结构性对压实黄土侧限压缩特性的影响

对一定试验含水率及干密度下具有不同结构性(排列)的压实黄土试样进行侧限压缩试验,分析制样含水率引起的结构性变化对不同试验含水率压实黄土侧限压缩特性的影响,探讨压缩性指标与初始结构性参数之间的关系。以饱和压实黄土的压缩曲线为基础,通过引入反映结构性影响的初始结构性参数,提出压实黄土压缩曲线的表达式,根据此表达式可以确定湿载耦合时压实黄土的压缩变形。研究结果表明:制样含水率引起的结构性变化对压实黄土的侧限压缩特性有一定的影响,影响程度随试验含水率增大而减小,对饱和压实黄土压缩特性几乎没有影响;压实土的初始结构性随制样含水率的增大或试验含水率的减小而增强,弹性指数基本上不受结构性的影响,结构屈服压力及压缩指数皆随初始结构性参数增大而增大。在不同的试验含水率及制样含水率下,压缩指数及结构屈服压力与初始结构性参数之间皆有良好的归一化非线性关系,且可用以饱和压实黄土的压缩性指标为参照状态的双曲线来描述。     

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。     

侧限压缩条件下非饱和原状黄土的土水特征

 用非饱和土固结仪对不同初始含水率的西安原状黄土进行常含水率压缩试验,最大净竖向应力为1 600 kPa,采用轴平移法测定有、无竖向应力条件下黄土的吸力,探讨侧限压缩条件下应力变化对原状黄土吸力特性的影响。结果表明：含水率一定时,净竖向应力变化对非饱和原状黄土的吸力状态有一定的影响,且影响规律随初始含水率而异,影响程度与应力及初始含水量的大小有关;较低净竖向应力(≤400 kPa)时,应力变化对不同初始含水率原状黄土吸力的影响皆很小;初始含水率大于塑限时,应力的影响较小,小于塑限时,其影响较大。在与应力及含水率相关的二种饱和度变化条件下,吸力与饱和度关系呈现出不同的变化特性。净竖向应力对土水特征曲线的影响与其大小有关,净竖向应力较大(＞400 kPa)时,其影响较大,净竖向应力较低(≤400 kPa)时,其影响很小。为了工程应用简便起见,较低净竖向应力(≤400 kPa)时,原状黄土的土水特征可用无应力条件下含水率与吸力关系来描述,较大净竖向应力(＞400 kPa)时,应分别确定,不同应力作用下的土水特征曲线可用幂函数来描述。     

黄土的增湿变形特性及其与结构性的关系

在不同含水量下对西安、兰州原状黄土进行压缩试验，根据同一压力下原状黄土与重塑饱和黄土的孔隙比定义一个定量结构性参数mP，探讨黄土的结构性参数随压力及增湿含水量ω变化的特性，用结构性变化特性分析原状黄土增湿变形特性机制。研究表明：（1）同一压力下，mP-ω关系可分为平缓和下降2段，而增湿湿陷系数δs与ω的关系可分为平缓和增长2段，交点处的增湿结构破坏起始含水量ωf随压力的增大而减小。（21在ω〈ωf时，黄土对水的敏感性很弱；ω〉ωf时，水的敏感性很强。（3）高压力处增湿湿陷性强，低压力处增湿湿陷性弱，增湿压力的影响在低初始含水量时要比高初始含水量时明显得多。（4）同样增湿含水量下，增湿变形随着初始含水量ω0增大而减小，但当ω0〈ωf时，ωo变化对增湿湿陷变形的发展几乎没有影响，可以归一。（5）在不同压力和初始含水量下，西安、兰州黄土的δs-（mP．ω0-mP，ω）之间的线性关系非常相近，即增湿变形的发展受结构性影响的规律是基本相同的。     

加荷增湿作用下Q3粘黄土的结构损伤特性

基于三轴加荷与增湿作用下原状Q3粘黄土的变形特性,从增湿、等向压缩及增湿、剪切变形引起黄土结构产生损伤演化发展出发,寻求得到了通过应力应变曲线初始切线模量变化反映湿压原状结构损伤和次生结构增长,以及剪切变形过程不同应力应变状态对应的等结构性应力应变理想双曲线变化反映湿剪结构损伤和次生结构增长,揭示加荷与增湿作用下原状黄土结构性变化发展全过程的途径。提出了一个能全面反映湿陷性粘黄土在湿度和应力变化条件下原生结构的损伤演化规律的结构性损伤比,并建立了结构性黄土应力应变方程。     

