湿载耦合作用下黄土结构性损伤演化及本构关系

 针对增湿、加荷作用下黄土结构性损伤演化的变形问题,通过压缩变形特性和三轴剪切变形特性,分析黄土结构性损伤的宏观力学反映。分析结果表明,土的含水量增加、固结压力增大和剪切作用均会引起黄土的结构性损伤。随着含水量的增大,压缩作用损伤和剪切作用损伤更加突出;固结压力较大时,压剪作用对土原生结构破损更突出,其次生结构和剪缩性增强。将结构性损伤土视为原状结构体和完全损伤体的复合体,综合应用应力比损伤方程和应变损伤方程,在比较原状土与饱和重塑土应力比建立结构性参数的基础上,建立黄土的结构性损伤演化方程;在原状结构体服从弹性定律、完全损伤体服从修正剑桥模型的基础上,从结构性损伤土变形为原状结构体弹性变形和完全损伤体弹塑性变形叠加出发,建立结构性土的损伤弹塑性本构方程。同时,比较分析不同湿度黄土试验测试的应力–应变曲线和损伤弹塑性本构方程描述的理论曲线,两者比较一致,验证了该本构关系的合理性。     

考虑黄土结构性变化的地基增湿压缩变形分析

通过湿陷性黄土的侧限压缩试验,按照损伤力学复合体理论,研究了压缩应力应变曲线及其切线压缩模量的变化规律,提出了能够考虑加载及增湿耦合作用的结构损伤比,并在考虑实际地基浸水和附加应力变化的耦合作用下,建立了切线压缩模量随含水量和附加应力连续变化的函数。发现切线压缩模量随压应力的增大而减小,随含水量的升高而降低;压缩应力和增湿作用下的结构损伤性较压硬性更加突出,加荷和增湿作用过程就是黄土结构的损伤过程。基于黄土的结构损伤比,给出了地基土压缩模量随含水量和压缩应力连续变化的函数,提出的地基沉降验算方法是评价湿陷性黄土地基可能湿陷量的一条有效途径。     

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。     

非饱和结构性黄土双轴湿陷试验的离散元分析

为了分析结构性黄土在复杂应力路径(非侧限压缩路径)下浸水和加荷的次序对黄土湿陷变形的影响以及探讨黄土在双轴剪切和浸水时粒间胶结破坏行为,本文应用分层欠压法制备出非饱和结构性黄土离散元试样,进行了单线法(不同增湿路径:一次增湿、逐步增湿)和双线法双轴数值湿陷试验。结果表明:单线法在某偏应力水平下浸水所得轴向湿陷应变大于双线法;当增湿偏应力大于增湿后试样的强度时会产生湿陷破坏。逐步增湿引起的体积变形小于一次增湿试验;逐步增湿比一次增湿胶结破坏点数量少。     

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。     

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。     

考虑结构性影响的原状黄土等效线性模型

对不同含水率的西安原状黄土及相同干密度的扰动饱和黄土进行动三轴试验,用同一动应变下原状黄土的割线模量Edy与扰动饱和黄土的割线模量Edrs之比值定义了动三轴应力条件下结构性参数mεd,它可以综合反映土的排列和胶结特征所表现出的综合结构势(结构性强弱),探讨了动荷作用过程中不同固结围压及含水率下结构性参数变化特性。研究结果表明:①结构性参数可以反映含水率、固结围压对动三轴应力条件下原状黄土结构性的影响,具有很好的合理性、灵敏性、稳定性。用此结构性参数随含水率、固结围压的增大而减小的特性可以合理地解释原状黄土的动应力应变特性;②结构性参数的变化量mεd0?mεd与动应变εd关系可以用双曲线来拟合(mεd0为初始结构性参数),由此所得到的结构性参数表达式可以反映固结围压、湿度、密度、动应力和动应变对结构性的影响;③在扰动饱和土的等效线性模型中引入结构性参数所得到的原状黄土等效线性模型能够考虑增湿、加荷对原状黄土结构性的影响,计算结果与试验结果之间吻合较好。     

结构性黄土的本构模型

天然沉积黄土具有结构性，因为其在结构破坏前后表现出非常不同的力学特性。为了真实地反映黄土的结构性、湿陷变形特性，在室内试验的基础上，应用充分扰动饱和粘土的稳定孔隙比和稳定状态原理，根据不可逆变形由团块之向滑移和团块破碎机理所引起的概念及土体损伤演化定律，建立了非饱和黄土的屈服函数和损伤函数，得到了非饱和原状结构性黄土的结构性数学模型。该模型能够模拟加载及其他力学特性，且物理意义明确，数值计算结果与试验结果吻合很好。     

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。     

三轴应力状态下不同湿度原状黄土的结构性定量化参数

通过对黄土结构性研究现状的分析，对与原状样干密度相同的扰动饱和土施加荷载来实现破坏结构性的目的，以三轴试验得到的原状黄土以及扰动饱和黄土的应力-应变曲线为基础，用一个定量化结构性参数综合反映土的排列和胶结特征所表现出的综合结构势（结构性强弱），探讨不同围压及含水量下结构性参数在剪切过程中的变化特性。研究结果表明：（1）定义的结构性参数能够反映围压、含水量对原状黄土剪切过程中结构性的影响，具有很好的合理性、灵敏性和稳定性：（2）结构性参数随着含水量的增大而减小，低应变时含水量对结构性的影响很明显，这种影响随着应变增大而逐渐减弱；（3）初始加荷和试样破坏时，结构性参数随着围压的增大而减小，应变达到15％时，结构性参数随着围压的增大呈先增大后减小的趋势。     

