西安地区地裂缝带黄土动力特性试验研究

汾渭盆地是我国乃至世界上地裂缝最为发育,灾害最为严重的地区。考虑到地裂缝灾害对场地条件的影响,尤其是对场地土体的动力特性及动力响应的影响,本文在等压固结条件下,对西安地区地裂缝带黄土进行不同围压下的固结不排水(CU)动三轴试验,获取动力学参数,在此基础上分析了地裂缝带黄土动剪切模量随动剪应变变化特征曲线以及阻尼比随动剪应变变化特征曲线,并对所获得实验曲线进行回归拟合,进而建立了地裂缝带黄土的等效黏弹性动力本构模型,为进一步分析场地土体的动力响应奠定基础。     

基于分数阶导数理论的Q3黄土流变本构模型研究

荷载的时间效应诱发的黄土蠕变和渐进破坏会显著影响其工程构筑物的长期服役性能。特别是在我国西北地区黄土广泛分布,在荷载的长期作用下一些典型工程建构筑物(如西安地铁开挖的黄土隧道工程)可能因黄土蠕变和渐进破坏而失稳,进而对工程建设的顺利实施以及工程建设完成后其安全运营维护产生极为不利影响。可见,对黄土流变特性进行分析并揭示其流变机理进而建立其本构模型具有重要的理论和实际意义。为此,以Q₃黄土为研究对象,基于分数阶导数理论,通过对典型蠕变变形过程进行分析,提出了一种可模拟加速蠕变阶段非线性变化特征的分数阶元件模型,对其进行理论分析进而建立了分数阶改进西原模型并推导出本构方程。在此基础上对Q₃黄土的原状与重塑样开展了三轴分级循环加-卸载流变试验,以验证分数阶改进西原模型的有效性。相应的理论计算结果表明:分数阶改进西原模型既能实现对Q₃黄土减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变3个流变阶段的模拟,又可弥补整数阶改进西原模型无法描述加速蠕变阶段的不足,而且相比于整数阶改进西原模型,其在减速蠕变及卸载阶段的预测效果更佳。研究结果为考虑黄土流变问题的建构筑物安全运营维护设计与施工方案提供了重要的理论依据。     

以塑性功为硬化参数的Q2原状黄土弹塑性模拟

为了研究非饱和Q2原状黄土的力学特性,通过三轴压缩试验、各向等压试验和三轴试验卸载、再加载试验获得Q2原状黄土的力学参数,并结合弹塑性力学理论,推导出Q2原状黄土的屈服函数和以塑性功为硬化参数的硬化规律,采用相关联流动规则,建立非饱和Q2原状黄土弹塑性本构模型。通过模型计算与试验实测值比较,表明该模型基本上能反映Q2原状黄土的力学特性。     

Q_2黄土流变特性及其统计损伤流变模型

通过对西安地区不同湿度原状Q2黄土的单轴蠕变试验和三轴蠕变试验,得到了Q2黄土的单轴、三轴蠕变曲线和应力-应变等时曲线。试验曲线分析表明,Q2黄土具有明显的非线性流变特性。Q2黄土的粘弹性特性可采用五元件广义的Kelvin模型来描述,其线性粘塑性特性可用与一滑块并联的Maxwell模型来描述,而非线性粘塑性特性可通过损伤与塑性应变的耦合作用来反映。在考虑损伤门槛值的统计损伤及黄土粘弹塑性组合模型的基础上,应用应变等效原理,建立了考虑瞬时损伤的统计损伤流变模型,并通过拟牛顿法确定了相应的模型参数。该模型能够很好地模拟黄土流变非线性特征,该模型不仅参数较少,而且适用性较广。     

原状黄土CT试验中应力-应变关系的研究

采用三轴CT实时试验对原状黄土在三轴剪切试验过程中的应力-应变进行了研究。分析了Q2和Q3黄土的应力-应变曲线,提出了原状黄土的初始损伤应力、应变门槛值的确定方法。基于试验结果,指出Q2黄土在低围压下较Q3黄土更易发生损伤,且其发生损伤的应变门槛值较Q3黄土低。在此基础上,提出了用CT数所定义的损伤变量公式,拟合得出损伤变量与轴向应变及偏应力的关系式。     

基于硬化参量的盐岩蠕变疲劳本构模型

盐岩具有较好的蠕变特性和损伤自恢复性,被公认为储能或油气储备的理想介质。对盐岩复杂力学行为进行准确表征和预测是保障盐穴地下空间利用工程安全性的基础。通过定义硬化参量等特征因子,建立了新的能够考虑复杂加卸载路径的盐岩蠕变疲劳本构模型。基于盐岩变形位错机制,引入双曲线阻尼元件,作为表征岩石硬化程度的状态变量;通过硬化参量的演化,考虑加卸载历史对盐岩变形行为的影响。借鉴经典Norton模型的应力-应变关系建立蠕变疲劳本构的基本框架关系。通过引入裂隙扩展因子,假设初始形核长度,考虑材料的断裂韧度,修正邻近破坏阶段(加速变形阶段)的应力-应变关系。该模型能够很好地预测常规蠕变、循环加卸载、下限间隔循环加卸载、梯形波蠕变循环加卸载等常见复杂加卸载路径下的塑性变形特征,且能够较好地表征恒荷载蠕变与循环加卸载之间的相互影响。新的蠕变疲劳本构模型中大部分参数具有较为明确物理意义,参数a表征盐岩稳态变形阶段应力与变形率的关系因子,参数b为确定盐岩第一阶段减速变形阶段的关系因子,参数d₀和μ_d分别表示初始裂纹形核量和裂隙扩展速率因子,共同修正模型临界破坏阶段的应力...     

