非饱和黏土变形和强度特性试验研究

 利用双压力室非饱和三轴仪,进行非饱和黏土脱湿、等吸力固结和排水剪切试验,研究非饱和黏土的体变、屈服和强度特性,结果表明：在低吸力范围内,非饱和黏土在脱湿过程中的体积收缩呈弹塑性体变性状,验证了非饱和土本构模型中SI屈服曲线的存在;在等吸力固结试验中,黏土固结屈服应力随着吸力增加而增加,LC屈服曲线呈二次抛物线变化,固结压力的增长比基质吸力的增长对体变性状的影响效应要大。在剪切试验中,非饱和黏土应力应变关系依赖于净围压和基质吸力的不同组合,基质吸力增强土体应力–应变关系的硬化特性;在不同的吸力条件下,固结排水剪的有效内摩擦角基本不变,黏聚力的增长与吸力的增长基本呈线性关系。     

长期往复荷载作用下近海饱和软黏土强度和刚度的弱化特性

长期往复荷载作用下,饱和软黏土强度和刚度的衰减是近海桩基础设计必须考虑的,利用带弯曲元的循环三轴仪对原状饱和软黏土进行了一系列等向固结和非等向固结条件下不排水单调和循环加载三轴试验,并在循环加载过程中通过弯曲元测试土体剪切波速。试验结果表明,在相同的固结条件下,随循环次数的增加和动应力比的提高土体的强度和刚度衰减显著;在相同动应力比作用下较小的有效固结应力和偏压固结减缓了土体刚度的弱化。已有的相对偏应力水平参数不能反映不同固结条件下近海饱和软黏土强度和刚度循环弱化特性,为此引入了动偏应力水平参数,考虑了有效固结应力、固结静偏应力、动偏应力的相互影响,利用动偏应力水平对饱和软黏土的强度和刚度循环弱化特性进行描述。     

制样方法对非饱和土力学特性的影响

以一种非膨胀性黏土为试验材料,对孔隙比相近的非饱和压实试样和预固结试样进行一系列等吸力控制下的等向压缩试验和三轴剪切试验,研究了制样方法对非饱和土的压缩特性和剪切特性的影响。由等吸力等向压缩试验结果表明:初始孔隙比相近的预固结样和压实样在等向净应力20 k Pa条件下进行等吸力平衡,平衡过程中预固结试样的孔隙比明显减小而压实样的变化不大;其原因是两种试样的初始吸力和土结构存在差异。此外,预固结样和压实样在吸力150 k Pa条件下,预固结样的含水率随着等向净应力的增大而减小,而压实样的含水率几乎不变。上述变形特性可用SFG弹塑性模型说明。在净围压和吸力相同条件下对剪切前孔隙比相同的两种试样进行了三轴剪切试验,试验结果表明:在剪切前的密度、剪切时的吸力和净围压相同条件下,预固结样的偏应力–应变曲线和强度明显高于压实试样的曲线和强度。其原因可用两种试样的孔隙尺寸分布不同来解释。     

花岗岩残积土应力路径试验研究

由于常规的三轴剪切试验不能反映实际工程中多种应力路径对土体力学特性的影响,以福州地区花岗岩残积砾质黏性土为研究对象,进行了常规三轴固结排水剪切试验、K0固结排水剪切试验、K0固结侧向减载试验和K0固结侧向减载轴向加载试验等多种室内试验,对不同应力路径条件下土体的抗剪强度、应力与应变的变化情况做出比较分析,总结了花岗岩残积土在复杂应力路径下土体的变形特性及强度特征。研究表明:在不同的土体应力路径情况下,土体所对应的强度参数及变形参数具有明显的差异性,花岗岩残积土在不同的应力路径情况下应力-应变曲线均呈现应变硬化型,在实际工程中,应综合考虑各种工况,以应对土体强度及变形的变化对工程进展的影响。     