考虑结构性影响的原状黄土等效线性模型

对不同含水率的西安原状黄土及相同干密度的扰动饱和黄土进行动三轴试验,用同一动应变下原状黄土的割线模量Edy与扰动饱和黄土的割线模量Edrs之比值定义了动三轴应力条件下结构性参数mεd,它可以综合反映土的排列和胶结特征所表现出的综合结构势(结构性强弱),探讨了动荷作用过程中不同固结围压及含水率下结构性参数变化特性。研究结果表明:①结构性参数可以反映含水率、固结围压对动三轴应力条件下原状黄土结构性的影响,具有很好的合理性、灵敏性、稳定性。用此结构性参数随含水率、固结围压的增大而减小的特性可以合理地解释原状黄土的动应力应变特性;②结构性参数的变化量mεd0?mεd与动应变εd关系可以用双曲线来拟合(mεd0为初始结构性参数),由此所得到的结构性参数表达式可以反映固结围压、湿度、密度、动应力和动应变对结构性的影响;③在扰动饱和土的等效线性模型中引入结构性参数所得到的原状黄土等效线性模型能够考虑增湿、加荷对原状黄土结构性的影响,计算结果与试验结果之间吻合较好。     

压缩条件下非饱和黄土的结构流体等效应力特性

 对不同含水率的西安原状、重塑及人工结构性黄土进行压缩试验,依据变形等效原则,用同一固结孔隙比下非饱和黄土与相同干密度饱和黄土的应力之差确定结构流体等效应力,探讨结构流体等效应力的特性。分析结果表明：西安原状、重塑及人工结构性黄土的结构流体等效应力与总应力及饱和度之间呈幂函数关系,这与其他地区原状黄土定性上相同,结构流体等效应力的变化规律具有很强的普适性。结构流体等效应力能够反映黄土的结构性、湿度及应力的变化,其幂函数表达式中参数与含水率、结构性、干密度有关。根据此幂函数关系式可以确定湿载耦合作用下非饱和黄土的结构流体等效应力,进而得到非饱和黄土的有效应力及有效应力压缩曲线。     

常含水率三轴条件下非饱和原状黄土的吸力和力学特性

为了模拟实际工程在不排水条件下土体的快速破坏,对不同初始吸力非饱和原状黄土进行了常含水率等向压缩和三轴剪切试验,研究了常含水率下非饱和原状黄土的变形特性、临界状态、屈服及吸力变化特性。研究结果表明: 在等向压缩和三轴剪切应力条件下,非饱和黄土的变形和吸力变化特性不同;不同初始吸力下,偏应力与净平均应力临界状态线为平行直线,偏应力与有效平均应力临界状态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,半对数坐标系上孔隙比与净平均应力及有效平均应力临界状态线皆近似为平行直线,直线斜率比饱和土的大,比屈服后等向压缩曲线的小;对于不同初始吸力,相同有效平均应力下非饱和原状黄土与饱和黄土的临界状态孔隙比之比与气体饱和度关系可以归一;屈服净平均应力及屈服偏应力皆随着初始吸力的增大而增大;q-p平面上初始及后继屈服曲线为对称于K₀线的椭圆,吸力及应力硬化对屈服曲线的影响是等向的。     

基于侧限压缩下非饱和黄土结构特性试验研究

为研究原状黄土结构性随竖向荷载、含水率、吸力的变化规律,进行了非饱和黄土的侧限压缩试验,定量分析了原状黄土联结结构性参数M1与摩擦结构性参数M2,以及黄土的结构性参数Mp的变化规律。试验结果表明:黄土结构性参数Mp与竖向荷载p的关系曲线分为3个阶段;在同一吸力作用下结构性参数Mp与含水率w呈S型曲线;结构性参数Mp与吸力s的变化规律与竖向荷载p有关,当p小于400kPa时呈指数函数分布,当p大于400kPa时呈线性函数分布;天然原状黄土在自重应力作用下Mp-s曲线呈指数函数分布。     

非饱和Q_3原状黄土及其重塑土的持水特性研究

为研究黄土结构性变化对其持水特性的影响规律,以兰州和平镇非饱和Q3原状黄土及其重塑土为研究对象,利用非饱和四联固结仪和压力板仪,对28个环刀试样进行了施加竖向应力和吸力的固结排水试验,以获取原状黄土和重塑黄土的土—水特征曲线。研究结果表明:固结试验中,竖向应力对黄土的持水特性有着明显影响。在同一竖向应力和吸力作用下,重塑土的固结排水要大于原状土;原状黄土的进气值和残余含水率均要略高于重塑土;吸力在20~80k Pa范围内,随着吸力的增大,原状土饱和度的减小趋势要强于重塑土;在吸力80~1000k Pa范围内,在同一吸力条件下,原状土饱和度要大于重塑土。低吸力作用下,原状黄土特殊结构有利于其排水;而高吸力作用下,对于原状黄土,其大孔隙和竖向孔洞中气体抑制水分排出,使得原状土排水减小,重塑土的排水增大。通过分析原状黄土和重塑黄土持水特性的差异,可为黄土结构性的研究提供一种新思路。     

