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。     

深部黏土渗透特性试验研究

龙固矿区深部黏土层由于深埋藏、高应力和固结时间长,所以其结构和物理力学性质与浅层黏土有所差异。为研究深部黏土的渗透特性,利用改装后的 SJ-1A.G 三轴剪力仪对龙固矿区第三系黏土进行室内渗透试验。首先研究了渗透系数与轴向应力的关系曲线,通过回归分析法拟合出渗透系数关于轴向应力的函数,总结了深部黏土和浅层黏土在回归系数上的差别;然后进一步研究了深部黏土渗透的各向异性和内在原因;最后得出渗透系数与轴向应变的关系曲线,深部黏土与浅层黏土的区别在于深部黏土没有小斜率延伸段。原因在于高应力下,浅层黏土明显屈服,发生塑性流变;深部黏土屈服不明显,而是发育微裂隙。该研究对深厚覆盖层矿井和深基坑防治水的设计有指导意义。     

降压回灌作用下黏土的渗透特性试验研究

为控制深基坑降水和承压水降压引起的土体沉降问题,通常采用坑外回灌措施,而软黏土渗透特性在抽水回灌过程中出现的变化会影响回灌效果和土体变形特性。采用GDS三轴试验仪对上海黏土土样进行室内降压回灌模拟试验,研究降压回灌的渗流作用对黏土渗透特性的影响规律。试验通过设置围压和初始孔压来控制土样应力水平,利用反压变化模拟孔隙水的降压和回灌过程,测试土样的渗流变化与变形,从而分析土样孔隙比、渗透系数等参数的变化规律。研究发现,渗透系数在降压阶段因孔隙比减小而降低,并存在非线性关系;土体孔隙比在回灌阶段逐渐增大,但渗透系数因堵塞效应而呈现进一步降低趋势;可用e–lgk拟合曲线建立孔隙比与渗透系数之间的非线性关系。     

应力–渗流耦合下砂岩力学行为与渗透特性试验研究

采用全自动三轴渗流实验系统,进行无水与排水条件下砂岩应力–渗流耦合试验,得到砂岩变形全过程应力–应变及渗透率演化曲线,较好地表征了应力–渗流耦合下砂岩力学行为与渗透率演化响应特征,同时获得了应力–渗流耦合下砂岩的变形、强度及渗透率演化规律。研究结果表明:(1)砂岩峰值强度随着围压增大而不断增大,围压效应显著;无水条件下,砂岩峰值强度对应的轴向应变变化规律与强度演化特征呈现出明显的对应关系。其轴向变形与围压的关系较好地符合指数函数非线性增长模型,而排水条件下的砂岩轴向变形与有效围压的关系较好地符合线性衰减模型;(2)砂岩峰前渗透率呈现出缓慢降低→平稳发展→急剧增加的三阶段演化规律,与砂岩峰前应力–应变曲线初始微裂纹压密、线弹性变形及新生裂纹扩展阶段三阶段变形具有对应关系;(3)不同工况下的砂岩变形全过程渗透率呈现出降低→急剧增加→稳定发展或略微增大的三阶段演化规律,与砂岩变形全过程体积压缩→体积快速膨胀→体积缓慢膨胀三阶段变形具有对应关系。研究结论可为煤矿突水事故防治及巷道围岩稳定控制提供一定的理论依据。     

压实黏土剪切带渗透特性试验研究

针对中国在建和拟建的300m级高堆石坝心墙黏土(尤其是接触黏土)在大剪切变形、高水头作用下渗透安全性评价的重大需求,采用新研发的土体环剪渗透试验装置对某高堆石坝心墙黏土进行了系列竖向压缩—环向剪切—径向渗流试验,测定了不同压实密度的黏土剪切带在不同竖向压力下导水系数随剪切位移的变化过程,揭示了压实黏土在大剪切变形过程中渗透特性的演化规律、内在机理及影响因素。在高竖向压力下,剪切带在剪切过程中被压缩得更密实,其导水系数在剪切过程中并不增大,剪切带在经历大剪切变形后仍具有良好的抵抗渗流的能力。在低竖向压力下,剪切带内土体破碎、错动、形成空隙,从而导致其导水系数急剧增大。对于所用的黏土,压实过程导致的前期固结压力可以粗略作为判别产生剪切渗漏带的门槛应力值。超固结的压实黏土易产生剪切渗漏带的试验发现,比目前传统的水力劈裂假设可以更好地解释和判别坝体中集中渗漏发生的条件及部位。     

