土的基本特性及本构关系与强度理论

土的基本特性及本构关系与强度理论是土力学及岩土工程学科的重要理论基础之一。本 文针对饱和黏土、砂土及堆石料等粗粒土,总结了这三类土在基本力学特性及本构强度理论方 面的研究现状和发展趋势。饱和黏土部分主要包括压缩特性、剪切特性—临界状态及剪胀/剪缩 、结构性及其破坏、中主应力影响、各向异性及主应力偏转效应、不排水抗剪强度、流变特性 、微观力学解析模型等;砂土部分包括临界状态概念与剪胀性、砂土各向异性、应变局部化等 ;堆石料等粗粒土部分则以颗粒破碎对堆石料等粗粒土的力学性质的影响为主线,重点介绍了 颗粒破碎的度量方法、颗粒破碎对剪胀性、临界状态线的影响以及相应的本构模型、宏观-微观 的力学分析方法。     

粗粒土强度和变形的级配影响试验研究

开展了不同细粒含量的无黏性和含黏粒粗粒土的共8组大型三轴排水剪切试验,研究了级配对粗粒土强度、变形、剪胀特性和颗粒破碎的影响。试验结果表明细颗粒含量的大小、是否含泥是粗粒土力学特性的重要影响因素;分析了无黏性粗粒土的颗粒破碎率随围压大小、级配的变化;研究了剪切峰值随围压、细颗粒含量的变化规律,讨论了不同围压、不同级配特征情况下粗粒土的剪胀特性。根据含黏粒粗颗粒土的试验结果,分析了含泥量对强度和变形特性的影响,并从机理上分析了细粒含量对无黏性和含黏粒粗粒土的力学特性影响的差异性。试验结果表明对于土石坝工程良好的坝体填筑料级配、严格控制小于0.075 mm颗粒含量,有利于提高坝体的稳定性和减小坝体沉降。     

粗粒土的大型三轴试验及其变形与强度特性研究综述

大型三轴试验试样尺寸大,需土料多,存在制样困难、成功率低的特点;粗粒土具有粒径大、级配复杂及透水性较强等特性,研究粗粒土的工程特性与本构关系时应充分考虑这些固有特性。文中概括和总结了粗粒土大三轴试验研究进展情况,包括抗剪强度、变形特性、本构模型、研究方法等方面,并结合已有研究成果,提出了今后关于粗粒土的研究方向。     

考虑状态相关的砂土非正交弹塑性本构模型

砂土的力学特性具有显著的状态相关性，主要体现为不同应力状态与密实状态下砂土的变形特性具有显著差异。合理的状态相关硬化规律与剪胀规律描述是反映砂土状态相关变形特性的基础。提出了能够有效描述砂土等向压缩规律与临界状态规律的微分表达式，并基于等向压缩硬化规律建立了状态相关因子ω，发展了砂土状态相关的硬化参数H，旨在合理确定塑性应变增量的大小；在利用非正交塑性流动法则确定塑性应变增量的方向的过程中，引入了状态变量ψ对分数阶次μ的影响，从而考虑了塑性应变增量方向的状态相关性，合理地描述了砂土的状态相关剪胀性。进一步，结合引入了状态变量的Hooke定律，确定了弹性应变增量，从而发展得出能够描述砂土状态相关特征的非正交弹塑性本构模型。通过合理预测Toyoura砂的常规三轴排水及不排水试验结果，验证了所建模型能够有效捕获砂土的状态相关力学特性。     

扰动对砂土天然强度和模量的影响及室内恢复方法研究

本文采用三轴试验对润杨大桥北锚碇基坑工程砂土取样的扰动影响进行了分析评价 ,并对室内如何恢复力学特性进行了初步对比研究。结果表明 ,砂土也具有一定的结构强度 ,实际工程中取得的“原状”砂土样的质量较差 ,通过室内预处理可以较好地恢复原位状态。     

