黄石淤泥质土的剪切蠕变特性及模型研究

通过室内剪切蠕变试验,对黄石地区淤泥质土蠕变特性进行了研究。结果表明：黄石淤泥质土的剪切蠕变变形可近似为线性特征;蠕变变形在一定剪应力水平下才能表现出来,剪应力水平越高,剪切蠕变变形越明显;在高应力下,土的粘滞性增加,流动性降低,剪切模量与时间呈下降幂函数关系;粘滞系数的变化受剪应力的影响并不大。针对试验数据采用线性回归分析法确定蠕变参数能取得较高的精度,Burgers体蠕变模型和经验型模型均能较好描述该地区淤泥质土的剪切蠕变规律。比较而言,采用经验型模型更适合于描述软土非线性剪切蠕变特性。     

不同状态下黏性土剪切蠕变行为对比分析

低速滑坡的缓慢活动特征受其滑带岩土的蠕变行为控制。但是,新生型低速滑坡和复活型低速滑坡滑带岩土的蠕变行为显然分属于峰前状态和残余状态下的蠕变行为。两种状态下滑带岩土蠕变行为有何差异,国内外尚无明确认识。为此,本文以取自两个典型巨型低速滑坡——甘肃舟曲泄流坡滑坡和锁儿头滑坡滑带的含角砾黏性土为研究对象,分别采用直接剪切蠕变试验和直剪反复剪后的直剪蠕变试验方法,对比研究了峰前状态和残余状态下黏性土的剪切蠕变行为。研究发现,峰前状态和残余状态下,黏性土剪切蠕变均呈现阶段性,各阶段转换的临界剪应力均与正应力水平和角砾含量正相关。但是,峰前状态下黏性土蠕变具有明显的稳定蠕变阶段;残余状态下黏性土蠕变缺失这一阶段;前者加速蠕变临界剪应力大于后者、但小于峰值强度,后者加速蠕变临界剪应力略微大于残余强度。两种状态下,黏性土蠕变行为差异的根本原因在于土体内部的不同结构。     

软土三轴剪切蠕变试验研究及模型分析

将数字图像测量技术运用于三轴剪切蠕变试验,试验结果表明,土粒间水膜厚度对土的蠕变有很大的影响,不排水时,试样土颗粒间水膜保持不变,土的黏滞系数基本为一定值,土的流变变形较大;排水时,随着水的排出土体发生固结硬化,土颗粒间水膜变薄,土的密度增大,黏滞性增强,流变变形较小。在排水条件下,加载瞬间孔隙水压力会持续上升产生Manadei-Cryer效应,整个过程历时约10 min。随着偏应力水平的增加,试样发生鼓胀变形,进而形成剪切面发生剪切破坏;受排水路径的影响,剪切面通常位于试样偏下部位。对比数字图像测量方法和试样排水体积换算法在获得剪切应变时的试验结果,表明试验过程中试样变形的不均匀会导致排水体积换算法在计算剪切应变时产生较大误差;Singh-Mitchell模型很好地描述土的剪切流变特性,确定参数时两种方法得到的参数相差不大,偏应力水平较低时可采用排水量换算法进行确定。     

结构性软土的黏滞系数

黏滞系数是表征土的蠕变和流动特性的重要指标。对黄石、漳州、青岛地区结构性软土进行电子显微镜扫描、颗粒分析、X衍射试验和化学分析试验,测试结果表明,软土的粒度成分、矿物成分、物理化学性质、结构类型对黏滞系数影响较大。软土蠕变过程中,结构单元体发生定向排列或产生滑动,其相对运动使结合水的黏滞性反映出来,进而引起黏滞系数的变化。进行直接剪切蠕变试验,并通过陈氏法处理蠕变试验数据。试验结果表明,黏滞系数随剪应力的增加达到峰值,固结压力越大,峰值体现越明显,峰值对应的剪应力也越大,这主要是微观结构随剪应力增大逐渐破损所引起的。固结压力增大,结合水膜厚度变薄,土颗粒间连接力增强,黏滞系数也随之增大。用不同固结压力下黏滞系数峰值对应的剪应力代替临界抗剪强度,提出了一个新的求取长期强度的方法,并通过试验数据验证了方法的正确性。该研究有助于进一步认清蠕变机制,对修正或建立较为符合实际的本构模型有一定意义。     

