研究黄土湿陷性的新方法

为了研究吸力对黄土湿陷变形的影响,研制了一套可以控制吸力的非饱和土湿陷三轴仪。该三轴仪底座为二元结构,既能控制吸力又能浸水。将该三轴仪和GDS压力/体积控制器相结合,实现了浸水过程中量测浸水体积的功能,并可施加浸水压力。该设备能精确量测试样体变;控制偏应力;精确量测浸水量。利用该仪器探讨了原状湿陷性黄土控制吸力三轴湿陷试验的方法,并进行了净围压相同吸力不同和吸力相同净围压不同的双线法三轴湿陷试验。结果表明:吸力越大湿陷变形越大,净围压对湿陷变形有显著影响。非饱和土湿陷三轴仪为研究黄土的湿陷特性提供了有力的工具。     

原状Q2黄土CT-三轴浸水试验研究

利用后勤工程学院研制的CT-多功能土工三轴仪,研究非饱和原状Q2黄土三轴浸水变形特性,并在浸水过程中利用CT技术对内部结构的变化进行无损的量测,得到内部结构演化的CT图像和相应的CT数据,从细观上解释了三轴浸水过程。基于CT数据定义结构性参数和结构演化变量;分析浸水过程中结构演化变量与净围压、偏应力和吸力的关系,浸水前的固结净围压、偏应力和吸力越大,浸水过程中结构演化越快。建立非饱和原状Q2黄土三轴浸水过程的结构演化方程,该方程为结构演化变量与偏应变、体应变和饱和度增量的关系,能同时反映净围压、偏应力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。CT技术使土的细观结构研究达到定量阶段,为建立土的结构演化方程和结构性本构模型提供了试验基础。     

原状Q2黄土三轴剪切特性

探讨陕西蒲城电厂原状Q2黄土的变形、强度和屈服特性,并研究吸力对非饱和原状Q2黄土性质的影响.共进行2种12个原状Q2黄土试样的三轴剪切试验,即控制吸力和净围压为常数的非饱和土三轴排水剪切试验与控制初始含水量和围压为常数的三轴剪切试验.研究结果表明,非饱和原状Q2黄土控制吸力为100,300,450 kPa的试验试样呈塑性破坏,而控制初始含水量为4.78%和7.64%的试验试样则呈脆性破坏.原状Q2黄土随着吸力降低(或含水量增大)和固结围压的增大,应力-应变曲线由软化型逐渐向理想塑性及硬化型发展.在试验给出的吸力范围(100～450 kPa)内,非饱和原状Q2黄土的黏聚力随吸力线性增加,而内摩擦角随吸力的变化很小,基本上可以认为是一常数.建议一种确定原状Q2黄土三轴剪切条件下屈服应力的方法,得到的屈服净平均应力和屈服偏应力随吸力增大而增大;同一吸力或含水量下屈服偏应力和屈服净平均应力则呈线性关系.     

非饱和原状Q2黄土屈服硬化过程的细观结构演化分析

利用和CT机配套的多功能土工三轴仪,对非饱和原状Q2黄土在三轴剪切过程中内部结构的变化进行了动态、定量和无损地量测,得到了屈服硬化土样内部结构演化的CT图像和相应的CT数据,从细观上解释了屈服硬化过程。试验结果表明:原状Q2黄土内部存在大量孔隙、裂隙、姜石等结构缺陷,初始结构具有各向异性,姜石的存在对CT数和方差影响较大。非饱和原状Q2黄土屈服硬化细观变形可大致分为微压密阶段、结构微调整阶段和压密快速发展阶段3个阶段。剪切过程呈现良好的以均匀变形为主的细观变形特点。提出利用CT数随偏应变或偏应力的关系确定屈服应力的新方法。宜用CT数来描述原状Q2黄土屈服硬化过程的结构演化规律,相同吸力下,随着固结净围压的增大,CT数变化率越大;相同净围压下,随着吸力的增大,CT数变化率越小。     

广吸力范围内非饱和原状黄土的力学特性

为了研究广吸力范围内非饱和原状黄土的力学特性,采用轴平移技术和饱和盐溶液蒸汽平衡法控制试样的吸力,对Q3原状黄土进行了一系列控制吸力的常净围压三轴剪切试验,分析了吸力和净围压对原状黄土强度和变形特性的影响。试验结果表明:净围压一定条件下广吸力范围内原状黄土破坏时的偏应力随着吸力的增大而增大;不同吸力条件下原状黄土剪切过程中表现出不同程度的应变硬化或应变软化现象,同时吸力对黄土的剪胀性有明显的影响,且吸力越小或净围压越大,剪胀性越小;原状黄土的强度参数黏聚力随着吸力的增大而明显增大,而内摩擦角在低吸力范围内变化不明显,在高吸力范围内随吸力增大而明显增大。     