黄土塬非饱和黄土增湿变形特性及结构性研究

为了研究黄土塬地区非饱和黄土增湿变形特性及其与结构性的关系,选取庆阳市西峰区某建筑场地土样,对其进行了不同含水率下的黄土固结试验研究,讨论了湿陷系数与压力、初始含水率及初始结构强度的关系。结果表明:不同浸水压力作用下,湿陷系数随初始含水率的增大基本呈现递减趋势;高压力处增湿湿陷性强,低压力处增湿湿陷性弱;黄土结构强度随初始含水率的增大呈降低趋势,且在含水率增大初期,黄土结构强度降低速率较大,后期速率减缓;黄土湿陷前后土体的微结构发生了明显变化,形成了较稳定的次生结构。     

Stress-strain relationship with soil structural parameters of collapse loess

Through the tri-axial shearing tests of unsaturated intact loess and based on the concept of comprehensive soil structural potential, this paper reveals the changing laws of soil structural property under the tri-axial stress conditions and establishes a mathematical expression equation of structural parameters, whereby reflecting the effects of unsaturated loess water content, stress and strain states, which is introduced into the shearing stress and shearing strain relation to obtain the structural stress-strain relation. The tests reveal that the loess dilatancy is of shearing contraction and shearing expansion, whereby indicating that there is a good linear relation between the stress ratio and shearing expansion strain ratio. The larger consolidation confining pressure is, the larger the stress of shearing contraction and expansion critical point is; and the larger water content is, the smaller the strain ratio of shearing contraction and expansion critical point is. Finally, the constitutive model is established to reflect the variation in loess structure, stress-strain softening and hardening, and shearing contraction and shearing expansion features. Through the comparative analysis, the stress-strain curves described by the constitutive relationship are found to be in good conformity with test results, whereby testing the rationality of the model in this paper.     

Stress-strain relationship with soil structural parameters of collapse loess

Through the tri-axial shearing tests of unsaturated intact loess and based on the concept of comprehensive soil structural potential, this paper reveals the changing laws of soil structural property under the tri-axial stress conditions and establishes a mathematical expression equation of structural parameters, whereby reflecting the effects of unsaturated loess water content, stress and strain states, which is introduced into the shearing stress and shearing strain relation to obtain the structural stress-strain relation. The tests reveal that the loess dilatancy is of shearing contraction and shearing expansion, whereby indicating that there is a good linear relation between the stress ratio and shearing expansion strain ratio. The larger consolidation confining pressure is, the larger the stress of shearing contraction and expansion critical point is; and the larger water content is, the smaller the strain ratio of shearing contraction and expansion critical point is. Finally, the constitutive model is established to reflect the variation in loess structure, stress-strain softening and hardening, and shearing contraction and shearing expansion features. Through the comparative analysis, the stress-strain curves described by the constitutive relationship are found to be in good conformity with test results, whereby testing the rationality of the model in this paper.     

黄土弹塑性损伤本构模型

 通过对黄土在加载和增湿作用下能量的耗散和转换过程,以及黄土结构在加载和增湿作用下的破损规律分析,提出了黄土的增湿损伤变量的定义,并给出用与含水量或饱和度有关的增湿损伤的等效能量指标来描述增湿损伤的演化过程。参照J. C. Simo提出能量指标概念,提出黄土的加载损伤的能量指标,并通过黄土加载过程中的结构破坏过程、力学和强度指标的劣化分析,提出黄土的加载损伤演化方程。对黄土的常规三轴试验和压缩试验分析,提出符合相关联流动法则的以塑性功为硬化参数的椭圆形塑性加载函数。通过提出的塑性加载函数、加载损伤演化方程和增湿损伤演化方程,根据损伤力学和塑性力学理论推导出黄土弹塑性损伤本构关系,建立黄土的弹塑性损伤本构模型。     

原状黄土的结构性强度特性及其在黄土隧道围岩压力分析中的应用

依据原状黄土的应力应变变化规律及其抗剪强度随结构性参数的变化规律,揭示了黄土结构性与强度之间的内在联系,表明结构性是黄土强度的控制因素,结构性参数比与黄土的强度比符合简单的正比关系,即结构性越强,土的强度也越高。黏聚力随结构性参数的变化呈双曲线形态,而内摩擦角基本不变。当土的结构完全破损时,黏聚力趋于0,与饱和正常固结土相似。并将抗剪强度随结构性变化的关系引入了黄土隧道力学特性的分析中,指出黄土隧道在开挖和支护过程中,对围岩结构性破坏越大,围岩稳定所需的支护力或塑性区的范围将越大。     

结构性黄土湿压屈服损伤特性试验研究

通过侧限压缩试验系统研究了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。针对利用饱和重塑土模拟正常固结土性质的不足,介绍一种制备正常固结土的方法。结合原状黄土及正常固结黄土压缩曲线提出一种确定原状黄土结构屈服压力的新方法,该方法具有作图简便、精度较高等特点;并指出原状黄土结构屈服压力随着含水量的增大而降低,其与含水量的关系可以近似用幂函数进行拟合。同时确定出原状黄土结构屈服临界点,并指出原状黄土结构稳态线(SSL)的相对位置。最后,根据原状黄土压缩曲线、结构稳态压缩线(SSL)及正常固结线(NCL)的相对位置,结合损伤力学思想,提出原状黄土结构变形损伤比的表达式,为评价黄土地基的湿陷变形量提供一条较为可行的途径。