考虑黏土–结构接触变形的剪切–渗流耦合试验

针对高黏土心墙坝岸坡部位接触黏土与混凝土基座接触面的剪切渗流问题,研制了一整套可用于开展黏土与结构接触剪切力学特性和渗流特性研究的剪切–渗流耦合试验系统。该系统可实现接触面的大剪切变形,控制剪切变形与渗流方向正交,自动获取接触面力学特性与渗透特性的演化过程。通过开展接触黏土渗透试验及接触黏土–结构接触面力学特性试验,验证了该试验系统的可靠性。对某高心墙土石坝接触黏土料开展剪切–渗流耦合试验,结果表明：在低正应力下,试样整体渗透系数随剪切变形的增大先减小后增大,最后趋于稳定;在高正应力下,整体渗透系数随剪切变形的增大而不断减小并快速趋于稳定;探讨了不同正应力下土体剪胀性对接触黏土–结构接触面渗透性的影响机制。提出了结构粗糙度对接触面的渗透特性的影响有待进一步研究。     

压实黏土拉压组合三轴试验和扩展邓肯张模型

采用研制的卧式三轴拉压试验仪对糯扎渡和双江口心墙堆石坝心墙土料进行了常规三轴压缩试验、三轴拉伸(伸长)试验和三轴压缩–拉伸组合试验。根据试验结果,研究了压实黏土在三轴压缩、拉伸以及从压缩到反向拉伸状态下的应力应变特性。在此基础上,对邓肯张EB模型的应用范围进行了扩展,扩展后的模型可描述压实黏土从压缩到反向拉伸过程的变形特性,可用于进行土体张拉裂缝扩展问题的模拟计算。     

压–剪耦合条件下黏土渗透特性的试验研究EI北大核心CSCD

利用一种新研制的土体扭转剪切渗透试验装置,研究黏土在压–剪耦合条件下渗透特性的变化规律。结果表明,当前固结压力与前期固结压力的相对大小决定着黏土剪切变形前后渗透系数和渗透稳定性的变化趋势。当固结压力大于试样的前期固结压力时,剪切面在剪切过程中发生压紧现象,没有产生明显的渗透弱面,试样总体渗透系数随着剪应变的发展略有减小。当固结压力小于试样的前期固结压力时,试样处于超固结状态,剪切面在剪切过程中逐渐发生剪胀破裂从而出现渗透弱面;在稳定渗流条件下渗透弱面具有自愈特性,但是自愈后的渗透系数显著增大。高固结压力下的正常固结试样剪切后的渗透稳定性没有显著变化。低固结压力下的超固结试样的渗透稳定性显著降低,其渗透破坏的形式为水头骤升条件下的水压楔劈效应将渗透弱面劈裂,进而产生裂缝冲刷破坏。     

压–剪耦合条件下黏土渗透特性的试验研究

利用一种新研制的土体扭转剪切渗透试验装置,研究黏土在压–剪耦合条件下渗透特性的变化规律。结果表明,当前固结压力与前期固结压力的相对大小决定着黏土剪切变形前后渗透系数和渗透稳定性的变化趋势。当固结压力大于试样的前期固结压力时,剪切面在剪切过程中发生压紧现象,没有产生明显的渗透弱面,试样总体渗透系数随着剪应变的发展略有减小。当固结压力小于试样的前期固结压力时,试样处于超固结状态,剪切面在剪切过程中逐渐发生剪胀破裂从而出现渗透弱面;在稳定渗流条件下渗透弱面具有自愈特性,但是自愈后的渗透系数显著增大。高固结压力下的正常固结试样剪切后的渗透稳定性没有显著变化。低固结压力下的超固结试样的渗透稳定性显著降低,其渗透破坏的形式为水头骤升条件下的水压楔劈效应将渗透弱面劈裂,进而产生裂缝冲刷破坏。     

基于非Darcy渗流的饱和黏土一维非线性固结分析

在考虑土体变形非线性的基础上,引入描述非Darcy渗流的Hansbo方程,修正饱和黏土一维固结方程,并采用有限差分法对该方程进行求解。通过与Davis和Raymond一维非线性固结理论解析解的对比,证明本文数值方法的有效性。在此基础上,探讨土体非Darcy渗流参数、压缩指数以及地面荷载值对固结过程的影响。计算结果表明,非Darcy渗流延缓饱和黏土中孔隙水压的消散速率和地基沉降速率,且随着压缩指数与渗透指数之比c或非Darcy渗流参数m和i1的增大,孔压消散速率和地基沉降速率都变慢,即不考虑渗流非Darcy特性的固结分析将会高估孔压消散速率和地基沉降速率,而地面荷载对固结进程的影响则与固结时间和压缩指数与渗透指数的比值有关。     