组装式变尺寸直剪仪的研制

由于粗粒土的直剪试验存在显著的尺寸效应,且室内常规直剪仪无法调整试样尺寸,所以难以准确获得粗粒土的抗剪强度参数。基于此问题,介绍了一种可以改变试样尺寸的组装式直剪仪。该直剪仪由出力装置、位移量测装置、反力框架、剪切盒等部分组成。通过改变每一层剪切盒的钢环嵌套个数来改变试样的直径,直径有6.18、10、15、20 cm 4个取值;改变剪切盒的叠置层数来改变试样的高度,高度有5、10、15、20 cm 4个取值,试样直径和高度共有16种组合。在此基础上,选取薛城水电站引水隧洞开挖弃渣为试样,进行5组平行直剪试验,验证了该直剪仪的可重复性以及试验结果的可靠性。改变试样直径D与高度H的组合,进行一系列直剪试验研究了该试样直剪试验的尺寸效应,得出该试样的合理试样尺寸。     

黏结强度对异质土界面强度与变形特性影响试验研究

我国黄土高原地区黄土沉积覆盖于新近系三趾马红土之上,形成具有胶结的异质土界面。为研究黏结强度对黄土–三趾马红土界面抗剪强度与变形特性影响,开展其剪切力学试验研究,探讨界面间黏结强度对界面破坏模式、界面变形与抗剪强度特性影响规律。结果表明:(1) 有无界面黏结导致异质土界面试样破坏模式不同,界面黏结增大了试样沿界面间的滑动阻力,试样剪切破坏更趋于剪断模式,剪断面损伤程度也越高;(2) 异质土界面剪应力–剪应变曲线均呈应变软化型,有无界面黏结导致界面试样剪切变形特征不同,有界面黏结试样剪切破坏位移大,峰值强度后剪应力降低幅值大,试样脆性剪断破坏特征越显著;(3) 剪切过程中异质土界面产生明显的竖向剪胀变形,有界面黏结试样竖向剪切位移小,且其随界面粗糙度、法向应力变化幅值小;(4) 异质土界面抗剪强度呈非线性变化,界面黏结存在显著提升了界面试样抗剪强度。当异质土界面间粗糙度较低时,黏结强度对界面试样抗剪强度提升幅度大;当异质土界面间粗糙度高时,黏结强度对界面试样抗剪强度的提升幅度下降,此时界面抗剪强度主要受控于界面两侧土体抗剪强度。      

基于颗粒破碎的粗粒土剪切强度的模拟分析

颗粒破碎在岩土工程领域是很常见的现象,土工试验中无法显示颗粒破碎过程及其影响,本文采用离散单元软件PFC2D模拟了考虑颗粒破碎影响的粗粒土的直剪试验,给出了考虑颗粒破碎的粗粒土直剪试验的模拟方法,分析粗粒土的剪应力-剪切位移关系、剪胀和剪切强度等宏观力学行为,探讨基本颗粒间黏聚力、单颗粒孔隙率和粗粒土试样的孔隙率对剪切强度的影响。结果表明:颗粒破碎对剪切强度的破碎准则有影响,颗粒不破碎试样的剪切强度符合Mohr-Coulomb准则;颗粒破碎试样的强度包络线是幂函数关系。     

粗粒土与结构接触面特性的离散-连续耦合数值研究

三维变形体离散元法能够自动检索接触关系,并对具有不规则形状的粗粒土颗粒和结构物进行有限差分网格离散,因此,具有模拟离散-连续耦合问题的先天优势。采用随机模拟技术生成粗粒土三维数值试样,基于变形体离散元进行粗粒土与结构接触面特性的数值试验,研究了不同接触面粗糙程度的接触面力学特性,对比了粗粒土与结构物在单剪和直剪状态下的接触面力学特性,从宏观和细观两个层面分析了数值试验结果。结果表明,数值试验能较好地反映粗粒土与结构接触面的力学特性,其剪应力-相对剪切位移曲线与试验结果规律相似;接触面粗糙程度对接触面的强度和变形特性影响较大,其机制在于剪切对试样的扰动程度不同;直剪和单剪状态下试样剪应力-相对剪切位移均为双曲线,单剪试验的初始剪切刚度低于直剪试验,两种试验得到接触面抗剪强度指标比较接近。     

