反压对土体强度特性的影响试验研究及其影响机理分析

为提高试样饱和度,室内试验普遍采用反压饱和法,但现行规范中对其反压大小未做具体规定。该文利用竖向-扭转双向耦合剪切仪及全自动真三轴仪,针对福建标准砂(相对密实度30%、58%、70%)及细砂,进行了不同反压下单调排水与不排水剪切试验,分析不同反压下砂土的应力-应变关系、超静孔隙水压力发展规律。试验结果表明：反压对剪胀性砂土的固结不排水剪切强度具有显著影响,且剪胀性越大,其影响更显著;反压对剪缩性砂土的不排水抗剪强度影响不显著;反压对砂土固结排水抗剪强度的影响相对较小;反压对砂土有效抗剪强度指标基本没有影响。本文认为反压对剪胀性砂土的固结不排水抗剪强度产生影响的原因是：反压不同时,土体中的气液混合体的体积模量并不相同,因此相同的体胀趋势或相同的体积回弹下所引起的超静孔隙水压力不同,进而直接影响有效围压及其砂土抗剪强度;而土体发生剪缩时,气液混合体越接近刚体,其体积模量对反压的依赖性越小,因此,相同的剪缩趋势或相同的体积压缩量下,所产生的超静孔隙水压力与反压的大小没有显著的依赖关系,因此在剪缩状态下,反压对砂土的应力-应变关系及抗剪强度没有显著的影响。在固结排水试验中无论反压设定多大,不存在超静孔隙水压力,有效围压与反压大小无关,因此反压对砂土排水抗剪强度没有显著影响。     

砂土剪胀剪缩特性及其对抗剪强度的影响

为了研究饱和砂土的剪胀剪缩特性及其对抗剪强度的影响,选取滹沱河细砂,利用空心圆柱扭剪仪较系统地开展了一系列不同初始密度、不同固结压力条件下的排水与不排水纯扭剪试验研究,在总应力保持不变的情况下研究了砂土的剪胀剪缩特性,着重探讨了在排水与不排水试验中,不同密度和不同有效围压的砂土在单调剪切荷载作用下的应力-应变关系、硬化与软化、土体的剪胀剪缩以及强度等特性。结果表明:砂土密度和固结压力对砂土剪胀剪缩特性具有显著的影响;砂土的剪胀剪缩特性对砂土的排水、不排水强度以及应力-应变关系产生显著的影响;由于剪胀剪缩特性的影响,砂土的不排水抗剪强度甚至可能高于排水抗剪强度;研究成果可为今后砂土的本构模型和数值模拟提供试验资料。     

成样方法对砂土CU剪切特性影响

采用干装敲击法与湿装夯击法两种成样方法,制备了三种典型砂土的中密状态饱和试样,并利用应变控制式静力三轴仪进行固结不排水剪切实验,比较分析了成样方法对各砂土应力应变关系及抗剪强度指标的影响,实验结果表明:成样方法对试样的应力应变关系及抗剪强度指标有显著影响,但成样方法对不同砂土影响程度不同。     

交通荷载作用后粉质黏土不排水强度特性试验研究

利用动三轴仪,对京津高速铁路沿线典型的饱和粉质黏土经历交通荷载长期作用前后的强度进行对比试验,研究排水条件、施工扰动及超固结等因素对土体振后不排水强度的影响.研究结果表明:长期交通荷载作用下产生的累积轴向应变和孔压均可作为试样结构破坏程度的表征,且存在临界值.当应变或孔压超过其临界值时,振后强度会发生衰减.若施工扰动破坏了土体天然结构性,两者的临界值均将大大降低,地基振后强度均发生衰减,且衰减程度也比天然地基大.地基中存在良好的排水途径将有效提高正常固结地基振后承载能力;交通荷载的往复作用及排水条件对预压处理后的超固结地基强度影响较小.     