考虑坑侧堆载基坑开挖土体应力路径试验研究

基坑开挖过程中,基坑坑侧各区域土体受到不同程度的卸荷或堆载作用,从而呈现出复杂的应力路径。因此,开展了常规三轴固结不排水剪切试验、K₀固结不排水剪切试验、K₀固结侧向卸荷试验和K₀固结侧向卸荷轴向加荷试验等不同的应力路径试验,来研究基坑开挖前后基坑坑侧土体的不同应力路径变化情况,比较分析了各应力路径条件下土体的抗剪强度、应力应变的变化情况,归纳了基坑开挖前后复杂应力路径条件下土体的应力变形及强度特征。研究表明,在不同的应力路径条件下,土体所对应的应力变形及强度参数,具有明显的差异性;软黏土在不同的侧向卸荷应力路径情况下,应力应变曲线均呈现应变软化型,且侧向卸荷对土体强度影响较大,坑侧堆载引起的轴向加荷对土体强度变化也有一定影响。     

非饱和膨胀土变形和强度特性的三轴试验研究

为了研究吸力变化对非饱和膨胀土变形和抗剪强度特性的影响,利用三套新研制的双压力室非饱和土三轴仪,进行一系列吸湿试验、等吸力压缩固结试验和等吸力剪切试验。试验土样取自鄂西北的中膨胀性土,采用静力压实方法制备试样。试验成果表明:该非饱和膨胀土在低围压吸湿过程中的体变性状呈明显的屈服特性,因此验证了Barcelona膨胀土本构模型中SD屈服包线的存在。在等向压缩固结过程中,该非饱和膨胀土的屈服应力随吸力增加而增大,而屈服后的压缩系数随吸力增大而减少,表明吸力对土体具有硬化作用。该非饱和膨胀土的有效内摩擦角不随吸力变化而变化,吸力对抗剪强度的贡献(似凝聚力)随吸力呈非线性增加,吸力对该膨胀土抗剪强度的贡献明显高于压实高岭土和砂性土。     

不同应力路径下低液限粉土力学特性三轴试验研究

基于成因不同,土体具有复杂的变异性、不确定性和地域性差异,通过固结不排水剪应力路径试验对宁波轨道交通建设工程典型③层低液限粉土在K0固结条件的力学特性进行了系统研究。分析了不同固结围压(60、120、200kPa)条件下DE(增P)、DG(等P)、DF(减P)三种应力路径下粉土的应力-应变特性和孔压特性、强度特性及应力路径特性。研究结果表明,应力路径对轴向应变的变化速率、土体的强度影响明显;不排水条件下的有效应力路径主要与土样初始固结状态有关,试验中的剪切控制方式对有效应力路径有明显影响;土体的应力-应变呈硬化型,试验过程土体表现出明显的剪胀特征,应力路径对土体总应力的内摩擦角影响较大,对有效内摩擦角影响不大。     

软土地区堆山工程地基承载力分析

近年国内进行了多处人工堆山工程,其特点是堆载分层施加、荷载分布面积大、施工期较长且总荷载非常大,进行常规地基处理往往不能满足堆山荷载对地基承载力的要求。结合堆山工程逐级施加的堆土荷载之间通常有较长时间间隔的特点,认为地基可在分级堆填间歇时间内发生一定程度固结有效应力提高,导致土体强度增加,因此地基承载力也产生相应的提高,利用固结引起土体强度增长导致的承载力提高是堆山工程成功的关键。从有效应力法和剪切试验两方面分析了土体固结引起强度增长的机理和计算,提出不排水条件下考虑土体强度增长的地基承载力分析方法,运用该理论分析了人工堆山工程案例,并对堆山工程提出建议供类似工程参考。     

