时间呈指数函数关系,剪切过程中孔隙水压力与轴向应变呈双曲线型。研究认为,土体的结构屈服应力和固结不排水试验中产生的孔隙水压力是造成贵阳红黏土软化的主要因素。根据沈珠江、张尔齐等人的软化模型,对贵阳红黏土进行拟合,求解模型参数及置信区间,为贵阳红黏土进一步的数学模型建立提供理论基础。     

纳米黏土改良黄土力学性能试验研究

在陕西安塞地区黄土中掺入两种不同纳米黏土材料,设计不同掺量、含水率、养护龄期等多因素影响下的正交试验,并对改良后黄土进行三轴试验,分析凹凸棒土和纳米蒙脱土改善黄土无侧限抗压强度指标以及抗剪强度指标的变化特征,并采用SEM对两种纳米黏土改良黄土进行改善机理微观分析。结果表明:掺量为1%的凹凸棒土、掺量为2%的纳米蒙脱土对黄土抗压强度影响最为显著,在一定含水率下可使素黄土的抗压强度分别提高21%和42.3%; 两种纳米黏土改良黄土应力-应变曲线受试样干密度、围压及掺量的影响,干密度为1.35 g?cm^-3、围压为50 kPa的改良黄土有应变软化现象,干密度达到1.65 g?cm^-3时,4种不同围压下改良黄土应力-应变曲线均有应变硬化的趋势; 两种纳米黏土对改良黄土的抗剪强度指标影响效果显著,其中1%掺量的凹凸棒土、2%掺量的纳米蒙脱土可以使改良黄土的黏聚力分别提升61.02%和81.70%,内摩擦角分别提升27.86%和21.31%。     

黄土抗剪强度的水敏感性特征研究

抗剪强度是黄土重要的力学性质指标，在不同的含水状态下，土体抗剪强度存在明显差异。黄土属水敏感性地质体，在水的软化作用下。黄土抗剪强度特征与应力-变形机制呈现出明显的规律性。在荷兰尤怀特大学、英国莱斯特大学和兰州大学对不同沉积时代黄土样品直接剪切、环剪及原位大面积剪切试验的基础上，重点研究不同含水状态下不同沉积年代黄土抗剪强度的水敏感性机制与应力-应变特征。根据室内和原位测试结果，对黄土抗剪强度的基本规律进行分析和总结，提出黄土抗剪强度特征与应力-变形机制发生转变的特征含水量We-脆-塑转捩界限含水量，对黄土脆-塑转捩界限含水量的标准与变化范围进行研究，划分黄土类脆性变形和类塑性变形的界限，在此基础上给出黄土抗剪强度公式，揭示不同沉积时代与含水状态下黄土抗剪强度的水敏感性特征及应力-变形机制。     

平面应变加、卸荷条件下考虑初始应力的原状黄土#br# 强度与变形特性试验研究

针对黄土工程中的众多平面应变加、卸载问题,利用平面应变改造后的西安理工大学真三轴仪,模拟黄土原位沉积方向及不同初始应力状态,在不同围压下对不同初始应力状态原状黄土进行竖向加载和侧向卸载平面应变试验,揭示不同初始应力状态原状黄土在加、卸载不同应力路径条件下的强度和变形特性。研究结果表明：两种应力路径条件下的应力应变曲线均呈硬化型,加载曲线均高于卸载,加载强度大于卸载强度,但卸载时,土的强度发挥较快。剪切过程中,黄土的侧向变形与竖向变形均呈非线性关系。竖向加载时,土的初始应力状态k值对土强度和变形的影响与固结围压的大小关系紧密;侧向卸载时,k值的增大可以限制侧向变形的发展。竖向加载条件下的体积应变均为剪缩,侧向卸载时均为剪胀。加、卸载条件下p-q平面内的破坏强度线基本一致,近似呈线性关系。侧向卸载条件下土体破坏时的应变远小于竖向加载和常规三轴试验。随着k值的增大,加、卸载应力路径时,黏聚力均线性减小,内摩擦角均线性增大。     

辽西花岗岩水–岩耦合力学特性试验研究

为了研究水–岩耦合作用对辽西花岗岩力学性质的影响,采用MTS–815岩石力学试验系统,通过对花岗岩试样施加不同的围压和孔隙水压力,对其变形破坏过程进行试验研究,分析水–岩耦合作用下辽西花岗岩的有效峰值强度、扩容现象、残余强度、峰后强度及其参数的演化规律。研究结果表明,有效峰值强度折减系数随孔隙水压力增大近似呈线性增长,但变化斜率随着围压增大而逐渐减小。在围压较小时孔隙水压对有效强度折减系数有明显的影响,在围压较大而孔隙水压较小时,施加应力压缩孔隙喉道抑制了孔隙水压对试样的作用。扩容起点是致密岩体水岩耦合作用增强的特征点,围压使得试样的扩容起点发生滞后,而孔隙水压力使得扩容起点提前发生,扩容现象与水岩耦合作用相互促进。水–岩耦合作用下试样的残余强度为对应状态峰值强度的21%~35%,Hoek-Brown常数随着围压的增大呈非线性增长,其值为3.5~5.0。峰后段试样的似内摩擦角变化不大,似黏聚力随着应变软化参数的增加有逐渐减小的趋势,而相同应变软化参数对应的似黏聚力则随着孔隙水压力的增大而减小,且似黏聚力、孔隙水压和应变软化参数间的关系可用3次样条曲面进行描述。     

孔隙水压力-围压作用下砂岩力学特性的试验研究

利用MTS815岩石力学测试系统进行两类三轴压缩对比试验:一类是非充水条件下不同围压时的三轴压缩试验;一类是充水条件且围压保持恒定时不同孔隙水压力作用下的三轴压缩试验。基于莫尔-库仑准则,分析非充水条件下,不同围压σ3作用对细砂岩的峰值破坏强度σ1max及其对应的轴向应变ε1max、剪切强度τ和正应力σ等参数的影响;充水条件下,围压σ3恒定时不同孔隙水压力P作用对细砂岩的峰值破坏强度σ1max及其对应的轴向应变ε1max、有效峰值破坏强度σ1′max、有效围压3σ′、有效剪切强度τ′和有效正应力σ′等参数的影响。研究结果表明:(1)充水条件下,随着有效围压σ3′的增加,有效峰值破坏强度σ1′max呈增大的趋势,但在相同围压条件下随孔隙水压力P的增加有效峰值破坏强度σ1′max呈逐渐减小的趋势;(2)非充水条件下的τ-σ曲线和充水条件下的τ′-σ′曲线既可采用一元二次方程拟合,也可采用线性方程拟合,其相应强度曲线均能较好地符合莫尔-库仑准则;(3)有效剪切强度折减系数K可以较好地表征孔隙水压力P对有效剪切强度τ′的影响。