饱和砂土动力特性的动三轴试验研究

利用GDS 10 Hz/20 kN双向振动三轴系统,进行了一系列饱和砂土不排水动三轴试验,研究了不同固结围压对饱和砂土动力特性的影响。试验结果表明:动弹性模量随动弹性应变幅的增大而减小,随围压的增大而增大;阻尼比随动弹性应变幅的增大而增大,围压对阻尼比的影响不显著,动弹性应变比较低的情况下,阻尼比有随围压增大而减小的趋势;不同围压下砂土的动强度曲线可近似地归一,其振动孔压发展模式与Seed提出的砂土的振动孔压发展模式相同,可以用反正弦三角函数拟合。     

饱和砂土的物态变化特性

通过饱和砂土的往返加卸载三轴试验 ,揭示了饱和砂土的初剪缩、剪胀、次剪缩、反向剪缩等物态变化特性 ,论证了它们与不排水条件下饱和砂土孔压的变化和排水条件下剪缩剪胀体应变的变化具有内在的联系 ,从而验证了往返加卸载复杂应力条件下饱和砂土不同物态的客观存在性 ,为进一步揭示动荷条件下饱和砂土的复杂变形特性提供了研究基础。     

温度对饱和黏性土剪切特性影响的试验研究

采用温控三轴仪,考虑不同的温度–应力路径,对两种正常固结的饱和黏性土进行了固结不排水和固结排水剪切试验,研究了温度变化对土体强度、应力应变关系、孔压响应和流动法则等的影响。结果表明,温度效应的强弱与土的类别有关,温度变化对粉质黏土的剪切特性基本没有影响,但对黏土的影响不容忽视。随着温度的增加,黏土的不排水和排水峰值强度有明显的提高,临界摩擦角基本保持不变。不同温度下黏土不排水剪切过程中均产生正的超孔压,排水剪切中土体体积均持续减小,表明高温下偏应力偏应变曲线出现软化的原因与强超固结土的剪胀机理有区别。黏土剪切特性的变化程度与温度–应力路径相关,先升温后固结试样的不排水强度比固结后升温试样的低。温度循环一周后,黏土的不排水强度较室温下有明显提高。     

饱和粉土液化及液化后力学特性试验研究

对饱和粉土进行了一系列动三轴液化及液化后试验,即进行饱和粉土液化试验及在饱和粉土液化后孔隙水压力进行了不同程度消散后,再进行三轴剪切试验。探讨了饱和粉土的液化特性以及液化后孔压消散程度对液化后粉土力学特性的影响规律。试验结果表明:饱和粉土的抗液化强度随着所施加动应力幅值的增大而减小;液化后饱和粉土孔压消散程度越大(即再固结程度越大),则液化后粉土的不排水抗剪强度越大,其应力应变关系曲线表现为应变硬化型,土体的切线模量随着应变的增大而减小;液化后粉土的孔压进行了不同程度消散后,再进行的三轴剪切试验中应力应变关系呈对数曲线关系。     

砂土的稳态强度:概念与试验

残余强度或稳态强度的稳定是砂土液化研究的重要课题,饱和砂土有３种典型的不排水剪切特征,稳态性状,准稳态性状,和加工硬化性状,在三轴不排水剪切中,大部分松砂表现出准稳态性状,新近的研究表明：“准稳态性状”不是砂土的固有性状,而是三轴试验中的边界条件所导致,本文通过试验研究发现,饱和砂土在三轴不排水剪切中通常表现出４个明显不同的阶段;初始阶段,坍塌阶段,临界状态应力阶段,和后破坏阶段,稳态强度只有在坍     

振动扭剪试验中饱和砂的动力特性研究

<正> 一、前言由于振动扭剪仪试验的应力条件与土体在地震荷载作用下的受力条件比较接近,近年来受到国内外学者的重视。本文采用水利水电科学研究院仪器研究所1985年9月研制成功的DYJ-Ⅰ型电液振动扭剪三轴仪,研究了饱和砂土在不排水条件下的动力特性,试验采用了应变控制和应力控制两种控制方式。并与振动三轴试验的若干成果进行了对比。DYJ-Ⅰ型电液振动扭剪三轴仪及其试验的应力状态如图1,2所示。在偏压固结条件下进行应变控制循环试验时,循环剪应变被施加在水平方向,而试样轴向(铅垂方向)产生的残     

剪切应变速率对淤泥土力学性状影响试验研究

为研究剪切应变速率对高含水量淤泥土力学性状的影响,运用SPAX-2000真三轴测试系统进行了不同周围压力和不同应变速率的固结不排水剪切试验,分析了淤泥土不排水抗剪强度和孔隙水压力随应变速率的变化规律。试验结果表明,高含水量淤泥具有“应变速率软化”现象。在剪切过程中(应变速率为10^-6/s～10^-2/s),淤泥土不排水抗剪强度随剪切应变速率增长而增长,符合指数变化规律;根据试验数据,建立了经验方程式,并求得其应变速率参数η_e1为0.130 5,η_e2为0.131 9;当变率增长10倍时,淤泥土的不排水抗剪强度增长率为13.12%。不同于强结构性黏土,淤泥土的强度随剪切应变速率呈渐进性变化,未出现明显临界速率转折点。在加载初期,孔隙水压力增长和最大孔隙水压力受应变速率影响较明显;在试验过程中,孔隙水压力变化具有一定波动性和滞后性。     

