黄土各向异性强度特性的真三轴试验研究

黄土水平面内沉积结构及其发育的竖向裂隙构造使其具有明显的各向异性特征。通过黄土竖直裂隙向及其正交方向作用三维主应力状态几何空间八面体平面上3个空间域的真三轴试验,揭示了各空间域不同中主应力比值应力路径的剪切应力应变变化规律及抗剪强度变化规律。表明黄土竖向裂隙向作用大主应力的抗剪应力均大于水平面内正交两向作用大主应力的抗剪应力;中主应力增强作用能够诱导黄土的各向异性结构性;横观各向同性或者各向异性黄土八面体面上的强度破坏面随着平均球应力增大均呈椭圆、圆和曲边三角形变化,椭圆形破坏面可分别由轴对称压缩空间滑动面强度准则或轴对称挤伸空间滑动面强度准则近似地描述。     

不同初始状态下黄土的平面应变卸载力学特性

针对于黄土工程中的平面应变卸载问题,利用平面应变改造后的真三轴仪,开展了不同初始状态（原状、重塑和饱和）黄土在不同固结围压和含水率条件下的平面应变卸载试验,揭示了不同初始状态黄土的应力-应变演化关系、中主应力特性和强度特性。研究结果表明,不同初始状态黄土的应力-应变曲线在低含水率和低围压条件下呈现理想塑性,随着固结围压和含水率增大,从弱硬化型向强硬化型转变;黄土的不同初始状态对应力-应变关系演化特性影响较大,原状黄土曲线最高,重塑黄土次之,饱和黄土最低;固结围压越大、含水率越低,初始切线斜率越大,应力应变曲线越高,土的强度发挥越快。原状和饱和黄土的中主应力和中主应力参数均先减小后增大,衰减幅度大,增长幅度小,中主应力参数的增长幅度要大于中主应力;重塑黄土的中主应力和中主应力参数则先减小后基本保持稳定。平面应变卸载条件下不同初始状态黄土的黏聚力和内摩擦角均随含水率增大近似呈现线性减小;不同初始状态对土黏聚力的影响要明显大于内摩擦角。原状黄土在低围压和低含水率条件下沿着剪切带形成明显的侧向滑移破坏,其余条件下均发生测胀破坏。     

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。     

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。     

真三轴条件下Q_3黄土的屈服特性研究EI北大核心CSCD

针对非饱和黄土的湿、载屈服特性,利用非饱和土真三轴仪,对不同初始吸力非饱和原状黄土进行常含水率等向固结和不同中主应力参数b值的剪切试验,研究非饱和原状黄土在p-s平面上的屈服曲线和p-q平面上的剪切屈服曲线,建立p-s平面上吸力增加屈服线和加载增湿屈服线的统一表达式;探讨非饱和黄土在不同b值条件下的屈服特性。研究结果表明:屈服吸力是一常数,与土的密度和结构性状相关;吸力增加屈服线和加载增湿屈服线统一描述为抛物线;p-q平面上的剪切屈服线呈曲线,在三维净主应力空间呈屈服曲锥面;随着b值增大,净主应力空间屈服面与k_0圆锥面相交;随着基质吸力减小和b值增大,k_0条件非饱和土可能产生屈服。对分析工程问题具有重要意义。     

陇东地区非饱和原状黄土的三轴力学特性

为获得陇东地区非饱和原状黄土的变形和强度特性及相关参数,对不同基质吸力及不同净围压下的非饱和原状黄土进行了常含水率三轴剪切试验,研究常含水率下陇东地区非饱和原状黄土的变形特性、临界状态、强度参数及基质吸力变化特性。研究结果表明:不同基质吸力下,偏应力与体应变临界状态线均呈线性关系;p-q平面内的原状黄土强度包线可以归一为一条直线,且可近似用饱和土临界状态线表示;非饱和黄土的抗剪强度受基质吸力的影响,非饱和原状黄土的黏聚力随基质吸力的增大而增大,有效内摩擦角受基质吸力的影响较小,可近似为一常数;并对不同基质吸力下陇东地区非饱和原状黄土的弹性模量进行拟合。     