黄土隧道地基湿陷变形评价方法探讨

 隧道穿越自重湿陷性黄土地层时,可能遭受浸水作用下地基湿陷变形的附加作用而产生结构破坏。针对隧道衬砌结构的湿陷性黄土地基,结合隧道围岩及地基的自重湿陷变形特征,首先,提出浅埋隧道围岩压力、衬砌结构自重荷载构成基底压力和隧道两侧基底面分布土层自重共同作用下地基土的附加应力计算方法,以及考虑地基土自重应力的湿陷压缩应力计算方法。其次,在基本物性与构度、构度与结构压缩屈服应力、孔隙比和初始孔隙比比值与压缩应力和结构压缩屈服应力比值关系的基础上,建立自重湿陷系数和湿陷系数的计算方法。依据大厚度自重湿陷黄土场地不同埋深范围黄土具有不同自重湿陷系数门槛值的特征,得到了场地的自重湿陷变形和隧道地基的湿陷变形的计算方法。最后,通过数值计算分析,模拟隧道地基湿陷变形不同沉降差作用下衬砌结构应力场和塑性域发展,随着不均匀湿陷变形的增加,隧道衬砌结构塑性区范围不断增大,并结合铁路路基沉降控制标准,建议隧道地基湿陷变形0～5 cm为一级、5～10 cm为二级、大于10 cm为三级。     

黄土的结构屈服及湿陷变形的分析

黄土是一种典型的结构性土,其湿陷性是浸水后黄土结构破坏的反应。黄土的结构性可用构度指标定量地描述,它既包含了土的物质组成,还包含了不同沉积年代黄土的结构特征。加载和浸水均可引起黄土结构性衰减,加载结构性衰减可由一定含水率黄土的压缩结构屈服应力和压缩变形曲线表征;浸水结构性衰减可由浸水的压缩结构屈服应力减小和压缩变形曲线的变化表征。针对不同场地、不同沉积年代的Q_3黄土和Q_2黄土,依据不同含水率黄土的压缩曲线,分析了不同黄土构度指标与其压缩结构屈服应力之间的关系,以及黄土压缩变形过程中孔隙比和初始孔隙比比值与压缩应力和压缩结构屈服应力比值对数之间的关系。表明不同沉积年代黄土的构度随其反映基本物性的综合物理特征量单调变化,压缩结构屈服应力与构度之间近似呈线性关系,压缩结构屈服前后的孔隙比比值和压缩应力比值对数之间服从近似一致的变化规律。建立了由黄土沉积年代和基本物性指标确定构度,进而确定压缩结构屈服应力;依据孔隙比比值与压缩应力比比值对数的关系,分别描述天然含水率黄土和浸水饱和黄土的压缩曲线;进而,确定饱和自重作用下黄土的自重湿陷系数,计算场地自重湿陷变形的评价方法。该方法应用于西安地区黄土场地自重湿陷评价,得到了与现场浸水试坑试验实测自重湿陷量比较一致的结果,论证了考虑黄土结构性的湿陷性评价方法的合理性和准确性,为建筑黄土地基湿陷变形和大厚度湿陷性黄土地下结构地基湿陷变形评价提供了一种新途径。     

湿载耦合作用下黄土结构性损伤演化及本构关系

 针对增湿、加荷作用下黄土结构性损伤演化的变形问题,通过压缩变形特性和三轴剪切变形特性,分析黄土结构性损伤的宏观力学反映。分析结果表明,土的含水量增加、固结压力增大和剪切作用均会引起黄土的结构性损伤。随着含水量的增大,压缩作用损伤和剪切作用损伤更加突出;固结压力较大时,压剪作用对土原生结构破损更突出,其次生结构和剪缩性增强。将结构性损伤土视为原状结构体和完全损伤体的复合体,综合应用应力比损伤方程和应变损伤方程,在比较原状土与饱和重塑土应力比建立结构性参数的基础上,建立黄土的结构性损伤演化方程;在原状结构体服从弹性定律、完全损伤体服从修正剑桥模型的基础上,从结构性损伤土变形为原状结构体弹性变形和完全损伤体弹塑性变形叠加出发,建立结构性土的损伤弹塑性本构方程。同时,比较分析不同湿度黄土试验测试的应力–应变曲线和损伤弹塑性本构方程描述的理论曲线,两者比较一致,验证了该本构关系的合理性。     