Liquefaction of Unsaturated Sand Considering the Pore Air Pressure and Volume Compressibility of the Soil Particle Skeleton

A series of cyclic triaxial tests of unsaturated soils was conducted to get a better understanding of the general liquefaction state of unsaturated soils. In the tests, cyclic shear strain was applied to fine clean sand with the same dry density but different initial suction states under the undrained condition. During cyclic shear, the volume change of the soil particle skeleton, the pore air pressure and the pore water pressure were measured continuously. Having used the effective stress defined by Bishop (Bishop et al., 1963), where the net stress and suction contribute to the effective stress, our test results showed that unsaturated sand specimens with quite a low degree of saturation lose their effective stress due to cyclic shear. At a zero effective stress state, unsaturated specimens behaved similarly to liquids in much the same way as saturated specimens. From experimental and theoretical considerations, the zero effective stress state (i.e., liquefaction) for unsaturated sand was found to have been established when both the pore air and water pressures build up to the point where it is equal to the initial total pressure. A volume change of pore air under the undrained condition, if a volume change of pore water is negligible, is equal to that of the soil particle skeleton. Therefore, it can be concluded that the liquefaction of unsaturated soil generally depends on the volume compressibility of the soil particle skeleton and the degree of saturation. On the other hand, according to the ideal gas equation of Boyle-Charles law, the volume change required to bring about a zero effective stress state can be calculated from the initial pore air pressure (usually the atmospheric pressure) and the final pore air pressure (the initial confining pressure). Therefore, the liquefaction of unsaturated soils also depends on the initial confining pressure. Based on this concept, the liquefaction potential of unsaturated soil can be evaluated by comparing the volume compressibility of the soil particle skeleton and the volume change of the pore air required to bring about a zero effective stress state.     

Cyclic resistance of two unsaturated silty sands against soil liquefaction

The changes of the cyclic resistance of two silty sands under unsaturated, partially saturated and fully saturated conditions are examined based on a series of undrained cyclic tests conducted using triaxial test apparatus specially equipped for testing unsaturated soils as well as ordinary triaxial test apparatus for testing partially saturated and fully saturated soils. Based on the observations of volumetric strain, pore air and pore water pressures of unsaturated soil specimens, the possibility of soil liquefaction triggering under different degrees of saturation is examined and discussed. The changes in the cyclic resistance under different degrees of saturation are then examined. Those two unsaturated silty sands with different grain size compositions are found to give rise to different responses on the volumetric strain as well as pore air and pore water pressure developments during undrained cyclic loading, leading to different relations between cyclic resistance and degree of saturation, covering unsaturated, partially saturated and fully saturated conditions.     

不排水条件下非饱和土水力–力学耦合特性数值模拟

非饱和土即便在不排水、不排气条件下也将发生体变,这为预测非饱和土不排水、不排气力学特性带来了困难。基于三相孔隙介质理论,结合非饱和土的弹塑性本构模型推导了不排水、不排气条件下非饱和土三轴剪切三相耦合控制方程,对非饱和土的不排水、不排气三轴剪切特性进行预测。数值模拟结果表明,此方法能够描述非饱和土在不排水、不排气条件下的水力–力学特性,如体缩特性、孔隙水压力和孔隙气压力增长以及饱和度增大等特性。数值计算结果与室内试验结果一致,证实了所提数值分析方法的合理性。     

非饱和土应力状态变量试验验证研究

为验证非饱和土两个应力状态变量的合理性,对常规非饱和土三轴仪进行了改进,采用3个压力–体积控制器分别控制孔隙水压力、内室压力和外室压力,提高了量测精度。使用改进的非饱和土三轴仪对描述非饱和土应力状态的两个应力状态变量进行系统的试验验证,做了不同初始干密度、不同初始饱和度、不同初始吸力的3组重塑黄土及1组原状Q_3黄土的各向等压试验,试验中等值改变(增加或减少)总围压、孔隙水压力、孔隙气压力而保持应力状态变量本身不发生变化,通过量测试样体积和水量变化分析检验两个非饱和土应力状态变量的合理性。研究结果表明:对于原状Q_3黄土和各种起始条件的重塑土(包括不同密度、不同饱和度及不同吸力的土样),当只改变应力状态变量的个别组成部分而保持两个应力状态变量本身不发生变化时,则土样的体积变化和含水率变化均很小,可忽略不计。研究结果说明描述非饱和土的两个应力状态变量是合理的,使非饱和土的两个应力状态变量理论有了牢靠的试验依据。     