热–水–力耦合条件下深部砂岩冲击动力学特性试验研究

为探究"三高一扰动"特殊环境下切顶卸压无煤柱自成巷顶板砂岩切缝的动态力学性能,利用自主设计的岩土体动态冲击力学试验系统,对粉砂岩进行不同热–水–力耦合条件下的冲击压缩试验,研究动态应力–应变特征、动变形模量与加载率关系、以及加载率、轴压、围压、渗透水压、温度、吸收能与峰值应力和峰值应变的动态力学性能,利用扫描电镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)研究粉砂岩试样断口面微观结构。研究结果表明:(1)在不同的动荷载作用下,粉砂岩试样的峰值应力和峰值应变均随轴压、围压、渗透水压、温度的升高而不断增大,脆性逐渐减弱而延性逐渐增强,变形破坏总体分为压密、弹性变形、塑性变形和破坏4个阶段;(2)动变形模量随着加载率的增大呈现出先增大后减小的发展趋势,动变形模量136GPa左右为一个临界阈值;(3)轴压、围压、水和温度对砂岩在热–水–力耦合特定环境下的动态冲击力学性能具有一定的增强效应;(4)随着峰值应变的增加,粉砂岩试样的吸收能呈线性增加趋势,其破碎变形与吸收能呈正相关。     

围压对黏土动力特性影响的试验研究

以某工程场地黏土为研究对象,结合工程实际,考虑不同固结围压对黏土动力特性的影响。通过循环振动三轴试验,对黏土在选定的5组固结围压状态下表现出来的动力特性进行研究,得出固结围压的变化对其产生的影响。在研究的固结围压范围内,固结围压对黏土最大动剪模量的影响显著,随围压的增大呈幂指数增长;对动剪模量比曲线与阻尼比曲线的影响均较小,简化起见,将其分别作归一化处理。数据处理过程中引入Darendeli M B等的研究成果,对试验成果进行统计回归分析,得到Gd/Gdmax-γd关系曲线的归一化表达式,间接得到了λd-γd归一化表达式。     

压剪作用下混凝土抗剪强度的试验研究

混凝土构件的侧压力可以极大地提高其抗剪强度。但是,由于缺乏试验数据,这种效应在实际构件的抗剪设计以及数值模拟中常被忽略,导致其真实抗剪强度被低估。针对以上问题,本文给出了一种基于标准立方体试块的二维压剪试验方法,并对6种常用混凝土进行了加载试验,研究了不同标号、不同侧压力下混凝土的抗剪强度。基于试验结果,提出了一种能准确反映侧压力影响且形式简单的混凝土抗剪屈服面模型,并通过与其他方法的对比验证了其有效性。研究成果可为预应力混凝土构件的抗剪设计、数值模拟提供参考和依据,具有较强的理论和工程实用价值。     

砂岩拉–剪力学特性试验研究

岩体工程开挖和河谷下切均将致使岩体应力沿一个或多个方向卸荷,造成岩体应力场重分布。这种卸荷常造成岩体承受拉剪应力,使得卸荷岩体的破坏呈现明显张性特征。然而由于试验技术的限制,在法向拉应力作用下岩石剪切力学行为的试验研究仍非常困难。笔者研发了拉伸–双面剪切试验装置,可直接在常规微机控制伺服直剪试验机上进行试验(将法向压应力转换成拉应力)。采用此装置,开展了砂岩的拉剪试验,结果表明:拉–剪应力作用下岩石剪应力–剪位移曲线峰前仅出现初始非线性段和线性变形两个阶段(即没有峰前的屈服段);砂岩抗剪强度和剪切刚度随法向拉应力的增大逐渐减小;Hoek-Brown准则比Mohr-Coulomb准则能更好的描述砂岩在拉剪应力下的强度特征;随着法向拉应力的增大,岩样破裂面张性特征越突出且形状更为平直。     