非饱和黄土结构性定量试验研究

非饱和黄土是典型的结构性土,对4种含水率的原状非饱和黄土和重塑非饱和黄土进行了3种围压下的三轴剪切试验。基于二元介质理论,通过原状非饱和黄土和重塑非饱和黄土的应力-应变曲线对比,定义了结构性参数结构应力分担比。考察了不同围压和含水率对结构应力分担比随应变变化的影响,并给出了其定量表达式。试验结果表明,围压和含水率是影响结构性的两个主要因素;随着应变增长,结构应力分担比分先线性增长后指数形式减低,其最大值可以表示成围压和含水率的函数。最后给出了考虑结构性的原状非饱和黄土本构模型的建模思路。     

西安某地裂缝两侧黄土物理力学性质试验

概述了西安地裂缝的成因、分布规律和活动速率等特征,然后对某条地裂缝特定地段附近的Q3黄土及其下面第一层古土壤进行了原状土样的常规土工试验和重塑土样的三轴流变试验。常规土工试验表明,以地裂缝为中心,越靠近地裂缝土样的天然密度、含水量、液塑限越大,孔隙比、内聚力和内摩擦角越小,均以地裂缝为中心近乎呈对称分布。重塑土样的三轴流变试验表明,地裂缝带内土的三轴流变特性较地裂缝附近黄土的流变特性明显的多。这从另一角度证明了地裂缝为一宏观不连续软弱结构面,为从力学角度研究地裂缝对工程结构的影响分析研究提供参考。     

基于黄土结构损伤的地裂缝局部化破裂发展机制

针对西安地裂缝活动条件下黄土覆盖层裂缝的发展与形成,依据黄土的构度和应力比结构性参数变化规律,分析了黄土构度和抗拉强度之间的关系,建立了黄土结构性演变的数学模型,抗拉强度与抗剪强度随结构性参数变化强度准则,以及反映黄土结构性演变的Mohr-Coulomb屈服面弹塑性模型.通过本构模型嵌入FLAC3D软件,数值模拟西安地裂缝活动边界条件,以及结构性黄土地层结构,进行了黄土结构损伤变化和地层破裂带形成发展分析研究.表明地裂缝错动位移作用条件下,黄土地层塑形区域破裂带发展分为初始剪切破坏、初始拉伸破坏、剪切与拉伸破坏发展、破裂带贯通四个阶段;地层破裂带黄土的结构性损伤衰减变化突出,黄土应力比结构性参数等值线与地层塑性破裂带分布一致.揭示的黄土地层局部化破裂发展过程机制,对于认识地裂缝造成地面建筑物与地下工程灾害有重要的理论和实际意义.     

黄土损伤与流变耦合模型及参数研究

以试验为基础,对不同含水量Q3黄土的蠕变特征进行了分析研究,结合黄土结构损伤特性及其对黄土力学特征影响,通过考虑结构损伤对变形模量的劣化来反映黄土结构性对蠕变规律的影响,提出了黄土损伤与流变耦合作用的本构模型。该模型不仅具有参数少的优点,而且能够准确描述黄土的突发性破坏特征。利用结构性软土流变的研究成果,给出了黄土流变模型参数的确定方法,并对模型参数随非饱和黄土含水量变化的规律进行了研究。数值模拟结果表明,该模型能够很好地描述黄土的加速蠕变阶段的变形特征。     

膨胀土和黄土的细观结构及其演化规律研究

应用CT-三轴仪,系统地研究了河南南阳靳岗村和陶岔渠坡的膨胀土、宁夏扬黄扶贫工程11号泵站Q3黄土和陕西蒲城电厂Q2黄土在多种应力路径、湿干循环、浸水膨胀、浸水湿陷过程中的细观结构演化特性,取得了大量CT图片和数据资料。研究结果表明：膨胀土和黄土的各种宏观力学反应与它们的细观结构变化及其CT数据是密切相关的;原状膨胀土在加载和侧向卸荷过程中以及重塑膨胀土在无载湿干循环过程中裂隙萌生扩展,结构损伤;而具有初始裂隙的重塑膨胀土在加荷过程和三轴浸水过程中裂隙均趋于闭合,细观结构得到修复;原状黄土在加载过程中细观结构的变化趋向与吸力和围压水平有关;在一定应力状态下浸水,原状黄土中的空洞和裂隙逐渐减小以至消失,并可能形成新的均质结构;较高应力单独作用或低应力下浸水都不能使大孔隙破坏。依据CT数据,定义了描述膨胀土和黄土细观结构的定量指标,提出了这两种土在多种工况下的细观结构演化方程,建议了一种确定土的结构屈服应力的新方法。CT技术使土的细观结构研究达到了定量阶段,建立土的结构演化方程和结构性本构模型有了实在的试验基础。     