常压至高压下砂土强度、变形特性试验研究

 砂土材料常压至高压下的强度、变形特性是构建砂土模型的首要问题。开展3种粒组砂土8 MPa围压范围内的等向压缩试验以及0.2～6.4 MPa围压范围内的三轴剪切试验,将砂土常压至高压范围内的力学特性进行系统分析,以获得能够将常压至高压范围内的强度、变形特性进行统一描述的力学参数。通过研究发现：(1) 砂土在高压下出现一定量的颗粒破碎,改变了砂土的剪切耗能机制,使得砂土三轴压缩剪切由剪胀软化特征向剪缩硬化特征转变;(2) 砂土材料的三轴压缩剪切峰值应力比受砂土粒径、围压共同影响,M-C强度准则在高压条件下不再适用;而残余应力比则基本不受粒径、围压的影响,是典型的无黏性摩擦型岩土力学参数,应作为砂土基本力学特性指标;(3) 砂土材料在常压至高压范围内的剪切过程中存在较明显的临界状态现象,临界状态曲线与等向压缩曲线形态相同均呈指数衰减型并在高压条件下产生交叉,两者共同构成砂土材料的状态区间能够体现常压至高压范围内的剪胀与剪缩特征。     

砂土的剪胀理论及其本构模型的发展

经典的应力剪胀理论被广泛应用于土体弹塑性本构模型的建立,较好地模拟了黏性土的变形特性。最新的研究表明:由于应力剪胀理论中忽略了土体内部状态参量对剪胀的影响,而使得该理论应用于砂土时发生了困难。近来一些学者纷纷将土的密度作为变量引入剪胀方程,提出了状态相关剪胀理论,成功地模拟了砂土的各种变形特性。本文就砂土的状态及其描述、剪胀理论的发展、砂土本构模拟等方面进行介绍。     

部分排水条件下饱和砂土的力学特性研究

利用英国GDS公司的STDTTS标准应力路径三轴仪开展了饱和砂土的部分排水试验,从超静孔隙水压力、有效应力路径与渐近状态特性等方面研究了部分排水条件下饱和砂土的力学特性。将渐近状态方程与剪胀方程耦合,并引入描述排水程度的状态参量mtml_15-0208_bak/img_0.png10.015.0,提出了相变应力比方程,将方程引入到土的应力路径本构模型,建立了饱和砂土的渐近状态本构模型。通过部分排水条件下饱和砂土的三轴试验结果,验证了所建模型的合理性。研究结果表明：排水条件控制着土体剪胀特性的发挥程度,进而从两个方面影响土的力学特性,一是荷载条件,即影响土体的有效应力路径,以及加载模式;二是土性条件,即影响土的抗剪强度的发挥程度,形成渐近状态。     

粗粒料变形特性的大型真三轴试验研究

三维应力状态下粗粒料的变形性状对土石坝的沉降尤为重要。通过大型真三轴试验系统,对粗粒料开展了等小主应力等中主应力系数加载试验。试验结果表明:小主应力较小时,粗粒料的剪胀性较强,随着小主应力的增大,粗粒料的剪缩性逐渐增强。中主应力系数从0增大到0.5时,粗粒料的剪胀性基本上是逐渐减小的,而当中主应力系数增大到0.75时,剪胀性又有所增强。大主应变均表现为压缩变形,小主应变均产生膨胀变形,中主应变在一般三维应力状态下表现为压缩变形,而在常规三轴应力状态下中主应变则产生膨胀变形。     

基于大型真三轴试验的粗粒料强度特性研究

基于长江科学院自主研制的大型微摩阻土工真三轴仪,对某土石坝粗粒料开展不同中主应力系数(等b)条件下的真三轴试验,探讨三向应力条件下粗粒料强度变化特征。研究表明:(1)中主应力对粗粒料强度影响显著,强度随b值增加而增加,特别是b值在0~0.25区间内,相较于常规三轴试验其强度指标显著增长;(2)经与几种经典强度准则对比,拉德–邓肯强度准则能相对较好地反映粗粒料在三向应力状态下强度演化趋势;(3)通过一组平面应变试验认为,不同围压下当偏应力接近峰值时,b值基本稳定在0.17~0.19,实际工程在试验条件有限的情况下,平面应变试验成果可用于粗略估算粗粒料在复杂三向应力状态下的强度。研究成果可为合理确定粗粒料复杂应力状态下强度参数及精细化研究粗粒料强度准则提供参考。     

