增减湿黄土压缩与湿陷变形特征的探讨

通过湿陷性黄土变含水量情况下的室内压缩试验和分别采用单线法和双线法做的浸水湿陷试验，结合试验曲线分析了湿陷性黄土随含水量变化的特征，总结出黄土的压缩变形与湿陷变形随饱和度以及压力变化的规律，借以描述湿陷性黄土在增减湿过程的湿陷与压缩变形性状以及不同应力路径对黄土变形特性的影响。     

湿陷性黄土的变形机理与本构关系

基于微结构突变失稳假说,深入研究湿陷性黄土的变形机理,将体积湿陷与剪切湿陷统一到同一个突变模式,给出了黄土湿陷变形的一个完整的本构关系.计算和实验结果都表明:湿陷变形与应力状态及应力路径有很大关系,且体应变与八面体剪应变受球应力与八面体剪应力的交叉影响.发现不同应力比对应的剪切曲线上的交叉现象是湿陷性黄土的物理特征之一.最后,利用该理论对与黄土湿陷变形有关的问题进行了讨论.     

压缩试验本构关系的大变形表述法

基于连续介质力学有限变形理论,采用完全拉格朗日描述法导出压缩试验本构关系的大变形法表述形式.首先根据压缩试验特点建立大、小变形法应力张量和应变张量之间的转换式,得到一般意义上的大变形法压缩本构关系.然后在小变形法双曲线模型基础上,得到其对应的大变形法本构方程,并提出简化形式的大变形法双曲线模型.工程实例和参数分析的结果均表明,大变形法双曲线模型可较好地模拟土体的大变形压缩试验本构关系.大、小变形法的双曲线参数在定义和数值上均不相同,但两者服从一定的变化规律.     

基于模量软化法饱和粉砂永久剪切变形计算研究

基于传统的模量软化法和双曲线弹性本构模型建立永久变形随时间变化的表达式。通过与动三轴试验结果对比发现,此类方法在应用于循环荷载下易液化的粉砂的永久变形计算时,具有明显的局限性。因此,结合粉砂容易液化而产生流变的特性,在力的平衡方程中引入流变项。通过分析力的平衡方程,发现引入流变项后能够更好地描述土体破坏前后的永久变形发展规律。同时,得出了方程中相关参数的计算方法,并将数值计算结果与试验结果进行比较,发现两者吻合度较高。研究为循环荷载作用下粉砂的永久剪切变形计算提供了一种新思路。     

结构性黄土的本构模型

天然沉积黄土具有结构性,因为其在结构破坏前后表现出非常不同的力学特性。为了真实地反映黄土的结构性、湿陷变形特性,在室内试验的基础上,应用充分扰动饱和粘土的稳定孔隙比和稳定状态原理,根据不可逆变形由团块之向滑移和团块破碎机理所引起的概念及土体损伤演化定律,建立了非饱和黄土的屈服函数和损伤函数,得到了非饱和原状结构性黄土的结构性数学模型。该模型能够模拟加载及其他力学特性,且物理意义明确,数值计算结果与试验结果吻合很好。     

基于微结构的黄土震陷本构关系研究

黄土是典型的结构性土,其震陷性主要由内部结构和外部荷载共同作用所致。黄土震陷是内部微结构要素在外部荷载作用下不同时空中重组后的集合宏观表现。通过微结构电镜扫描实验获取黄土颗粒和孔隙的分布,应用统计细观损伤力学和结构力学的理论建立黄土震陷的结构损伤模型,解释了黄土震陷的内在破坏机理,并建立了完整的震陷本构关系。表明黄土震陷主要是由其独特的架空孔隙结构破坏和土体颗粒掉入孔隙所致,与其动应力状态和孔隙颗粒分布状态有很大关系。     

甘南地区黄土的动模量与阻尼比特性研究

通过室内动三轴试验,研究了甘南地区次生黄土的动本构关系,得到了模型参数,分析了甘南黄土的动剪模量比和阻尼比发展特征,提出了动剪切模量衰减模型和阻尼增长模型;并通过归一化处理和模型参数比较,对次生黄土与风成黄土动剪模量比和阻尼比的差异性进行了讨论。结果表明:次生黄土的动本构关系服从双曲线模型,模型参数a值较风成黄土无明显差异,但b值为相同条件下风成黄土b值的1.5~3倍,且模型参数与天然含水率、干密度等物性参数和固结围压不存在明显的相关性。次生黄土的初始动弹性模量E_(dmax)受固结条件、密度影响较大,相同条件下残坡积黄土的E_(dmax)较冲洪积黄土小。次生黄土的动剪模量比随动剪应变增大而减小,变化趋势满足负指数衰减模型;阻尼比随动剪应变的增大而增大,变化趋势服从对数关系;相比于风成黄土,其动剪模量比随动剪应变的增加衰减更快,阻尼比增长范围较窄,表明沉积环境对黄土动力特性的差异性影响显著。     