特高心墙坝岸坡接触黏土层变形特性离心模型试验研究

通过4组特高心墙坝岸坡接触黏土层离心模型试验,分析了岸坡不同位置处接触黏土与心墙在坝体填筑加载过程中的变形,以及变形在竣工后的发展情况。试验结果表明：接触黏土层与岸坡、心墙土体之间的相对变形较小,没有分离现象,变形协调性较好;上覆荷载引起接触黏土产生垂直岸坡的压缩变形和平行岸坡的剪切变形,压缩和剪切变形均随荷载对数线性增加,接触黏土始终处于压剪状态;变形随荷载的发展程度,在坝基坡度较缓时较小,坝基坡度较陡时较大,在坝基坡度变化处则介于两者之间;接触黏土层的变形在竣工后渐趋稳定。     

基于大变形的未打穿砂井固结理论研究

 吹填土往往具有含水率高、初始孔隙比大、压缩性大等特点,加固过程中渗透系数、压缩系数及渗流路径都会发生较大变化,加固过程中砂井以下土体在砂井排水通道和真空压力下也会发生固结。基于大变形固结理论,在流动柱体坐标系下,通过建立渗流连续方程,进而推导了能够同时考虑砂井加固层及下卧土层的未打穿砂井大变形固结控制方程,并采用有限差分方法对建立的方程进行了求解。结合黏土渗透压缩模型,利用研究成果对一吹填地基浅层加固工程进行了分析,计算结果与实测结果吻合较好,证明了计算方法的可行性。     

软土结构性对土体力学特性的影响

天然软土大多具有结构性,对天津附近软土进行了高压固结试验,探讨了软土结构性对土体力学特性、压缩曲线和土体变形的影响。结果表明:在相同固结压力下,重塑土的竖向变形量大于原状土的竖向变形量,原状土的先期固结压力大于重塑土的先期固结压力,原状土的压缩模量大于重塑土的压缩模量,原状土的压缩系数小于重塑土的压缩系数,压缩模量、压缩系数和固结压力均满足乘幂关系。该软土的灵敏度为5,按土的结构性分类等级为灵敏。     

土体固结蠕变模型的有限元分析及工程应用

根据土体的Biot固结有限元方程和修正的Burgers蠕变方程,推导土体非线性弹性黏性固结蠕变有限元方程。利用有限元方程对某软黏土地基固结和蠕变耦合问题进行了分析。该软黏土地基竖向和水平向位移随时间的变化规律是:软黏土地基竖向和水平向位移在加载阶段增加较多,在加载结束后很长一段时间内,还有一定的发展,但增加比较平缓,至后期基本上趋于稳定。反映软黏土蠕变作用的影响较明显。随着深度的增加,软黏土地基超静孔隙水压力消散得越来越慢;随着时间的增加,超静孔隙水压力呈下降的趋势,等加载完毕后,超静孔隙水压力慢慢消散,最后基本消散为零。但加载期间超静孔隙水压力消散得慢,加载间歇时间段内超静孔隙水压力消散得快。工程例子表明,土体固结蠕变有限元方程可以用于软黏土地基变形分析,其变形计算结果符合实测情况。     

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。     

Experimental investigation of interfacial erosion on culvert-soil interface in earth dams

The erosion of soil particles within a dam, by water that seeps through the dam, is one of the most common causes of failure in levees and earth dams. This phenomenon can be more complex and dangerous when interacting with internally affiliated structures, such as water-supply culverts, due to the potential development of seepage channels through the weak interfaces. However, the erosion in this particular case has not been thoroughly investigated. In this paper, therefore, a seepage apparatus is designed to simulate and investigate the progressive failure mechanism of interfacial erosion on the culvert-soil interface of earth dams. This further leads to a detailed investigation of the threshold and failure hydraulic gradients of interfacial erosion by accounting for the influence of two critical geotechnical factors, i.e., the degree of compaction and the clay content. Furthermore, numerical analyses are carried out to reproduce the seepage-induced interface stress-displacement behaviour, as a supplement to the experimental investigations. Finally, emphasis is placed on studying the protective effects of two typical mitigation measures (the filter layer and impermeable rings) against interfacial erosion. The main conclusions can be drawn as follows: (1) The interfacial erosion in the unprotected cases shows a three-stage progressive failure as the hydraulic gradient increases, i.e., the stable, transition and failure stages, while that of the protected cases shows a four-stage failure, i.e., the stable, transition, hardening and failure stages. (2) The threshold and failure hydraulic gradients of interfacial erosion are found to be in the ranges of 0.771–1.467 and 0.974–1.994, respectively, for the investigated cases. (3) The critical hydraulic gradients are seen to be in a nonlinear relation with the degree of compaction or the clay content. (4) The experimental results show the effective protective effects of employing the two mitigation measures against interfacial erosion by blocking the formed seepage channels. The research provides critical references for the safety assessment of embankment dams when considering interfacial erosion failures at culvert-soil interfaces.     