偏压固结下软黏土循环强度弱化分析及数值模拟

在波浪等循环荷载的作用下,近海工程地基中的软黏土会发生强度弱化,影响上部结构的稳定性。以烟台港的淤泥质粉质黏土为研究对象,进行了动、静三轴试验,探讨不同固结静偏应力和不同循环动应力作用下淤泥质粉质黏土的循环强度弱化规律以及土体循环后不排水剪有效应力路径发展规律。通过对土体循环后不排水剪切过程中有效应力路径的分析,发现当动应力比达到0.4后,土体强度弱化趋势加快,临界有效应力比(M)减小,结构发生一定的破坏,并据此探讨了土体强度弱化机理。此外,基于等效超固结理论,在考虑偏压固结使土体初始有效应力提高的前提下,经过理论推导,得出了考虑初始固结静偏应力和循环效应的土体强度弱化公式,并通过试验数据对其进行验证。最后,通过对ABAQUS的二次开发,利用拟静力算法将该公式应用于烟台港数值模型的有限元计算中。     

饱和黏土不排水抗剪强度各向异性的热力学本构模型研究

基于饱和土体TTM（Tsinghua thermodynamic soil model）热力学本构模型分析研究了饱和黏土的不排水抗剪强度各向异性问题。模型及试验研究表明：非等向或固结历史是引起土体强度各向异性的重要原因,固结应力比越小,不排水强度各向异性越大。不排水加载过程中主应力轴的方向对土体不排水抗剪强度和变形有着重要影响。一般而言,当主应力轴方向从0°旋转到90°时,土体的不排水抗剪强度逐渐下降,峰值应变却逐渐增大。此外,非等向固结会导致土体主应力与主应变的非共轴性。利用TTM理论模型,对Kaolin Clay 和Boston Blue Clay的不同试验结果进行了模拟验证和预测。结果表明,TTM理论模型具有反映和预测应力引起的饱和黏土强度各向异性和应变软化等特性的能力,同时也具备精准描述主应力轴旋转等复杂路径下饱和黏土的强度和变形特征的能力。     

One-dimensional consolidation of unsaturated soils considering self-weight: Semi-analytical solutions

For the newly deposited soil, the consolidation will occur under the self-weight and external load jointly if the soil is treated by the stack pre-pressure method. The soil stress caused by self-weight has a significant influence on its consolidation process no matter the soil is either saturated or unsaturated. However, the soil’s self-weight is ignored in the one-dimensional (1D) consolidation theory for unsaturated soils (Fredlund and Hasan, 1979). In this paper, we derived the semi-analytical solutions for excess pressures and normalized settlement in 1D dimensional consolidation of unsaturated soils considering self-weight. The analytical solutions were obtained by Crump’s method (Crump, 1976), through a computing program coupling the calculation of initial excess pore pressures with the inverse Laplace transform of the obtained solutions. Then, the proposed solutions are verified through a degradation case. Several 2D charts are presented to visualize the solutions, and various examples are employed to discuss the key factors that affect one-dimensional consolidation behavior of unsaturated soils when self-weight is considered. It can be found that the relative excess pore pressure will be restrained for the one-dimensional consolidation when considering self-weight.     

超深开挖对抗拔桩承载力影响的离心机试验研究

深基坑开挖会改变桩周土的应力状态,影响抗拔桩的承载力。通过离心机模型试验,研究了超深开挖对抗拔桩承载力的影响。采用考虑基底土超固结效应影响的有限元数值模拟分析方法,对离心机试验进行了计算分析,研究超深开挖对抗拔桩承载力影响的内在机理。研究结果表明：坑内土体卸荷,桩侧土体有效应力降低,抗拔桩承载力下降;受基底土超固结效应的影响,桩侧土静止土压力系数要大于正常固结状态,桩侧极限摩阻力与抗拔桩承载力大于正常固结状态;不考虑基坑开挖对桩周土应力水平的影响,以覆土条件下的承载力做为设计取值,偏于不安全;考虑基坑开挖对桩周土应力水平的影响,但不考虑基底土的超固结特性,抗拔桩承载力的取值偏于保守。     