真三轴条件下Q_3黄土的屈服特性研究

针对非饱和黄土的湿、载屈服特性,利用非饱和土真三轴仪,对不同初始吸力非饱和原状黄土进行常含水率等向固结和不同中主应力参数b值的剪切试验,研究非饱和原状黄土在p-s平面上的屈服曲线和p-q平面上的剪切屈服曲线,建立p-s平面上吸力增加屈服线和加载增湿屈服线的统一表达式;探讨非饱和黄土在不同b值条件下的屈服特性。研究结果表明:屈服吸力是一常数,与土的密度和结构性状相关;吸力增加屈服线和加载增湿屈服线统一描述为抛物线;p-q平面上的剪切屈服线呈曲线,在三维净主应力空间呈屈服曲锥面;随着b值增大,净主应力空间屈服面与k_0圆锥面相交;随着基质吸力减小和b值增大,k_0条件非饱和土可能产生屈服。对分析工程问题具有重要意义。     

竖向加载下填筑黄土边坡土体强度特性研究

利用真三轴仪,对重塑黄土进行了竖向加载条件下的平面应变试验,研究其在平面应变条件下的应力-应变关系、中主应力的变化特性和强度特性。试验结果表明:竖向主应力加载过程中,重塑黄土的应力-应变曲线均为硬化型或强硬化型。同一压实系数和固结围压条件下,含水率愈小,重塑黄土的强度就越高;同一含水率和固结围压条件下,压实系数越大,重塑黄土的强度就越高;同一含水率和压实系数条件下,固结围压越大,重塑黄土的强度就越高;重塑黄土的中主应力随轴向应变的增大而增大,固结围压越大,含水率越小,相应的中主应力越大;随着含水率的增大,黏聚力衰减明显,内摩擦角略有减小;随着压实系数的增大,黏聚力显著增大,内摩擦角几乎不变。     

不同结构性黄土的单轴抗压试验及破坏模式

结合室内单轴压缩实验,对不同初始结构性黄土在单轴应力条件下的结构性变化特性进行研究。研究发现,在同一含水率条件下,原状黄土试样的单轴抗压强度要明显高于重塑黄土试样的单轴抗压强度;当含水率较低时,土样的破坏主要表现为脆性拉裂破坏,破坏呈现突然性;当初始含水率较低时,含水率对黄土结构亚稳定状态的影响减小,初始结构强度的损失也相对减小,结构的可变性相对较大,黄土在该状态条件下所具有的初始结构性较强。构度结构性参数指标随初始含水率的增大出现骤减,说明在这一阶段试样的初始含水率对黄土的初始结构性的影响较明显;当黄土的初始含水率达到一定值以后,含水率的增大使得黄土试样在沉积过程中初始结构性相比低含水率下沉积的黄土试样,土样的初始结构性已经部分减小,从而对构度结构性参数指标的影响相对较小。     

原状黄土冻融过程抗剪强度劣化机理试验分析

通过对西安Q_3原状黄土在封闭系统冻融作用下的电镜扫描和直剪试验,研究了冻融作用对原状黄土微观结构和强度的影响。试验表明:冻融过程中原状黄土微观结构发生显著变化,大颗粒集粒数量明显减少,小粒径土颗粒所占比重增加,孔隙面积比增加。进一步基于损伤力学理论,得到微观结构冻融损伤度随冻融次数增加呈指数增加趋势,反映出冻融作用一定程度上破坏黄土体的结构强度,但多次冻融后黄土体结构强度趋于稳定的残余强度。冻融过程土样表面结构发生破坏,且含水率越高,土体表面特征破坏越严重。粘聚力随冻融次数增加呈指数衰减趋势,且含水率越高,粘聚力衰减幅值和速率越小;粘聚力随含水率增加表现出线性衰减特征,且冻融后粘聚力与含水率的变化规律近似重合;内摩擦角无明显规律性变化。粘聚强度冻融损伤系数随冻融次数增加呈指数增加趋势,随含水率升高有增大趋势。基于试验数据规律性,进一步提出了原状黄土粘聚强度劣化模型,该模型经试验验证可较好描述原状黄土粘聚强度劣化规律。     