循环抽注水作用下承压含水层砂土的变形特性

为探讨人工回灌和地下水位季节性变化等因素对承压含水层砂土变形特性的影响,利用FlowTracⅡ增量固结试验系统,设计了符合承压含水层砂土应力状态、符合抽注水应力路径的单向压缩试验,研究了循环抽注水作用对砂土变形特性的影响规律及抽注水作用下砂土变形特性的影响因素。试验结果表明:抽水作用(加载)下砂土产生压缩变形,注水作用(卸载)下,砂土变形呈现压缩和回弹两种现象,且砂土孔隙比大(密度小)时易发生注水压缩现象;循环抽注水作用下砂土总体呈现压缩变形特性,随抽注水循环次数的增加和前期固结压力增大,注水作用下砂土变形逐渐由压缩向回弹转化。基于砂土结构演变,构建了以弹性理论和最小势能原理为基础的抽注水作用下砂土变形机理,解释了注水作用过程中砂土变形呈现的回弹与压缩交替波动的试验现象,用试验结果总结了注水强度、前期固结压力、注水速率等因素对砂土变形特性的影响规律,验证了抽注水作用下砂土变形机理的合理性。     

不同应力路径下绢云母片岩粗粒料力学特性试验研究

绢云母片岩粗粒料大量用于谷城—竹溪高速公路路基填筑,为研究不同应力路径下绢云母片岩粗粒料的力学特性,采用大型三轴试验机,对绢云母片岩粗粒料分别进行常围压下的固结排水、固结不排水三轴试验以及等p应力路径下的固结排水试验。研究表明,低围压条件下,应力–应变曲线均表现为应变硬化型,但是在高围压条件下,却出现了应变微软化现象。在整个试验过程中,体积应变均以剪缩为主,并没有出现低围压剪胀的现象;并通过分析该粗粒料的破碎特征阐述了出现这种反常现象的原因。另外,通过对不同应力路径下的绢云母片岩粗粒料进行强度分析,验证了Duncan非线性强度准则对绢云母片岩粗粒料具有良好的适用性。     

加筋风积砂强度和变形特性的有限元分析

针对风积砂土特殊的物理力学性质,应用弹塑性有限元法研究加筋风积砂的强度和变形特性,分析加筋机理,并采用土工格栅作为加筋材料对风积砂土进行加固,以提高土体的强度和稳定性。     

某板岩粗粒料湿化特性三轴试验研究

对某板岩粗粒料进行了大型三轴湿化变形试验,分析了湿化体积应变、湿化剪应变等随围压、应力水平变化关系。试验结果表明：湿化体积应变、湿化剪应变随着围压增大或应力水平的提高而增大。利用试验结果研究了沈珠江湿化变形模型对试验所用的板岩粗粒料的适用性。结果显示,沈珠江模型不能满意地反映湿化体积应变,但是,能较好地反映湿化剪应变与应力状态的关系。分析湿化后剪切强度性质,发现不同应力水平下湿化对粗粒土的强度指标影响很小。     

基于双平面镜三维成像的粗粒料形状特征分析

路基的强度和变形特性很大程度上取决于路基填筑所用粗粒料的几何形状特性,如级配、颗粒长细比和棱角度等。提出一种双平面镜成像结合计算机三维重建技术的粗粒料颗粒几何形状数据采集方法,开发相应的试验装置,实现粗粒料颗粒三维几何模型的计算机重建和几何特征的量化确定。通过对大量不同种类粗粒料的试验,并将得到的颗粒形状特征数据与人工实测值进行对比,提出基于计算机建模得到的粗粒料粒径、级配和体积等主要参数的修正方法,并讨论测试误差的产生原因和改进措施。结果表明基于双平面镜的三维成像方法可实现对粗粒料颗粒几何特征的快捷测定和定量化分析。     