粉质黏土冻土三轴强度及本构模型研究

通过对南京典型粉质黏土10℃冻土在不同围压、固结方式、应力路径条件下的三轴试验,分析不同因素对三轴强度影响,结果表明：最大轴向偏应力随围压增大而线性增大,且重塑粉质黏土冻土的最大轴向偏应力随围压的增大速度大于原状粉质黏土冻土的增大速度;固结方式对内摩擦角影响较大,对黏聚力影响不大,先等压排水固结再冻结试样强度会大幅度提高;强度和弹性模量受应力路径影响,其中常规加载应力路径强度及弹性模量要大于卸载应力路径强度及弹性模量;基于Duncan-Chang模型建立考虑围压影响的冻结粉质黏土本构模型,参数a、b与围压呈负相关,获得原状粉质黏土以及先等压排水固结再冻结、先等压不排水固结再冻结和先冻结后固结重塑粉质黏土的破坏比均值分别为0.87、0.89、0.93和0.87。     

初始剪应力对外海回填土壤动态特性之影响

采用云林离岛工业区外海料源区土壤为试验用砂,考虑现有回填地之土壤条件,采用湿捣法制试样,探讨不同相对密度、有效围压应力及固结应力比等因素,进行一系列共振柱试验,以评估回填土於初始剪应力作用下之土动态特性。由试验结果分析得知,回填土壤之剪切模量有随固结应力比与有效围压应力之增加而增加之趋势,而最大剪切模量( Gmax) 亦随固结应力比与有效围压应力之增加而增加,同时不受初始相对密度不同之影响。另回填土壤因固结应力比所引致之最大剪切模量增量远大于孔隙变化所引致之增量。但固结应力比与有效围压应力对阻尼比之影响则较不明显。同时本研究在Hardin 与Richart(1963) 所建议之评估方式基础上进行修正,对云林外海土壤建立非等向压密条件下,最大剪切模量与不同剪应变所对应之剪切模式经验公式,可提供回填造地设计、施工及抗震分析之参考     

吹填软土一维大变形自重固结的有限差分数值解

吹填软土发生自重固结的物理本质在于超孔隙水压力的消散与有效应力的增长,以往有关土体大变形自重固结问题的求解方法多基于Gibson大变形固结理论,未从物理本质上反映土体的固结过程。文章基于Gibson大变形固结理论的有关假定,推导建立以超孔隙水压力为变量的一维大变形自重固结控制方程,该方程的形式简单,系数的物理意义明确。结合吹填软土自重固结的边界条件及初始条件,采用修正隐式差分格式的有限差分法求解得到方程的有限差分数值解,该数值解能够求解任意e-σ′和e-k函数关系下吹填软土的自重固结过程。通过与Lee和Sills求得的解析解及SWC模型解对比,从超孔隙水压力、孔隙比及沉降3个方面对数值解的正确性进行验证。利用文章所提方法分析初始厚度、初始孔隙比及土粒比重对自重固结性状的影响。分析表明,土体自重固结过程中的沉降固结度始终大于孔压固结度,初始厚度对孔压固结度的影响更大,初始孔隙比及土粒比重对沉降固结度的影响更大。     

粗粒料颗粒破碎三轴试验研究

随着粗粒料在高土石坝等工程中广泛应用,颗粒破碎逐渐成为粗粒料工程特性研究的一个重要方面。通过三轴颗粒破碎试验,研究了某粗粒料等压固结、峰值以及不同应力水平下的颗粒破碎规律,分析了干湿状态的影响。结果表明:等压固结颗粒破碎率与围压之间以及峰值内摩擦角与颗粒破碎率之间均呈幂函数关系;相同围压下颗粒破碎率随应力水平增加而加速增加;相同应力水平下颗粒破碎率随围压增加而增加;不同围压下的颗粒破碎率与应力水平之间可进行归一化处理;同应力状态下湿态颗粒破碎率较干态大,二者差异的决定因素为材料软化系数。同时,对以上结论进行了理论分析,提出了一个颗粒破碎的估算方法,探讨了干湿状态对颗粒破碎影响与材料软化系数之间关系。     