非饱和土耦合本构模型的三维化

非饱和土本构关系模型通常是建立在修正剑桥模型的基础上,并采用了广义的von Mises准则,以描述非饱和土在一般应力状态下的本构行为。该准则假设在π平面上屈服面是个圆形,高估了土体除三轴压缩以外的强度,在平面应变中也会错误估计中主应力比。空间滑动面破坏准则（SMP）考虑了第三应力不变量的影响,屈服面在π平面上为曲边三角形,可以较好地描述一般应力状态下土体的剪切屈服和破坏特性。采用变换应力方法,将SMP准则应用到最近建立的非饱和土耦合本构模型中使其合理的三维化,能够有效地将模型从轴对称应力状态扩展至一般应力状态。根据与试验结果对比表明,改进后的模型在不增加任何参数的情况下,能够较好地模拟非饱和土在三轴伸长等一般应力状态下的行为特性。     

不同贯入倾角下TJ-1模拟月壤静力触探模型箱试验研究

为了研究月壤的工程力学特性，采用静力触探模型箱进行了0°，15°和30°三种不同贯入倾角下的TJ-1模拟月壤静力触探试验。试验结果表明：静力触探试验终止探头退出土体后，地表产生不同的变形模式，贯入倾角愈大地表变形范围愈大，垂直贯入表层模拟月壤形成以贯入点为对称中心的圆柱形孔洞，倾斜贯入情况下表层模拟月壤形成一个椭圆形的陷落坑；不同贯入倾角下贯入阻力都随贯入深度的增加而增大，同一垂直贯入深度处贯入阻力随贯入倾角的增大而线性增加，可用公式表示；垂直静力触探试验贯入阻力随深度的变化趋势可以采用公式估算；不同贯入倾角下探头周围的水平土压力均随贯入深度的增加先增大再减小，同一深度处贯入方向前侧土体水平土压力峰值随贯入倾角的增大而线性增加，后侧土体水平土压力随贯入倾角增大而线性减小，二者的变化规律均可用公式表示；600 mm深度处的垂直土压力终值随贯入倾角的增大而线性减小，可用公式表示。     

控制吸力的非饱和土真三轴试验研究

基于西安理工大学的新型真三轴仪,在压力室底座与试样顶盖上分别安装高进气值陶土板与多孔板,从而增加孔隙气压力与孔隙水压力独立控制和量测装置,进而利用轴平移技术对基质吸力进行控制,并且新增水气控制面板和气动二联件对可控制吸力的真三轴仪进行了进一步完善。在此基础上初次尝试对重塑黄土进行了同时控制吸力(s=100 kPa)与净平均应力(p=300 kPa)为常数的真三轴固结排水剪切试验,分析了不同中主应力参数(b=0,0.25,0.5,0.75,1)条件下,各主应变(e_1,e_2,e_3)随偏应力(q)的变化情况;给出了重塑黄土在同时控制吸力与净平均应力路径下p平面上的破坏轨迹,并与Lade–Duncan强度破坏准则和Mohr–Coulomb强度破坏准则的预测破坏线进行了比较。     

加载路径对重塑黄土一维蠕变特性的影响

黄土因具有蠕变特性,在荷载v??不变的情况下,蠕变时间t的增长也能引起土体孔隙比的减小,假设蠕变时间的增长也为一种加载,为探求重塑黄土变形量的v??-t加载次序相关性,进行了4种加载路径的试验,试验结果表明:重塑黄土变形量的v??-t加载次序相关性显著,虽然各试样的最终荷载相同,加载过程中的蠕变时间也相同,但是,在一级加载过程中,先蠕变的试样比先施加荷载的试样变形量小,在分级加载过程中,按照"荷载—蠕变—荷载"施加次序的试样比"荷载—荷载—蠕变"施加次序的试样变形量小,此结论可为工期较长的高填方工程的施工计划安排提供一定参考。姚仰平等提出的一维蠕变公式能较好反映重塑黄土变形量的蠕变时间和荷载的加载次序相关性,公式所需5个参数均能简单获得。     

