合肥地区铁路地基土非饱和压缩特性试验研究

文章针对合肥地区某在建铁路的非饱和地基土,利用非饱和土三轴仪,进行了控制基质吸力为常数、净平均应力增大的三轴压缩试验及控制净平均应力为常数、基质吸力增大的三轴压缩试验。试验结果表明,合肥地区非饱和地基土的屈服净平均应力随着吸力的增大而增大,屈服后的斜率随着吸力的增加而减小;各种吸力下的关系基本上呈线性变化规律。通过试验研究,建设单位能够掌握和了解了该地区非饱和土的压缩变形特性。     

不同应力路径下砾石土力学特性的宏细观研究

 利用空心圆柱仪对砾石土进行三轴压缩、扭剪、三轴–扭剪联合3种单调加载路径试验以及应力主轴旋转路径试验。通过设计新型加载路径,实现应力主轴在不同应力水平下往复旋转,并在旋转时保持广义剪应力不变。试验结果表明,随着应力水平的增加,主轴旋转产生的广义剪应变呈现先增大、后减小、再增大的规律;主轴旋转会造成试样强度明显下降,内摩擦角显著减小,其破坏时刻的应力圆位于三轴–扭剪联合加载路径应力圆的内部。对三轴压缩和扭剪2种路径试验进行离散元细观分析,发现扭剪力作用下试样会形成水平滑动面。最后,对应力主轴旋转造成试样强度下降的原因进行分析和讨论。     

干密度和竖向应力对原状非饱和黄土土水特征影响的试验研究

 利用非饱和土固结仪对原状非饱和黄土进行常含水率固结试验,试验中分别选用3种不同干密度、6种不同含水率试样,分析天然干密度和竖向应力对原状非饱和黄土土水特征的影响。试验表明,原状非饱和黄土的吸力随着试样含水率的增大而降低,干密度对土水特征曲线有不可忽视的影响。同一含水率下,原状非饱和黄土的吸力随着天然干密度的增大而增大;提出吸力临界荷载的概念,干密度相同时,吸力临界荷载随着含水率的增大而降低;含水率相同时,吸力临界荷载随着干密度的增大而增大。含水率一定时,竖向荷载引起的干密度变化与初始干密度变化对吸力的影响是不相同的;竖向应力对土水特征曲线影响较小,可以用无荷载条件下的土水特征曲线来描述其吸力状态。最后,提出原状非饱和黄土土水特征曲线函数经验表达式。     

非饱和土体变试验研究及其在地面沉降中的应用

采用GDS非饱和三轴仪,对重塑非饱和土在干燥过程中试样含水量变化和总体积变化开展了大量试验研究.基于试验研究结果,根据非饱和土力学理论提出了可以全面考虑非饱和区和饱和区沉降变形的饱和-非饱和沉降数学模型,并对地下水位降低引起的地面沉降问题进行了详细分析和研究.主要研究成果和结论如下:(1)结合土水特征曲线和收缩曲线,考察了非饱和重塑砂土、粉土、黏土和粉质黏土试样在干燥收缩过程中基质吸力和孔隙比关系.试验结果表明,当试样基质吸力达到某一特定值后,基质吸力的增大不引起试样的进一步收缩变形,称此吸力为缩限吸力Ss.因此,屈服吸力和缩限吸力可将整个收缩过程分为3个阶段,即弹性阶段、弹塑性阶段和缩限阶段.(2)采用GDS非饱和土三轴仪,在分别控制试样基质吸力和净平均应力条件下对非饱和重塑黏土的体积变化和含水率变化特性进行了详细试验研究.在非饱和三轴试验研究中,开展了2组不同应力路径试验:①各向同性压缩试验:在控制基质吸力Us=Ua-Uw的条件下施加不同的净甲均应力p=Om-Ua;②三轴收缩试验:在控制净平均应力条件下施加不同的基质吸力.(3)结合饱和一非饱和渗流与非饱和土体变本构模型,提出了一种可以全面考虑非饱和区域与饱和区域沉降的数学模型.对于饱和区,利用饱和土的有效应力原理来计算土体有效应力增大而引起的压缩变形量;对于非饱和区,采用非饱和土的体变本构模型,可分别计算土体由于基质吸力增大而引起的收缩变形量和净平均应力减小而引起的回弹量.(4)根据饱和一非饱和沉降数学模型,基于非饱和土层基质吸力分布为静水平衡的假设,针对不同的地下水位降低,分别估算了非饱和区域和饱和区域的沉降量.通过非饱和区沉降量和地表总沉降量的对比,验证了考虑非饱和区沉降变形量的重要性.对于非饱和区,分别估算了由于净平均应力的降低引起的地面回弹量和基质吸力的增人引起的地面沉降量.计算结果表明,在这两种变形中收缩变形量在非饱和区变形中占有主导地位,净平均应力的减小而引起的地面回弹量可以忽略不计.(5)针对某一基坑,采用饱和一非饱和沉降数学模型对基坑降水引起周围土层的沉降进行分析,分别估算了非饱和区与饱和区的沉降变形量,并对各种影响囚素进行了详细分析.基于饱和一非饱和非稳态渗流,对基坑降水后引起饱和区域和非饱和区域的沉降变形进行了动态过程的模拟,分析了地面沉降与时间和空间的相关性.     