加卸载条件下吸力对黄土变形特性影响的试验研究

为了探讨基质吸力和净围压对黄土的变形–强度及卸载–再加载模量的影响,用非饱和土三轴仪对原状Q_3黄土及其重塑土共做了3组27个试验,即9个控制吸力和净围压等于常数的原状Q_3黄土的三轴固结排水剪切试验、9个原状Q_3黄土和9个重塑Q_3黄土的控制吸力和净围压等于常数的三轴固结排水卸载–再加载剪切试验。研究结果表明:基质吸力和净围压均对试样的强度及变形特性有显著影响;原状Q_3黄土的偏应力–应变曲线随净围压的增大从理想弹塑性型演变为硬化型,因其结构性导致偏应力–应变曲线的初始阶段存在交叉现象,试样一直处于剪缩状态;重塑试样在净围压较小时由剪缩逐渐变为较强的剪胀,在净围压较大时则只发生剪缩;表观凝聚力、切线杨氏模量和卸载–再加载模量均随着吸力的增大而增大;而吸力对有效内摩擦角及参数n(原状Q_3黄土的初始杨氏模量随净围压增大而变化的指数)、n_(ur)(原状Q_3黄土的卸载—再加载模量随净围压增大而变化的指数)和n_(ur)'(重塑Q_3黄土的卸载—再加载模量随净围压增大而变化的指数)的影响很小,皆可视为常数。基于试验研究结果,提出了考虑吸力和净围压影响的表观凝聚力、切线杨氏模量和卸载—再加载模量的修正计算公式,完善了非饱和土的增量非线性模型。     

原状Q3黄土在加载和湿陷过程中细观结构动态演化的CT–三轴试验研究

为了揭示原状Q3黄土在加载和湿陷过程中的细观结构变化,将湿陷三轴仪与医用CT机相配套,进行了一系列控制吸力的CT-三轴湿陷试验,不仅得到了加载过程和湿陷过程中的宏观反应曲线,而且得到了相对应的CT扫描图像。结果表明:原状湿陷性黄土具有较强的初始结构性;加载过程中,较大的孔洞先扩展后闭合,小孔洞逐渐闭合;湿陷过程中,大部分孔洞逐渐闭合且断面的密度分布趋于均匀;湿陷过程中大孔洞闭合与否取决于浸水时的应力状态。通过宏细观试验资料的分析,确定了原状湿陷性黄土的结构屈服应力,提出了一个基于CT数均值的结构性参数,分别定义了加载和湿陷过程中的结构损伤变量,研究了它们的变化规律,建立了结构损伤演化方程。     

非饱和原状黄土湿陷变形及孔隙压力特性

 通过用改装的应力2应变控制式三轴仪, 对等应力比条件下的非饱和原状黄土进行了“分级浸水”, 同时测试了试样在初始、加压固结和浸水湿陷几个状态下孔隙气压力和孔隙水压力的变化过程。初步分析了非饱和原状黄土湿陷变形特性以及湿陷过程中的孔隙水压力、孔隙气压力以及基质吸力的演化规律。     

Q_3原状非饱和黄土的水量变化和临界状态特性

用双室非饱和土三轴仪,对Q3原状黄土进行一系列控制吸力的各向均等压缩及同时控制吸力和净围压的三轴排水剪切试验,分析了吸力,净围压及应力路径对非饱和原状黄土临界状态及水量变化特性的影响,提出了各向均等压缩及三轴剪切应力条件下水土体积比与净平均应力关系的表达式、偏应力与净平均应力临界状态关系模式。研究结果表明:应力路径对非饱和原状黄土水量变化的影响显著,随着净平均应力增大,等向压缩应力条件下处于排水状态,剪切应力条件下视吸力及净围压的大小可能处于吸水或排水状态,不同试验条件下水土体积比与净平均应力或其增量之间对数关系呈二段直线。吸力对偏应力与净平均应力临界状态线的影响皆随着净围压增大而减小,不同吸力(大于0)下水土体积比与净平均应力的对数关系临界状态线皆近似为平行直线。     

非饱和原状黄土增湿条件下力学特性试验研究

利用FSY30型应变控制式非饱和土三轴仪采用常含水率试验,研究陕西泾阳县某边坡原状黄土在不同含水率(无偏应力条件下增湿)、不同固结围压下的强度和变形特性,求得Fredlund双应力状态变量抗剪强度公式中b?值并利用含水率建立了工程中实用的抗剪强度公式;再将天然原状土在不同偏应力水平下增湿饱和后继续剪切,观察其力学特性。两种增湿条件下试验结果表明:该地区黄土应力应变曲线关系呈剪切硬化型;含水率与初始基质吸力呈双曲线关系,剪切过程中基质吸力无明显变化,抗剪强度指标黏聚力随着含水率的增大显著降低而内摩擦角所受影响较小;有偏应力条件下试样浸水饱和后破坏强度显著降低,但对应力应变关系影响较小,增湿时偏应力水平越低,土样饱和后的稳定偏应力值越小。     