不同温度下饱和黏土抗剪强度试验研究

通过开展不同温度下土的三轴剪切试验,获得了不同围压、不同温度下饱和黏土的应力-应变特性曲线,分析了温度对饱和黏土强度特性的影响,讨论了三轴抗剪强度与温度、围压的关系。结果表明:不同温度和围压下试样的剪切曲线均呈现较为明显的温度硬化形态;随温度的升高,黏性土的c,φ值均有所减小,土的强度降低;软黏土抗剪强度的温度效应与试样所受的围压有一定的关系,围压越大其温度效应越明显。     

主应力轴循环旋转条件下重塑黏土变形特性试验研究

通过一组重塑黏土的循环扭剪试验对主应力轴单纯循环旋转条件下重塑黏土的不排水变形特性进行研究,试验中考虑中主应力系数、剪应力水平以及固结方式等的影响。试验结果表明即使在剪应力水平很低(q/p=0.033)的条件下,主应力轴单纯旋转也会引起重塑黏土显著的孔压累积。随着循环次数的增加不排水条件下重塑黏土会因为变形的迅速发展而破坏。中主应力系数对变形发展规律有较大影响,对孔压累积的影响相对不显著,相同剪应力水平下b=1时重塑黏土破坏时所需的循环次数最少,但孔压累计最慢。通过试验结果的分析认为旋转剪应力会对土体微观结构产生扰动而使土体颗粒重新排列,主应力轴旋转引起的变形特性主要还是归因于土体的塑性各向异性特性。     

直剪试验下保山地区黏土抗剪强度分析

为研究保山地区黏土原状条件与重塑条件下,土体的抗剪强度指标,运用ZJ型应变控制式直剪仪进行试验,试验结果表明原状土样的抗剪强度具有不稳定的特点,同一区间含水率条件下原状土样的抗剪强度变化离散性大;重塑土抗剪强度中,粘聚力C对抗剪强度的影响占主导地位。     

卸轴压条件下原煤变形及渗透特性实验研究

利用自行研制的煤岩热流固耦合实验系统,以原煤为研究对象,进行不同卸轴压起始应力条件下原煤变形及渗透特性的实验研究。结果表明:(1)卸轴压时,原煤轴向应力–应变关系可用二次函数表示;原煤变形模量随卸轴压起始应力的升高而减小。(2)随着轴压的降低,原煤渗透率上升速率逐渐增大;卸轴压过程中,原煤渗透率的增长趋势随卸轴压起始应力的增大而平缓;线弹性阶段不同起始应力卸轴压,原煤渗透率的变化具有较好的相似性。(3)原煤瓦斯增透效果随卸轴压起始应力的增大而减弱,卸除单位应力时渗透率相对值的增加量与卸轴压起始应力的关系可以用对数函数表示;随着卸轴压起始应力的增大,卸轴压过程中增透率的增长趋势逐渐减弱。     

湿压剪条件下黄土的结构屈服与强度特性

针对黄土的典型结构性特征,以常规三轴试验为手段,研究了黄土的结构性宏观力学反应及结构屈服与强度特性,研究结果表明:(1)在湿压剪应力作用下,土骨架被扰动、颗粒之间的联结被削弱,土稳定状态从亚稳定状态逐渐向稳定状态过渡,结构性降低;(2)在湿压减应力作用下,由于结构性黄土对水的特殊敏感性,结构性黄土的剪切屈服点向正常固结土的剪切屈服线移动,当这种增湿作用造成解结构性渐变演化过程完成时,结构性黄土的剪切屈服线与正常固结土的剪切屈服线重合;(3)对于结构性黄土而言,同一含水率条件时不同结构性参数p－q偏平面的临界状态线基本互相平行。(4)依据等结构性条件下黄土的结构屈服特性,建立了考虑结构性的摩尔库伦准则及黄土结构强度与应力比结构性参数之间的关系。     

单轴–三轴和渗透水压条件下砂岩应变特性的CT试验研究

常规的应力应变试验难以清晰地反映砂岩在不同应力状态下的细观应变特性,然而,砂岩细观应变特性对一些工程的影响是非常巨大的。通过螺旋CT机以及与其配套的实时三轴加载和渗透压力设备对砂岩进行各种应力状态下的应变特性试验,反映出不同应力状态下的砂岩的应变特性有很大不同。结合CT图像和CT数的分析,对砂岩应变过程中的孔隙率的变化能直观地进行计算,以及对CT数方差的分析,能较简单地判断出砂岩的应变特性以及破坏模式。研究结果表明:(1)在单轴和三轴压力作用下,砂岩CT数方差变化剧烈的地方发生脆性变化,而方差比较稳定的地方发生塑性变化;(2)当有渗透水流作用时,砂岩应变特性与干砂岩的应变特性有明显差异,峰值强度显著增大,残余强度也明显增加;(3)砂岩在单轴干燥状态下是发生脆性破坏,而在有渗透压力和围压的情况下发生的是塑性破坏,有围压而没有渗透压作用时的破坏介于两者之间。     