非饱和土本构模型中应力变量选择研究

 应力变量是本构模型的基本要素之一,非饱和土本构模型中应力变量的选择目前仍有较大争议,各模型中应力变量的选择非常混乱,严重阻碍了理论研究的进一步发展。Bishop有效应力或其修正的应力形式,以及新提出的吸应力等,虽然可以较好地表示非饱和土强度,但不能模拟非饱和土浸湿后体积膨胀和坍塌现象。双应力变量目前应用较多,有考虑非饱和土中孔隙水对土体力学性质影响的骨架应力和毛细应力,有用得最多的净应力和吸力,或者两个应力变量一个是应力的函数,另一个是吸力(或饱和度)的函数等多种形式,可以较好地反映非饱和土的强度和变形特性,但目前双应力变量选择有很大的随意性,没有确凿的理论依据。重点指出建立本构模型时土体的应力变量不能随意选用,应满足Houlsby功率方程,同时还要注意与应力变量对应的应变变量的选择。旨在澄清目前的混淆概念,为非饱和土本构模型建立提出合理的应力变量。     

非饱和重塑黏土干湿循环特性试验研究

针对非饱和重塑黏土,结合收缩曲线和土水特征曲线探讨试样在干燥收缩过程中基质吸力与孔隙比之间的关系,研究结果表明,当基质吸力增大到某一特定吸力时,基质吸力的增大对试样收缩变形并无显著影响,称此基质吸力为缩限吸力ss。屈服吸力s0和缩限吸力ss将试样收缩过程分为3个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段和缩限阶段;为探讨试样的土水特征曲线和收缩系数对净平均应力的相关性,采用GDS非饱和土三轴仪在控制试样净平均应力条件下进行干湿循环试验。试验结果表明,试样收缩系数和土水特征曲线密切地依赖于净平均应力;试样在吸湿过程中,在低净平均应力下试样发生膨胀,而在较高净平均应力下试样在膨胀后发生坍塌。     

重力水对非饱和土力学性能的影响规律研究

通过一系列控制基质吸力的非饱和土试验验证了重力水对非饱和土力学性能的重要影响,分析了产生这种影响的物理机制,以此为基础,讨论了Bishop的非饱和土有效应力公式的适用范围,提出了水气双连通状态下的有效应力的表达式,重新给出了非饱和土在各个连通状态下有效应力的表达式。     

非饱和土力学特性及本构模型

地表土几乎全是非饱和土,特别是在干旱和半干旱地区,用饱和土力学理论和实验手段不能正确解释和处理非饱和土工程问题。首先介绍用低吸力和高吸力分别描述土的非饱和程度;简单回顾饱和土力学理论之后介绍现在比较认可的非饱和土力学理论;介绍低吸力下非饱和土持水和力学性质的测试方法,重点说明因使用陶土板而需要注意事项与对策以及非饱和土三轴仪的体积测量方法;用吸力控制压缩试验、三轴试验和真三轴试验的实测结果说明非饱和土的典型力学性质;根据试验结果分析持水曲线的直接影响因素和持水与力学性质的耦合特性,用弹塑性方法建立非饱和土持水和力学特性耦合的本构模型,并用吸力控制或量测的等向压缩和三轴试验结果验证;开发高吸力范围内吸力控制三轴试验方法,用该方法获得广吸力范围内4种典型土的应力应变关系,并用其中两种广吸力范围内强度数据对各种非饱和土强度计算公式的适用性进行分析。     

净平均应力对非饱和重塑黄土渗水系数的影响

为了研究净平均应力对非饱和重塑黄土渗水系数的影响,本文借助考虑净平均应力影响的广义土水特征曲线,应用间接方法预估渗水系数。对重塑黄土试样进行了四个控制净平均应力为常数而基质吸力逐步增大的三轴收缩试验。采用Van Genuchten模型对试验获取的土–水特征曲线进行拟合,通过拟合的连续曲线预测了不同净平均应力下非饱和重塑黄土的渗水系数。结果表明:净平均应力对土–水特征曲线的影响有明显规律,同一基质吸力下,净平均应力越大,试样的体积含水率越小,在一定吸力范围内,体积含水率与取对数基质吸力的关系曲线近似呈直线;渗水系数随基质吸力的增大而减小,同一基质吸力下,净平均应力越大渗水系数越小,较低净平均应力下基质吸力与取对数渗水系数的关系曲线近似呈直线,随着净平均应力的增加,关系曲线变为明显的折线。所得的成果为预测黄土地区高填方的增湿变形、降雨入渗下的边坡稳定性评价等方面提供了科学依据。     

非饱和土力学实用化之路探索

非饱和土力学的研究水平目前还停留在学院式阶段,主要原因在于吸力量测的困难。为了促进非饱和土力学的实用化,在分析吸力的3种作用机制的基础上提出了几种吸力的替代方案,如饱和度、折减吸力和广义吸力。此外,孔隙气压力的计算也是一件麻烦事,为此提出了简化计算方法。最后探讨了非饱和土中表面裂缝的形成对边坡稳定和变形的影响。     