新型三轴剪切试验试样排水固结装置的研制与应用

三轴剪切试验是岩土工程中常见的室内试验,其目的主要是为了获得土的抗剪强度指标和土中孔隙水压力的变化情况。三轴的固结不排水剪（CU）和固结排水（CD）剪试验可以获得土的总应力抗剪强度指标和有效应力抗剪强度指标,因此具有其它剪切试验无法替代的优势。但因试验过程中排水固结的时间很长,影响了试验进度,从而影响到整个工程的进度和经济效益。通过对三轴剪切试样排水固结过程的机理分析,介绍了制作一种可以大大缩短大量试样排水固结时间的装置及该装置的研制方法。采用该装置,可使CU试验的效率提高6～12倍,可使CD试验的效率提高3～6倍。可节约大量的生产成本,提高工作效率,经济效益明显。     

土工格栅与土界面作用特性试验研究

土工格栅与土的界面摩擦特性指标是加筋土工程设计的关键。通过分析土工格栅与土的界面摩擦作用和进行了直剪摩擦试验和拉拔摩擦试验,测试了两种试验条件的界面摩擦特性。在两种试验条件下,土工格栅加筋土复合体的抗剪强度均有界面摩擦角φsq和界面凝聚力csq,且土工格栅与土相对位移量的不同,其复合体的强度机理有区别。在拉拔摩擦试验中,剪应力峰值强度对应的剪切变形值高于直剪摩擦试验中剪应力峰值强度的剪切变形值5～10倍以上。两种试验均有其适用性,而土与土工格栅的相对位移较小时直剪摩擦试验较能反映实际;土与土工格栅相对位移较大时土与格栅双面均发生相对位移,拉拔摩擦试验更为合适。随法向应力的增大,直剪摩擦和拉拔摩擦试验的剪应力峰值以及剪应力峰值对应的位移均提高。直剪摩擦的剪切速度小,剪应力峰值强度高,且达到峰值强度的剪切位移大;增加剪切速度,剪应力峰值强度降低,且对应的位移也减少,其原因是界面上的孔隙水压力消散和筋材的应力松弛。应根据具体工程的需要选择直剪摩擦试验和拉拔摩擦试验确定设计参数。     

低速缓动滑坡滑带土剪切蠕变特性

滑带土的蠕变特性对低速缓动滑坡的形成演化过程起着控制性作用。本文选取典型的低速缓动滑坡—二庄科北区滑坡的滑带土为研究对象,在不同正应力水平作用下,通过对该滑带土的饱和试样进行直剪蠕变试验,研究了它的剪切蠕变特性。结果表明:该滑带土具有明显的蠕变特性,均包括瞬时变形、衰减蠕变和稳态蠕变3个阶段;随着剪切荷载的增大,衰减蠕变阶段及瞬时变形阶段的变形量均增大,衰减蠕变持续时间更长;其等时应力—应变曲线呈现出非线性特征,且曲线具有明显拐点;在长期荷载作用下出现强度损失,且正应力越大,强度损失越大;随着时间增大,衰减蠕变阶段的剪应变率越来越小,且剪应力越大,剪应变率越大;在蠕变破坏前的阶段,剪应变率随正应力增大而减小,即滑坡埋深越深,滑速越慢。     

Numerical simulation of fabric anisotropy and strain localization of sand under simple shear

This paper studies the effects of initial fabric anisotropy of dry sand in simple shear deformation. The effects of anisotropy are taken into consideration through the modification of the mobilized friction in the Mohr–Coulomb‐type yield surface as a function of a fabric parameter. In addition, the constitutive model uses a gradient term that directly incorporates the effects of material length scale. The constitutive formulation is implemented into ABAQUS finite element code and used to simulate shearing of the dry sand under various conditions of simple shear. The numerical simulations show that while the shear stress response is affected by fabric anisotropy, its effects on strain localization in simple shear are minimal. This is in contrast to other devices such as the biaxial shear. The strain localization in simple shear is controlled more by the imposed boundary conditions. The use of material length scale is shown to remove the effects of strain localization in the shearing response. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