土的初始和再压缩曲线分析模型

 土的初始和再压缩过程中,孔隙比与压力关系(即e-p曲线)是天然地基沉降计算与分析的关键之一。首先在土的初始压缩变形机制及其e-p曲线特征研究基础上,引入土应力–应变关系的双曲线模型,并从完全侧限条件下土的应变与孔隙比关系入手,建立出土的初始压缩e-p曲线分析模型及其参数确定分析方法;然后,根据土的初始与再压缩e-p曲线模型的区别是其初始孔隙比与初始压缩模量不同及其产生的原因,提出再压缩土的初始孔隙比与初始压缩模量等参数确定方法,进而建立出考虑应力历史影响的再压缩土e-p曲线分析模型。本文建立的初始与再压缩e-p曲线分析模型均只包含初始孔隙比、初始压缩模量和压缩系数3个常规试验参数,模型简单,参数少,且物理意义明确。最后,通过实测与理论分析曲线的对比分析,表明了该模型的合理性与可行性。     

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。     

Compression behavior and structure of undisturbed Q2 loess under wet-dry cycles

In the Loess Plateau of China, the undisturbed Q₂ loess is in a state of wet-dry cycles due to seasonal rainfall and groundwater level fluctuations. The root cause of large deformation and poor stability of engineering foundation caused by wet-dry cycles or load compression lies in the distinctive structure of loess. In this paper, the effects of wet-dry cycles and initial water content on the compression deformation and compression coefficient of undisturbed Q₂ loess were analyzed. Based on the structural parameter at the macro-level and the microscopic morphology and pore size distribution at the micro-level, the effects of wet-dry cycles and initial water content on the structure were analyzed from two aspects, and the influence mechanism was discussed. Meanwhile, based on the relationship between microstructure and unsaturation, the impact of wet-dry cycles on the soil–water characteristic curve was determined. The results show that the wet-dry cycles and initial water content were positively correlated with the compression deformation and compression coefficient of the undisturbed Q₂ loess, but negatively correlated with the structural parameter and water retention. These parameters were stable under the 2 wet-dry cycles. With the increase in initial water content, the sensitivity of wet-dry cycles to the compression deformation, structural parameter, and water retention gradually decreased. The sensitivity of initial water content to the compression deformation, structural parameter, and water retention gradually reduced with the increasing wet-dry cycles. Moreover, the influence mechanism of wet-dry cycles and initial water content on the macro-parameters and structure was mainly weakening the particle cementation strength. With the increase in initial water content, the decreasing range of the inter-aggregate cementation strength and intra-aggregate cementation strength under the influence of wet-dry cycles decreased. With the increase in wet-dry cycles, the decreasing range of the inter-aggregate cementation strength and intra-aggregate cementation strength under the influence of initial water content decreased.     

考虑黄土结构性变化的地基增湿压缩变形分析

通过湿陷性黄土的侧限压缩试验,按照损伤力学复合体理论,研究了压缩应力应变曲线及其切线压缩模量的变化规律,提出了能够考虑加载及增湿耦合作用的结构损伤比,并在考虑实际地基浸水和附加应力变化的耦合作用下,建立了切线压缩模量随含水量和附加应力连续变化的函数。发现切线压缩模量随压应力的增大而减小,随含水量的升高而降低;压缩应力和增湿作用下的结构损伤性较压硬性更加突出,加荷和增湿作用过程就是黄土结构的损伤过程。基于黄土的结构损伤比,给出了地基土压缩模量随含水量和压缩应力连续变化的函数,提出的地基沉降验算方法是评价湿陷性黄土地基可能湿陷量的一条有效途径。     

西安洪庆地铁车站地基湿陷性研究

以西安地铁洪庆站为研究对象,针对现行“湿陷性黄土地区建筑规范”评价方法所得结果误差较大的问题,开展了现场原位试坑浸水试验,表明了该车站位于自重湿陷性黄土场地。通过数值分析方法,模拟车站施工过程,分析了不同埋深条件下车站基底分布实际竖向应力,揭示了地铁车站修建过程中地层内的卸荷特征,建立了不同埋深车站基底及围护结构基底竖向压缩应力分布函数。应用Flamant弹性解,建立了基底黄土实际竖向压缩应力随埋深变化的计算公式。通过结构压缩屈服应力与综合物理特征量的关系、压缩孔隙比与初始孔隙比比值与压缩应力与结构压缩屈服应力比值的关系,建立了计算浸水饱和黄土湿陷系数的“浸水结构破坏湿陷性”评价方法,并与现场试坑浸水试验结果进行比较,验证了评价方法的可靠性。对黄土地区城市轨道交通工程设计中湿陷变形量预测和地基处理深度的合理确定具有一定的参考借鉴意义。