基于功能系统分析技术的葵岗隧道围岩施工方案选择研究

 基于价值工程中的功能系统分析技术,结合专家知识和群决策(DSS)技术,对高速公路隧道施工方案的优化选择方法进行研究,建立一个针对不同围岩类别的施工方案优化理论模型。然后结合一个具体案例(葵岗隧道施工优化)来阐述该模型的应用。实践证明,这种模型很适合大型隧道工程的施工方案优化选择决策。     

非饱和土统一强度理论及真三轴试验结果验证

 非饱和土的真三轴强度准则及三向应力状态预测是实现非饱和土理论工程应用的重要问题,依据非饱和土的双应力状态变量及吸附强度特性,构建适用于非饱和土的双剪单元体模型,继而建立分段线性的非饱和土统一强度理论,分析其特例、平面极限线和空间极限面的特性,并用已有的非饱和粉砂的刚性与柔性真三轴试验结果进行验证。研究结果表明：本文非饱和土统一强度理论的极限线覆盖了所有外凸区域,饱和土的统一强度理论以及非饱和土的Mohr-Coulomb强度准则均为其特例,而且还包括很多新的强度准则;非饱和粉砂的所有真三轴试验数据均落在非饱和土统一强度理论的极限线范围内,并与统一强度理论参数b = 1/2时的预测值吻合较好;外接圆Drucker-Prager准则不能反映非饱和土的真实强度特性,b = 1/2时非饱和土统一强度理论可线性逼近拓展的非线性SMP准则。     

不同应力路径下结构性土的力学特性

天然土在受荷过程中会经历不同的应力路径，开展结构性土在不同的应力路径下的力学特性的试验研究可以为建立复杂应力路径下的合理结构性本构模型提供试验依据。对结构性土样在不同应力路径下的力学特性进行试验研究。所用土样是人工室内制备的结构性土试样，共进行不同的固结应力状态下常围压、减小围压和增大围压时施加竖向应力直至土样破坏的固结排水和固结不排水三轴试验，对结构性土样在不同的应力路径下的强度特性、破坏特性和变形特性进行探讨和分析。     

非饱和膨胀土抗剪强度的试验研究

膨胀土是一种特殊的非饱和土，经典的土力学理论在膨胀土问题中己显得无能为力。因此，用非饱和土力学理论来研究膨胀土问题在理论和实际两方面都具有重大意义。在非饱和土抗剪强度理论中，吸力的量测在工程实际中仍没有一种简单易行的方法。基于这种实际情况，试图通过其他间接的途径来代替吸力的量测，以确定非饱和土的吸附强度。对于膨胀土这种典型的非饱和土，膨胀力是其很重要的性质之一，它的大小受含水量的影响很大；另一方面，膨胀土的抗剪强度也随含水量的变化而不断地变化。进行了大量的膨胀力试验和抗剪强度试验，以确定膨胀土的膨胀力与吸附强度是否有一定的关系。通过对黑山土和梅山土的重塑试样试验得到的试验数据分析发现：膨胀力和含水量之间存在良好指数关系；粘聚力的对数和内摩擦角均随含水量的增大线性减小；非饱和膨胀土的吸附强度与膨胀力之间存在较好的线性关系，并在此基础上优化了非饱和膨胀土抗剪强度公式。     

一种能测量应力状态对非饱和土渗透系数影响的新型试验装置

研制了一种能测量应力状态对非饱和土渗透系数影响的新试验装置。对比试验结果表明,用新装置测得的试验结果与已有试验结果基本一致,说明用新装置得到的试验结果是可信的,能够达到预期的试验精度。     

应力路径和颗粒级配对砂土变形影响的细观机制

利用GDS应力路径三轴试验系统与颗粒流程序PFC2D,对2种不同颗粒粒径与级配的青岛海砂进行不同应力路径下的室内三轴试验与数值模拟试验,探研应力路径和颗粒级配对砂土影响的细观机制。首先,进行青岛粗细砂在不同密实度与3种应力路径下的室内三轴试验,获得青岛粗细海砂的宏观力学响应,并进行初步地机制分析;然后,进行与室内试验匹配和补充的PFC2D数值模拟试验,挖掘室内物理试验中难以得到的细观信息,如颗粒配位数,转动速度,颗粒位移等,定量地解释不同级配的砂土在不同路径下力学响应的细观原因;最后,进行不同颗粒级配砂土在循环加载路径下力学性质的PFC2D数值试验,从细观角度分析砂土在该路径下的变形机制。     

折减吸力在非饱和土土压力和膨胀量 计算中的应用

 根据变形等效原则介绍确定折减吸力的具体方法,采用折减吸力代替真实吸力进行非饱和土土压力系数和膨胀量的计算,计算不同水位条件下非饱和土的静止土压力、主动土压力、被动土压力以及不同水位条件下非饱和土的膨胀量和降雨条件下非饱和土的膨胀量。计算结果合理地反映了非饱和土土压力和膨胀量的分布趋势。将计算结果与离心模型试验和模型槽试验结果进行对比,两者具有很好的一致性。