Evaluation of stress strain non-uniformities in the laboratory direct simple shear test specimens using 3D discrete element analysis

The direct simple shear (DSS) device is one of the commonly used laboratory element testing tools to characterize the shear behaviour of soil. The interpretation of results from an element test requires understanding of the degree of stress and strain non-uniformities in a given test specimen. So far, studies on stress and strain non-uniformities in the DSS test have been conducted using direct boundary measurements of stresses in laboratory specimens supported by a continuum based analytical approach. Discrete element modelling now provides a means of modelling the soil behaviour in a realistic manner using a particulate approach. Accordingly, the performance of a DSS specimen was modelled using discrete element modelling with emphasis on assessing stress and strain non-uniformities in the specimen during shearing. The approach allowed for the numerical determination of stresses not only at the boundaries, but also within the DSS specimen. It was shown that mobilised stress ratio distribution throughout the shearing phase for the majority of specimen volume at locations near the central planes parallel and perpendicular to the direction of shearing is fairly uniform. Finally, it was noted that the potential for particle slippage at locations near the specimen centre can result in non-uniform shear strain distributions.     

超长灌注桩桩-土界面剪切试验研究

为研究超长灌注桩桩侧与土体接触界面的剪切力学行为,采用大型界面剪切仪,开展混凝土与粉质黏土、粉细砂土接触界面剪切试验。针对钻孔灌注桩泥浆护壁施工特点及后注浆工艺的应用,在混凝土与粉细砂土界面设置膨润土泥皮或膨润土泥皮与水泥浆,以研究泥皮及存在泥皮时注浆对界面剪切性状的影响。试验结果表明：界面剪切应力随剪切位移增加逐步达到极限值,之后,剪切应力保持基本不变或出现软化现象;土体类型及法向应力大小对界面剪切力学行为具有较大的影响;粉细砂土-混凝土界面摩擦角与土体有效内摩擦角相近,存在泥皮时,界面摩擦角降低达40%,泥皮的润滑作用较大地削弱了界面的剪切性能;存在泥皮情况下,注浆后界面摩擦角较泥皮界面提高近1倍,水泥浆的注入不仅消除了泥皮产生的不利影响,也有利于进一步改善界面剪切性能,提高其抗剪强度;泥皮及注浆对界面剪切应力与剪切位移关系亦有较大的影响;界面剪切作用对土体具有一定的影响范围,并在接触界面附近土体中逐渐形成剪切破坏带,剪切过程中界面呈现出由剪切位移阶段逐步过渡至剪切滑移阶段;此外,在剪切过程中,不同界面类型的土体变形存在较大差异。     

大岗山坝区岩体现场剪切蠕变试验及参数反演

现场剪切蠕变试验是了解岩体剪切蠕变特性的最重要手段。针对大岗山水电站坝区"硬、脆、碎"辉绿岩脉进行了现场剪切蠕变试验,分析了岩体的剪切蠕变变形规律和剪切蠕变速率特性。试验结果表明,在剪应力较小时坝区岩体剪切蠕变仅呈现出减速蠕变和稳态蠕变2个阶段;当剪应力接近屈服强度时,坝区岩体剪切蠕变速率由渐变增长转为突变增长,岩体在短时间内即发生破坏,呈现出加速蠕变特性。恒定正应力下辉绿岩体的稳态流变速率与剪应力之间可用指数关系来表征。根据剪切蠕变试验曲线,进行了岩体剪切蠕变模型辨识。辨识表明,西原模型可以较好反映坝区辉绿岩脉的剪切蠕变特性。通过优化反演获得坝区岩体的剪切蠕变参数,为坝基边坡工程稳定性分析和设计提供了重要的力学依据。     