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。     

复杂水–力路径下非饱和砂质黄土增湿变形特性

为研究复杂水–力路径下非饱和砂质黄土的增湿变形特性,采用GDS非饱和三轴仪,对非饱和砂质黄土开展偏应力作用下固结–加载–增湿–加载、固结–卸载–增湿–卸载2种复杂水–力路径的单线法三轴增湿试验,全面分析水–力路径和应力比对非饱和砂质黄土增湿变形特性的影响。试验结果表明：(1)轴向应变与增湿剪应变均随应力比的增加而减小;(2)应力比为0.25时,试样未达到饱和便发生剪胀破坏;经历加载路径试样比经历卸载路径试样的增湿剪应变、孔隙比发展更快,率先达到破坏;(3)应力比为0.5和0.75时增湿变形特性基本一致,湿化体应变、增湿剪应变均随湿化参数的增加先增加后趋于稳定,孔隙比随着湿化参数的增加先减小后趋于稳定,经历加载路径试样的最大湿化体应变、增湿剪应变与增湿前初始孔隙比均大于经历卸载路径的试样。     

Q3结构性黄土的扰动状态本构模型试验研究

 Q3黄土在我国西北地区分布广泛,且Q3黄土都具有显著地结构性,深入研究Q3结构性黄土的本构关系在理论与实际工程应用中就显得尤为重要。为了更合理地描述结构性黄土的应力–应变关系,基于扰动状态理论提出Q3结构性黄土的本构模型,在本构模型中结合Q3结构性黄土和与其对应的正常固结土的受力变形关系,使用新的扰动因子,扰动因子既能反映球应力作用产生体应变对土体扰动的影响,也能反映剪应力作用产生剪应变对土体扰动的影响,分别称其为体应变扰动因子(Dv)及偏应变扰动因子(Ds),以理论和试验为基础建立扰动函数,使本构模型符合土体的实际受力过程。本构模型中各参数物理意义明确,可由等向压缩试验和三轴剪切试验求得。通过试验曲线与理论计算曲线及修正剑桥模型计算曲线的对比可知本构模型可以较合理地描述Q3结构性黄土加载扰动条件下的变形特性,具有很强的工程应用前景。     

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。     

冻融作用对黄土湿陷性的影响

为分析冻融作用对黄土湿陷性的影响,采用室内试验方法。首先,以Q₃黄土为研究对象,采用增(减)湿法配制不同含水量黄土试样,测试黄土在无水补给条件下受温度影响的冻融变形、压缩变形、湿陷变形;对原状黄土进行颗粒分析及基本物理力学参数试验。试验结果表明:黄土是否产生冻胀取决于其含水量是否超过“临界冻胀含水量”。冻融黄土与原状黄土相比压缩变形量较大,把部分浸水湿陷变形转化为压缩变形,冻融作用使黄土的湿陷性弱化。冷冻黄土在相同温度下,含水量越大,湿陷系数越小;在同一含水量下,冻结温度愈低湿陷系数愈小。     

三轴应力状态下膨胀土增湿变形特性

 在经过改造的三轴仪上对安康击实膨胀土进行增湿变形特性试验研究。试验研究结果表明,在相同应力比的三轴应力状态下,膨胀土浸水过程中的变形为膨胀变形,变形在试样各个方向上都会产生,应力较小时,轴向和径向变形都表现为膨胀变形;应力较大时,轴向变形表现为压缩变形,而径向变形则表现为膨胀变形,但变形量都很小;土样在增湿剪切过程中以体积膨胀为主,体积变化以侧向变形为主,轴向变形较小;同时,对试验资料进行数学拟合,并对拟合公式进行验证。结果表明,试验值与计算值吻合较好。     

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。     

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。     

黄土增湿变形的数值模型

以甘肃陇西自重湿陷性黄土作为研究对象,基于黄土湿陷过程中变形与渗流耦合的思想,建立了黄土增湿变形的数值模型。依据质量守恒定律和达西定律,建立了考虑变形影响的适合非饱和土-饱和土的、非稳态的轴对称黄土渗流连续性基本方程。参考陇西自重湿陷性黄土室内侧限压缩试验数据建立了黄土增湿变形本构模型;采用Galerkin加权残值法对基本方程进行空间离散;在时间域内用差分方法离散,建立了考虑渗流和变形耦合的黄土增湿变形有限元支配方程,并提出了求解方法。研究结果表明:在研究黄土增湿变形过程中,考虑变形与渗流耦合的作用是可行的,建立的黄土增湿变形有限元模型是合理的。     

关中地区黄土的湿陷变形

通过在关中地区五个湿陷性黄土场地上所进行的10个试坑浸水试验和21个浸水载荷试验,本文详细讨论了黄土地基自重湿陷变形和外荷湿陷变形的规律以及有关场地湿陷类型的判别问题.     

黄土湿陷过程中的压力与湿陷速率关系的数学模型及分析

通过对黄土湿陷过程的分析,根据能量守恒定律,建立了黄土的湿陷过程中压力与湿陷速率关系的数学模型。通过试验,确定了模型中的相关参数,得到了湿陷速率随压力变化曲线。根据对模型及试验曲线的分析,指出在黄土湿陷过程中湿陷速率随着压力的增大而增大,但增长速率却逐渐减小;湿陷起始压力随着湿陷量的增大而增大;湿陷速率的变化具有突变性。