粗粒土在平面应变条件下的强度特性研究

使用河海大学新型真三轴仪,对粗粒土分别进行σ₃ 保持不变的等σ₃平面应变试验和 b =0 （即常规三轴压缩）、 b =0.25 的等σ₃等b[b=(σ₂ -σ₃)/(σ₁ -σ₃)]试验,研究了粗粒土在平面应变条件下的应力路径、破坏时的中主应力系数、内摩擦角及破坏应力比的特点。试验结果表明,等 σ₃平面应变试验的应力路径介于 b =0 与 b =0.25 的等σ₃ 等b[b=(σ₂ -σ₃)/(σ₁ -σ₃)] 试验之间 ; 粗粒土在 平面应变条件下 破坏时的中主应力系数 b 介于 0.15 ～ 0.2 之间;粗粒土在平面应变条件下的内摩擦角比常 规三轴压缩条件下的大 5% ～ 7% ,而破坏应力比则比常规三轴压缩条件下的小 13% ～ 18% 。最后提出一个 由粗粒土常规三轴压缩试验测得的内摩擦角 φ _tc 求平面应变条件下的破坏应力比 M _fp 的计算公式 M _fp =2.3sin φ _tc ,可较好地模拟试验结果。     

上海软土小应变三轴试验及本构模拟

软土地区新建地下工程为了减少对周边的影响,周边土体的变形通常要求控制在小应变范围内(0.001%~0.1%)。近年来随着环境要求的不断提高,软土在小应变范围内的力学特性日益受到关注。目前国内在三轴试验中测量软土小应变力学特性的研究相对较少,也缺乏相应的试验数据。利用安装有LVDT局部位移传感器的三轴仪,对上海(2)~(6)层软土进行了K0固结不排水剪切试验,成功获得了上海软土从0.001%小应变到20%大应变范围内的剪切模量变化规律。通过分别用初始剪切模量和有效平均主应力来对剪切模量进行归一化处理,揭示了上海软土的非线性特征、土体剪切模量的衰减规律等。考虑土体应力状态、孔隙比和超固结比的经验公式能够合理地描述上海软土层初始剪切模量;经典的骨干曲线模型能较好地拟合各土层的剪切模量衰减规律。     

初始静孔隙水压力对砂土静动力剪切特性影响的试验研究

选取福建标准砂和滹沱河细砂,利用空心圆柱扭剪仪开展了一系列不同初始静孔隙水压力条件下的不排水循环扭剪试验和单调扭剪试验,着重探讨初始静孔隙水压力对超静孔隙水压力发展及其不排水抗剪强度的影响。试验结果表明:初始静孔隙水压力对超静孔隙水压力的发展产生显著的影响,从而影响砂土的静动力剪切特性。具体地,在不排水循环剪切过程中,初始静孔隙水压力越大,其超静孔隙水压力发展和变形发展越快;在不排水单调剪切过程中,初始静孔隙水压力越大,在砂土剪胀阶段产生负超静孔隙水压力越大,从而使砂土的强度显著提高。基于试验结果,初步探讨了初始静孔隙水压力对超静孔隙水压力及静动力剪切特性的影响机理。研究表明,研究地下水位以下土体(准饱和土)静动力剪切特性尤其是研究液化问题时,应充分考虑初始静孔隙水压力对砂土抗液化强度的影响,室内试验应根据砂土所处的地下水位深度来决定初始静孔隙水压力(反压)的大小。     

堆石料剪胀特性大型三轴试验研究

基于不同初始孔隙比e0和不同固结压力σc情况下筑坝堆石料大型三轴固结排水剪切试验,分析了堆石料应力应变关系与体积应变关系以及剪胀率ζ与塑性剪应变εsp关系的变化规律。研究表明:对于颗粒级配确定的堆石料,剪胀剪缩转化关系由临界初始孔隙比(e0)crit与临界固结压力(σc)crit共同决定;堆石料破坏时的剪胀率ζf可以成为材料剪胀性的判断标准。通过试验数据非线性拟合分析,提出了堆石料应力应变关系与塑性体积应变关系的统一表达式以及初始物理力学状态依赖的应力-剪胀方程和破坏时剪胀率ζf表达式,并由此获得了堆石料剪胀剪缩转化的判断准则。