冻土蠕变指标试验研究

通过不同温度、不同加载应力作用下冻结兰州黄土、黏土、砂质黏土的蠕变试验,分析了蠕变曲线、初始应变、流变起始应变与流变起始时间、破坏应变与破坏时间及相对蠕变指标.结果表明：3种土质冻土的蠕变曲线变化规律大致相同,加载过程中,应变非线性增加,且加载应力越大、温度越高,初始应变越大;流变起始时间与破坏时间都与加载应力、温度有密切关系,加载应力越大、温度越高,越先出现流变和破坏. 对于相同的土质,加载应力和温度对流变起始应变、破坏应变的影响不大;对于不同土质的初始应变、流变起始应变和破坏应变,都是黏土最大、砂质黏土次之、兰州黄土最小. 3种土质冻土的初始加载段和非稳定蠕变段所占的时间较短,但产生的应变却较大;同时,温度越高,相对流变时间越短、相对破坏时间越长,说明非稳定蠕变阶段所占的时间随温度的升高而变短、稳定蠕变阶段所占的时间随温度的升高而变长.     

原状黄土的压缩曲线特性

原状黄土是一种具有结构强度的欠压密土,其侧限压缩变形特性区别于一般土。为研究原状黄土侧限压缩变形的共性,对西安、兰州6个场地不同含水率的原状Q3、Q2黄土进行了侧限压缩试验,得到了相应场地不同含水率原状黄土的压缩曲线,分析了其压缩曲线的形态,通过曲线对应的压缩屈服应力及初始孔隙比,将各黄土不同含水率下的压缩曲线归一化为同一曲线,且形成时代相同的黄土归一化曲线位置相同,并利用复合幂?指数模式分别描述了Q3、Q2黄土归一化的曲线。将文献中试验黄土的初始孔隙比与压缩屈服应力代入归一化曲线的表达式,计算得其压缩曲线和压缩性指标。经对比,与文献实测压缩曲线及压缩性指标很接近,验证了黄土压缩曲线的归一化特性并对其进行了应用。结果表明：试验黄土压缩曲线具有可被其初始孔隙比和压缩屈服应力归一化的特性,此特性为黄土侧限变形性质的分析提供了一条便捷的途径。     

温度作用下岩石的热黏弹塑性模型研究

在西原体模型的基础上,通过引入弹簧的热膨胀系数,将温度效应引入到模型中,推导了单轴应力状态下微分形式的热粘塑性本构方程。通过蠕变曲线和卸载曲线的分析,考虑了温度效应的西原体模型当应力水平较低时为稳定蠕变,存在瞬时弹性、弹性后效和由温度引起的粘性流动;当应力水平较高时为不稳定蠕变,存在瞬时弹性、弹性后效和由温度和应力共同引起的粘性流动,该模型较全面地反映了岩石在温度作用下的蠕变性质。     

原状黄土固结蠕变特性试验研究

以陕西杨凌地区黄土为研究对象,对不同初始含水率的原状黄土进行了单向固结试验,获取了各级法向应力下的应变-时间曲线,研究了初始含水率、法向应力水平对黄土固结蠕变耦合特性的影响。结果表明:当初始含水率一定时,法向应力水平对黄土的蠕变固结特性有较大的影响,表现为法向应力愈大,黄土的初始应变愈大;当法向应力水平一定时,含水率对黄土蠕变固结特性影响明显,表现为含水率愈大,初始应变愈大。根据应变-时间曲线特征,推导出杨凌地区黄土的应力-应变-时间关系,拟合得到其中的参数,经验证能较好地模拟杨凌地区黄土的固结蠕变耦合特性。另外,采用BP神经网络对应力-应变-时间关系进行模拟与预测,结果表明该方法具有较高的精度和较好的适用性。     

原状Q2黄土三轴剪切细观结构演化定量研究

基于非饱和原状Q2黄土CT-三轴剪切试验得到的结构演化清晰的CT图像及CT数据,提出利用CT数随偏应力的关系确定屈服应力的新方法。基于CT数定义了结构性参数和结构演化变量;分析了结构演化变量与净围压和吸力的关系,相对于应变（包括偏应变和体应变）,当吸力相同时,净围压越大,结构演化变量值越大;当净围压相同时,吸力越大,结构演化变量值越小。建立了非饱和原状Q2黄土三轴剪切过程的结构演化方程,该方程为结构演化变量与偏应变和体应变的关系,能同时反映净围压和吸力等对结构演化的影响。利用提出的结构演化方程对试验数据进行拟合,拟合结果较理想。