粗糙节理的峰值抗剪强度准则

采用3组具有不同表面形貌的节理试件分别在0.5,1.0,1.5,2.0,3.0 MPa的法向应力下进行直剪试验,研究常法向应力条件下峰值抗剪强度与节理表面三维形貌特征参数之间的定量关系。选用有效三维平均倾角、最大可能接触面积比作为表征节理三维形貌特征的参数;在分析剪胀角与法向应力关系的基础上基于试验结果提出双曲线形式的经验剪胀角模型,进而建立新的节理峰值抗剪强度公式。与Barton公式、Son公式进行了对比,在分析计算偏差的基础上对新公式做出简要评价。     

考虑渗透吸力影响膨润土的修正有效应力及其验证

普遍认为膨润土是高放废物地质处置库缓冲/回填层的理想材料,膨润土在地下水溶液中的膨胀变形和剪切强度关乎高放废物地质处置库的安危。地下水溶液中膨润土膨胀变形和剪切强度受到渗透吸力影响,根据膨润土表面分形模型,建立考虑渗透吸力应力影响的修正有效应力公式,用竖向应力p和渗透吸力π表示为■,并采用膨润土在NaCl溶液中的膨胀变形和剪切强度进行验证。NaCl溶液中膨润土的膨胀变形与修正有效应力p~e表示为同一曲线■,峰值剪切强度与修正有效应力p~e表示为同一直线■,符合Mohr–Coulomb准则。     

斜入射地震波在土体中产生的动应力路径及试验模拟

针对地震波传播时并非垂直的情况,基于半无限弹性空间地震波的传播理论,对地震波进行简化,考虑斜入射时地震波在自由界面处的反射,推导了地震波斜入射时地震应力的计算公式,并通过计算实例分析了不同入射角度下,P波、SV波单独斜入射时在土单元体中所产生的地震应力以及所形成的应力路径。结果表明：当P波、SV波单独斜入射时,土单元体在平面应力差-剪应力平面上形成的应力路径均为一个倾斜椭圆,斜椭圆的倾角和长短轴之比随地震波入射角度、频率、波速等影响因素在一定范围内变化。文中还针对如何实现倾斜椭圆形应力路径的室内试验模拟进行了初步探讨分析。     

加卸载条件下吸力对黄土变形特性影响的试验研究

为了探讨基质吸力和净围压对黄土的变形–强度及卸载–再加载模量的影响,用非饱和土三轴仪对原状Q_3黄土及其重塑土共做了3组27个试验,即9个控制吸力和净围压等于常数的原状Q_3黄土的三轴固结排水剪切试验、9个原状Q_3黄土和9个重塑Q_3黄土的控制吸力和净围压等于常数的三轴固结排水卸载–再加载剪切试验。研究结果表明:基质吸力和净围压均对试样的强度及变形特性有显著影响;原状Q_3黄土的偏应力–应变曲线随净围压的增大从理想弹塑性型演变为硬化型,因其结构性导致偏应力–应变曲线的初始阶段存在交叉现象,试样一直处于剪缩状态;重塑试样在净围压较小时由剪缩逐渐变为较强的剪胀,在净围压较大时则只发生剪缩;表观凝聚力、切线杨氏模量和卸载–再加载模量均随着吸力的增大而增大;而吸力对有效内摩擦角及参数n(原状Q_3黄土的初始杨氏模量随净围压增大而变化的指数)、n_(ur)(原状Q_3黄土的卸载—再加载模量随净围压增大而变化的指数)和n_(ur)'(重塑Q_3黄土的卸载—再加载模量随净围压增大而变化的指数)的影响很小,皆可视为常数。基于试验研究结果,提出了考虑吸力和净围压影响的表观凝聚力、切线杨氏模量和卸载—再加载模量的修正计算公式,完善了非饱和土的增量非线性模型。     

冻结重塑黏土损伤特性及影响因素分析

1max一般介于0.6～0.8之间;②温度对冻结重塑黏土损伤特性影响较明显,降低温度可以明显强化冻土结构,减少冻土结构的损伤及延缓冻土损伤的发展,而含水率和围压对其影响不明显;③割线模量可以较好地表征冻土在加载过程中裂缝的发展特点和结构的损伤演化规律,损伤初始点轴向应变和割线模量与温度之间存在较好的线性增长关系,且冻结重塑黏土损伤应变门槛值]]>