高孔岩石中局部变形带的理论 和形成条件研究进展

 近几年在野外和实验室都发现高孔隙岩石中局部化变形的压缩带、剪切带和膨胀带,是目前岩石力学、岩石物理和本构模型研究的热点之一。基于局部变形带在水利、石油、核废料处置、垃圾处理、环境污染的治理和地质构造、工程地质和岩土工程中的实际意义,介绍以局部化分岔理论为基础的多孔岩石的压缩带、剪切带的理论、形成条件和判别条件,以及与压缩带、剪切带和膨胀带相应的临界硬化模量。基于帽子模型,介绍椭圆形屈服帽上的压缩和剪切带,以及它们与s-e曲线之间的密切关系。在低围压下的s-e曲线上的第一个零模量点也就是应力平台对应于压缩带,即为帽子模型的体积屈服面;继续加载使s-e曲线继续上升到标本产生硬化,直到s-e曲线上出现第二个零模量点,也就是s-e曲线的峰值对应于剪切破坏,此时应力状态处于帽子模型的剪切屈服面上。同时还给出大量不同颗粒尺寸、不同孔隙度砂岩轴对称压缩试验结果,它们也可用1/4椭圆帽子模型来描述。     

水泥砾质土渗透特性试验研究

为研究水泥砾质土渗透特性,改进了常规三轴试验装置,并在该装置上进行了水泥砾质土三轴渗透试验,分析了水泥掺入比、掺砾量、压实度和渗透压对水泥砾质土渗透特性的影响。研究结果表明:水泥砾质土的抗渗性能随水泥掺入比的增加而得到较大幅度的提高;当掺砾量在30%~50%范围时,水泥砾质土的渗透系数在10~(-7) cm/s数量级,且满足土石坝心墙抗渗要求;相同掺砾量下,水泥砾质土渗透系数随着压实度的增加而降低,尤其是压实度≥98%时,其抗渗性能得到大幅度提高;在相同应力状态下,水泥砾质土渗透系数k_(20)与渗透压力比P(渗透压力p/大气压力pa)符合双曲线模型,且该双曲线可转换成P/k_(20)与渗透压力比P之间的线性关系。该研究成果为水泥砾质土应用于高土石坝心墙提供科学支撑。     

不同竖向应力和剪切位移下砂砾石与砂双层土渗透试验

目前很多高土石坝直接坐落在覆盖层上,修建坝体后,会使坝基覆盖层产生较大的应力和剪切位移,对覆盖层的渗透稳定有极大的影响。因此有必要开展考虑应力和剪切位移影响的坝基覆盖层渗透特性试验研究。利用粗粒土大型高压水平渗透仪,考虑竖向应力和剪切位移的影响,对砂砾石和砂双层土进行渗透试验研究,探讨了砂砾石和砂双层土试样的渗透性和抗渗坡降随竖向应力和剪切位移的变化规律,将渗透破坏的发生和发展分为稳定、过渡和破坏三个阶段。试验结果表明:随着竖向应力的增大,砂砾石和砂双层土的渗透系数逐渐减小,而细颗粒的启动坡降和试样的破坏坡降则逐渐增大。随着剪切位移的增大,砂砾石和砂双层土的整体渗透系数先减小后增大,破坏坡降先增大,后迅速减小。无剪切位移以及剪切位移较小时,细颗粒的启动坡降和试样的破坏坡降之间的过渡阶段较长;而发生大的剪切位移后,启动坡降和破坏坡降之间的过渡阶段大大缩短,达到启动坡降后很快就会出现渗透破坏。     

坝肩变坡引起心墙裂缝和水力劈裂的离心模型试验研究

受地形条件的制约,坝肩变坡在土石坝工程中经常出现。坝肩变坡不但会引起心墙裂缝,还会影响坝体的抗水力劈裂能力。结合某高心墙堆石坝工程,进行了相关离心模型试验研究,并对结果进行了计算分析。结果表明：坝肩变坡会使心墙产生不均匀沉降,发生横向裂缝;压实度影响着心墙的不均匀沉降程度,制约着横向裂缝的形态;存在坝肩变坡的心墙在固结中会形成局部低应力区,快速蓄水时有发生水力劈裂的可能。     