橡胶砂应力-应变特性三轴-单剪联合试验研究

橡胶砂作为一种环保的岩土材料有广泛的应用前景。应用三轴和单剪两种试验方法对2种固结压力下、7种配比橡胶砂的应力-应变特性、体变特性和模量衰减特性进行了对比研究,结果表明：随着橡胶颗粒含量的增加,橡胶砂模量降低,应力-应变曲线向应变硬化型转变,线性关系增强;随着橡胶颗粒含量的增加,橡胶砂剪胀特性减弱,剪缩增大;橡胶砂应力-应变关系可用扩展邓肯-张模型进行模拟,模型参数受橡胶颗粒含量影响的规律明显;随着橡胶颗粒含量的增加,橡胶砂的静剪切模量Gs与剪应变? 曲线降低,而橡胶砂模量衰减曲线Gs /G0 -?（G0为初始剪切模量）向大应变方向偏移;三轴和单剪两种试验方法得到的橡胶砂应力-应变特性、体应变-剪应变规律类似,但试验参数明显受应力状态和应力路径的影响,两者的差异主要表现为三轴试验得到的应力-应变曲线和模量曲线高于单剪试验,产生这种差异的主要原因是由于前者的平均应力相对较大。试验还得到了橡胶砂初始模量随橡胶颗粒含量降低的经验关系。     

单剪条件下主应力大小及主应力轴方向

对单剪条件下的应力莫尔圆变化过程进行详细分析,将莫尔圆从初始状态到破坏状态的大、小主应力变化过程看做由若干个等增量步组成,从而推导出任意剪应力状态与初始状态对应的小主应力差值与两者大主应力差值的比为一常数,该常数可以根据初始状态莫尔圆和破坏时对应的莫尔圆确定。推导出单剪条件下任意剪应力对应的大、小主应力及主应力轴方向的表达式。讨论了土体材料参数及法向应力对主应力轴偏转过程的影响以及大、小主应力与剪应力的关系。结果表明：在土体材料参数一定的条件下,主应力轴方向由应力比唯一确定;法向应力一定,土体的摩擦角越小,相同剪应力对应的主应力偏转角越大;剪切起始阶段,主应力变化缓慢,随着剪应力增大,主应力急剧变化至土样破坏时保持不变。     

含二阶起伏体的模拟岩体节理试样剪切特性试验研究

利用规则的小尺寸锯齿构造二阶起伏体,对不同二阶起伏体高度的人工节理进行常法向应力下的直剪试验,研究了节理剪切力学特性。对节理的剪切强度、变形特征进行了分析,并对破坏特征做出解释。试验结果表明：二阶起伏体对节理剪切力学特性有重要影响,含二阶起伏体节理的剪切力学特性与只含有一阶起伏体节理的剪切力学特性不同,只含一阶起伏体的节理剪应力只有一个峰值,含二阶起伏体的节理会出现波浪状的剪胀曲线和多峰值剪应力,且峰值剪应力随剪切位移增大依次出现并逐个减小;随着二阶起伏体高度增大,节理峰值剪切强度增大,节理依次出现磨损破坏、多次性剪断破坏、一次性剪断破坏。     

剪切-渗流作用下煤岩剪断面形态特征试验研究

利用自主研发的煤岩剪切-渗流耦合试验装置,开展了不同法向应力作用下煤岩剪切-渗流耦合试验研究,并对剪断面进行立体扫描,分析不同法向应力作用下煤岩剪断面的二维断面特征参数和三维断面特征参数。结果表明：（1）煤岩试件剪切破坏主要是塑性破坏,在恒定气压条件下,法向应力越大,煤岩的峰值剪应力越高,且煤岩的峰值剪应力与法向应力近似呈线性关系;（2）法向应力是煤岩剪断面形态特征的影响因素之一,在恒定气压条件下,其施加的法向应力越大,二维断面特征参数和三维断面特征参数基本都呈减小趋势,也即法向应力越大,煤岩剪断面的起伏度和粗糙度都越小;（3）在煤岩剪切过程中,法向应力能通过影响剪切裂纹的扩展区域进而影响煤岩试件的渗流特性和剪断面的形貌特征。