往返荷载下粗粒土的残余变形特性

结合紫坪铺、瀑布沟和密云土石坝工程,在大型动三轴试验机上(试样尺寸为φ300×750mm),通过往返加荷三轴试验,研究了堆石料和砂砾石料在非饱和状态、饱和排水状态及饱和不排水状态下的残余变形特性,探讨了粗粒土料的密实度、饱水程度、排水条件、初始应力条件及往返加荷条件等对其残余变形特性的影响,并进行了对比分析,得出了一些有工程实用意义的结论.这些研究成果,可作为紫坪铺、瀑布沟和密云土石坝工程进行抗震设计和地震变形分析的基本依据,对其它工程也有重要的参考价值.     

高土石坝几个问题探讨

对影响高土石坝安全的几个关键问题进行了探讨,并介绍了近年来相关领域的研究进展。分析了筑坝粗粒料尺寸效应的影响因素,联合采用室内试验、数值试验及反演分析等多种手段,较为系统地研究了粗粒料变形特性参数的尺寸效应,提出了一种由室内试验参数预测粗粒料现场变形特性参数的方法;介绍了粗粒料长期变形特性的测试方法及其发展,深入研究了流变变形的时间发展规律,提出了可广泛适用于描述粗粒料坝长期变形发展模式的对数幂流变经验模型;分析了含砾心墙土渗透特性受密度等因素的影响规律,构建了含砾心墙土非线性渗透模型,在此基础上探讨了心墙高孔隙水压力的形成机制及其对大坝安全的影响;研究了高应力、高水头作用下砾石土心墙的水力破坏模式,首次揭示了水力击穿的破坏机理,提出的水力击穿破坏判据克服了传统水力破坏判据对应力方向的依赖性,为心墙渗透安全评估与控制提供了重要依据;探讨了心墙与坝壳相互作用的演变机制以及岸坡约束作用对大坝安全的影响,进一步深化了对高土石坝变形协调问题的认识。     

各向异性砂土渐近状态试验研究

砂土的渐近力学行为是土的本构关系的重要研究内容之一。通过系列三轴排水剪切试验、三轴等向压缩试验和等应变增量比试验研究了砂土的各向异性及其对于渐近状态的影响。研究结果表明:在剪切变形较小时,砂土主要表现出压缩变形的各向异性,在剪切变形较大的条件下则表现为强度的各向异性;当沿着等应变增量比路径加载时,应力比最终趋于一个常数,即渐近状态的应力比;相对于沉积面水平的试样而言,沉积面铅直的渐近状态应力比稍大;在剪切变形较小时,各向异性砂土的渐近状态应力比与各向同性准则预测结果相差较大,当剪切变形较大时二者较接近。通过比较不同各向异性材料的等应变增量比试验结果研究了各向异性的程度对于渐近状态应力比的影响。在揭示各向异性砂土渐近状态的物理机制的基础上给出了定量描述渐近状态应力比随应变增量比变化的数学表达式。     

岩体结构面力学特性的试验研究

分析了当前各种工程中岩体所处的应力状态,主要针对结构面在卸载条件下的力学特性进行了基础性的研究,通过进行卸载下结构面的剪切试验,获取了其相应的力学特性,研究了在这样的力学条件下,其强度、变形等力学特性的规律。     

椭圆抛物双屈服面弹塑性模型三维各向异性修正及其试验验证

 粗粒料作为高土石坝的重要筑坝材料,其应力–应变规律受初始不等向固结和后续施工影响。考虑粗粒土各向异性特性的同时兼顾其剪胀性和初始不等向应力状态等主要性质,结合室内试验资料,运用应力变换方法和引入新的应力比参数等手段对经典双屈服面弹塑性模型的屈服轨迹和硬化轴进行修正。通过试验数据和预测结果的对比,表明修正的三维化各向异性双屈服面弹塑性模型能够较合理地反映粗粒土在初始不等向固结状态下的强度和变形特性。