真空预压法的机理分析

从讨论固结概念出发,得出真空预压法的实质。它是以降低边界上(砂垫层和砂井视为加固体的边界的一部分)u值为途径,从而形成边界与土体间u(势)分布不平衡而引起固结的。当边界具有排水条件时,在总应力基本不变的条件下,u值的降低必然导致有效应力σ＇的增加。仅当σ＇增加时,才能使土体固结。从u(势)分布的不平衡直到新的平衡之全过程即为真空预压加固过程。这是一种相对提高与发挥自重有效应力的加固方法。通过试验与理论分析说明,它与堆载预压法相比在固结产生的途径、固结过程中的特征、应力路径及砂井作用等方面有差异;而相同点则是两者的固结都来源于u(势)分布的不平衡且都满足于固结微分方程。同时,论证了渗流和固结并非因果关系以及它与降水预压的相似处及其差异;然后,提出了适用于施加外荷与直接降低边界u值两情况下的固结模型;最后,对几种固结情况进行了有效应力分析。     

高土石坝的应力与变形

介绍了笔者近年来在影响土石坝应力变形计算的3个主要方面所做的工作:①剖析了邓肯E–ν和E–B模型的差异、对计算的影响、原因和适用条件,通过真三轴仪试验揭示土各向异性的一些规律,提出柔度矩阵性质来反映这些规律;②认为堆石体长期变形计算中应考虑晴雨引起的干湿循环作用,它可作为流变变形的一部分,提出了相应试验方法和计算方法;③提出两种心墙水力劈裂分析方法,一是有效应力与总应力相结合的方法,作施工期心墙的非饱和土简化固结计算,将孔隙水和气作为混合流体来建立固结方程,得出心墙的有效应力和水压力后叠加得总应力,与墙前水压力比较判别水力劈裂的发生,另一是近似反映施工期固结程度的总应力法,相应的本构模型参数用固结不排水剪试验确定。     

Dynamic behaviour and damage characteristics of loess in Xianyang,China

In engineering practice, the in situ soil layer is under different static pressures and experiences different types of dynamic loads. To determine the influence of stress state and dynamic load type on the dynamic characteristics of, and damage evolution in, saturated loess, consolidated-undrained dynamic triaxial tests were conducted on samples subjected to different confining pressures and consolidation stress ratios. During the test, rectangular wave and sine wave were selected as types of applied dynamic load. Results show that samples with good consolidation effect, and loaded by the sine wave, exhibit relatively high strength. The deformation of the samples is influenced by their initial consolidation state and the value of dynamic stress: the better the consolidation effect of samples and the lower the applied dynamic stress, the smaller the strain difference therein; with the increase of dynamic stress, greater strain occurs in samples loaded by a rectangular wave. The influence of waveforms on the initial dynamic elastic modulus changed with the stress state: this was significantly affected by application of sine wave loading (low confining pressure, low consolidation stress ratio), significantly affected by application of rectangular wave loading (low confining pressure, high consolidation stress ratio), and slightly affected by waveforms (high confining pressure). The instantaneous application of rectangular wave load can cause consolidated samples to be strengthened in the early test stage, while damage developed rapidly with the proceeding of loading process.

     

真空堆载预压联合电渗竖向排水地基非线性固结解析解

基于等应变假设,采用非线性渗透及压缩模型,考虑真空度沿深度线性衰减以及随指数时间增加、附加应力随深度线性减小、有效电压随时间指数衰减特征,推导瞬时加载、单级加载和多级加载方式下的真空堆载预压联合电渗竖向排水地基非线性固结解析解.通过与现有文献中的试验和数值结果对比,验证推导的解析理论的正确性.在此基础上,利用该解对真空...