土石坝漫顶溃坝过程离心模型试验与数值模拟

利用溃坝离心模型试验系统,分别对3种不同坝高均质土石坝（最大坝高达32.0 m）及坝高为16.0 m的黏土心墙坝开展了漫顶溃坝试验研究,清楚地揭示了其溃决机理、溃口发展规律。结果发现,对于均质土石坝,随着坝高的增加,溃口的纵向下切与溃口边坡的失稳坍塌速度明显加快,溃口流量过程线更为陡峭,峰值流量增大,且峰值流量出现时间更早,溃坝历时更短;黏土心墙坝与均质坝溃决机理与溃口发展规律明显不同,随着漫坝水流对下游坝壳冲蚀程度的增加,黏土心墙发生剪断破坏,溃口洪水流量迅速增大。基于上述试验结果,分别提出了描述均质土石坝和黏土心墙坝溃坝过程和计算溃坝洪水流量过程的数学模型,并建议了相应的数值计算方法。数值模拟与试验结果的对比证明了建议溃坝数学模型的合理性。     

Pore Water Pressure Measurements in the Interpretation of the Hydraulic Behaviour of Two Earth Dams

The paper describes and interprets watertightness problems that occurred in two Italian earth dams: the Polverina Dam, a zoned earth dam with vertical clay core, and the Zoccolo Dam, a homogeneous embankment with upstream facing of bituminous conglomerate. Measurements of seepage flows, pore water pressures and displacements in different stages of the dams' lifetime were collected and suitably interpreted to detect the effectiveness of measured physical quantities in revealing watertightness problems. The paper focuses on the role of pore water pressure measurements to such a scope and enhances how the effectiveness of such measurements may be strongly affected by the particular stage reached by the consolidation process within the dam. The analysis of the two case-studies proved that pore water pressure measurements may result effective in revealing hydraulic problems only when significant re-equilibrium processes have taken place in the dam zones where the measurement points are located. Measurements result, instead, ineffective during a nearly undrained stage. The paper also discusses the effectiveness of seepage flow measurements to detect possible hydraulic problems.     

三轴冲击荷载作用下红黏土的力学性状

 利用室内动三轴试验系统来研究冲击荷载作用下红黏土的变形和强度特性,包括重塑土样在不同冲击应力、不同围压、不同冲击次数下的试验。研究结果表明,经受过冲击荷载作用的土样的应力–应变关系曲线一般随冲击次数的增加而升高,即表现为强度的增大;随围压的增大,通过增加冲击次数而提高土样抗剪强度的效果更为明显,亦即在实际工程中,增加每个夯点的夯击次数对加固深层地基土的效果更为显著;在试验围压范围内,随冲击应力增大,土样的强度值相应增大。     

悬挂式防渗墙防渗效果的模拟试验研究

 在实验室渗流槽中进行有悬挂式防渗墙的二元结构堤基的渗流模拟试验,取得不同贯入度悬挂式防渗墙防渗效果的系列试验成果。论证悬挂式防渗墙对上层为低液限黏土、下层为低液限粉土的二元堤基在发生渗透变形时有阻滞渗透变形发展的重要作用。对于上部为粉质黏土,下部为粉土的二元结构堤基,发生渗透变形时首先在粉土层的薄弱部位发生涌砂,接着在粉质黏土层与粉土层的结合层面发生接触冲刷,在水位持续升高到超过临界水位后,渗透通道从下游向上游发展而贯通,即发生渗透破坏。同时,研究发现,在悬挂式防渗墙作用下,堤基土发生渗透破坏的条件有明显改善,表现在渗透破坏时的作用水头有较大的增长,临界表观水力梯度有明显提高,渗流量显著减小,孔隙水压力分布发生变化。研究结果表明,悬挂式防渗墙可以有效控制渗透破坏的发生条件,而且施工相对容易,也比较经济合理,可以在工程中推广应用。     

Three-dimensional drained behavior of normally consolidated anisotropic kaolin clay

A series of consolidated-drained true triaxial tests with a constant mean effective stress and constant Lode angles during shear is performed on cross-anisotropic kaolin clay. All tests are performed in a fully automated true triaxial testing apparatus. The relative magnitude of the intermediate principal stress, expressed in terms of the b-value, and initial cross-anisotropy show significant influence on the stress–strain, strength, and shear band formation characteristics of the clay. Shear bands form and appear to cause failure in all true triaxial tests performed, except in triaxial compression. The initiation and development of shear bands is observed to take place, when the clay undergoes volumetric contraction. The lower strength exhibited in the shear bands is caused by alignment of the clay particles. This shear band mechanism is different from that observed in granular materials, in which the lower shear strength is reached due to dilation in the shear bands.