渗透吸力对重塑黏土的压缩和渗透特性影响的试验研究

已有研究表明孔隙水盐分对黏土的力学性质有着重要影响,但相关的定量研究仍需进一步深入。以渗透吸力作为宏观参数,将商用高岭土与钙基膨润土的混合土作为研究对象,用不同浓度的NaCl溶液与土混合,进行饱和重塑土的固结试验,探究孔隙水盐分对饱和重塑黏土压缩特性和渗透特性的影响规律。试验结果表明重塑饱和黏土的压缩指数C_c随着渗透吸力的增加而呈指数规律衰减,回弹指数未产生明显变化;在Burland体系下,渗透吸力对曲线初始段有较大影响;而屈服后,压缩曲线可以在I_v-lgσ^’_v分析体系中进行归一化。相同固结压力和孔隙比下,渗透吸力越小,次固结系数越大;次固结系数与压缩指数的比值 C_α/C_c的比值并不为常数,随着渗透吸力的增大而减小。同样的初始孔隙比,比例系数C_k=Δe/Δlgk_v随渗透吸力增加而非线性递减,延拓了Tavenas认为比例系数C_k与初始孔隙比e₀线性相关的认知。     

水泥黏土的抗剪强度试验研究

在软土地区修建道路桥梁等工程结构物时,需要采取特殊措施提高地基承载能力,而在黏土中掺和水泥是一种简单可行的工程措施,但已有文献对于抗剪强度研究较少。为探寻水泥黏土混合物的剪切强度特性,制作一批水泥黏土试饼,采用快剪试验方法,通过试验数据分析得水泥黏土的剪切强度与黏土、水、水泥混合比例关系,以及短期水泥凝固时间关系。结果表明,水泥黏土的抗剪强度与龄期、竖向压应力呈明显正相关,而与含水率、水灰比呈一定程度的负相关。     

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。     

粉质黏土–混凝土接触面特性单剪试验研究

 利用改进的循环单剪试验系统进行粉质黏土–混凝土接触面剪切性能试验。混凝土表面粗糙度分为光滑、一般和粗糙3种状态,法向压力为5～200 kPa,土样厚度分为10,20 mm两种情况,主要考查接触面粗糙度、法向压力以及试验选取的土样厚度对接触面剪切性能的影响规律。试验结果表明：接触面主要表现出2种破坏模式,一种是接触面附近土体自身剪切破坏,另一种是接触面滑移破坏,接触面的强度即为这2种破坏强度的下限,接触面加载路径最终达到哪一段强度曲线决定接触面的应力–应变特性;接触面粗糙度和法向压力越大,越趋向于土体自身剪切破坏;土样厚度对试验测得的接触面应力–应变曲线存在影响,但这种影响随着接触面粗糙度和法向压力的增大而减小。     

排水条件下原状软黏土各向异性和非共轴特性试验研究

目前针对黏土各向异性的试验研究大多是在不排水条件下进行的,排水条件下的研究较为缺乏。采用空心圆柱扭剪仪,在不同的中主应力系数b和大主应力方向角?下对温州原状软黏土进行定向排水剪切试验。试验结果表明:各向同性固结的软黏土,在不同的大主应力方向角下的应力–应变发展关系存在着明显差异;相比于不排水条件,排水条件下的土体应变发展较为平缓,应变急剧发展的拐点不明显;中主应力系数对于应变发展有明显影响,并且当中主应力系数处于[0.5,1.0]区间中此影响更加显著;在定向剪切过程中,黏土的非共轴特性与大主应力方向角?存在着明显的关系,在?=0°和90°时非共轴特性不明显,非共轴特性在?=45°处出现拐点。这些结论可加深对软黏土在排水条件下各向异性的理解,为建立更加合理的软黏土本构模型和指导工程设计提供一定的基础。