制样方法对非饱和土力学特性的影响

以一种非膨胀性黏土为试验材料,对孔隙比相近的非饱和压实试样和预固结试样进行一系列等吸力控制下的等向压缩试验和三轴剪切试验,研究了制样方法对非饱和土的压缩特性和剪切特性的影响。由等吸力等向压缩试验结果表明:初始孔隙比相近的预固结样和压实样在等向净应力20 k Pa条件下进行等吸力平衡,平衡过程中预固结试样的孔隙比明显减小而压实样的变化不大;其原因是两种试样的初始吸力和土结构存在差异。此外,预固结样和压实样在吸力150 k Pa条件下,预固结样的含水率随着等向净应力的增大而减小,而压实样的含水率几乎不变。上述变形特性可用SFG弹塑性模型说明。在净围压和吸力相同条件下对剪切前孔隙比相同的两种试样进行了三轴剪切试验,试验结果表明:在剪切前的密度、剪切时的吸力和净围压相同条件下,预固结样的偏应力–应变曲线和强度明显高于压实试样的曲线和强度。其原因可用两种试样的孔隙尺寸分布不同来解释。     

非饱和原状黄土的变形及屈服特性试验研究

对不同吸力非饱和原状黄土进行了等应力比三轴压缩及常规三轴剪切路径下的试验,研究了偏应力比q/p(q及p分别为净平均应力及偏应力),吸力及净围压对不同应力路径下变形及屈服特性的影响。研究结果表明:在等应力比三轴压缩及常规三轴剪切过程中,孔隙比e与净平均应力p关系(e-lnp)皆位于二条相交的直线上,吸力、偏应力比及净围压对弹性指数的影响很小,对屈服应力及压缩指数的影响较大。等应力比三轴压缩路径下,偏应力比一定时,屈服应力及压缩指数皆随吸力的增大而增大;吸力一定时,随偏应力比的增大而先增大后减小。常规三轴剪切路径下,吸力一定时,屈服应力及压缩指数皆随净围压的增大而增大;净围压一定时,随吸力的增大,屈服应力增大,压缩指数减小。以塑性体应变作为硬化参数时,q-p平面上的初始及后继屈服面皆为对称于饱和土K₀线的倾斜椭圆,吸力及应力增大时,屈服面没有旋转,而是产生等向扩大。     

非饱和黏土变形和强度特性试验研究

 利用双压力室非饱和三轴仪,进行非饱和黏土脱湿、等吸力固结和排水剪切试验,研究非饱和黏土的体变、屈服和强度特性,结果表明：在低吸力范围内,非饱和黏土在脱湿过程中的体积收缩呈弹塑性体变性状,验证了非饱和土本构模型中SI屈服曲线的存在;在等吸力固结试验中,黏土固结屈服应力随着吸力增加而增加,LC屈服曲线呈二次抛物线变化,固结压力的增长比基质吸力的增长对体变性状的影响效应要大。在剪切试验中,非饱和黏土应力应变关系依赖于净围压和基质吸力的不同组合,基质吸力增强土体应力–应变关系的硬化特性;在不同的吸力条件下,固结排水剪的有效内摩擦角基本不变,黏聚力的增长与吸力的增长基本呈线性关系。     

A new method of studying collapsibility of loess

A new triaxial testing system that could control suction in wetting-induced collapsible tests was successfully developed to study the suction effects on wettinginduced collapsible deformation. The pedestal of the triaxial cell was made up of two parts, and the equipment not only could control suction but also could make water accessible to soil. A pressure/volume-controlled equipment was combined with the triaxial system to measure the water volume absorbed by samples accurately and to add pressure on water to filtrate into the sample. The apparatus could measure volume change precisely and keep the deviator stress unvaried, as well as measure the volume of water filtrating into the samples exactly. A triaxial collapsible testing procedure was described using the new apparatus for undisturbed collapsible loess with controlled suction. Furthermore, a series of double triaxial collapsible tests were conducted under different suctions and the same net cell pressure, and tests under different net cell pressures and the same suction were also done. It was indicated that the collapsible deformation increased with the increasing suction, and the effect of the net cell pressure on collapsible deformation was remarkable. The new triaxial apparatus was a useful facility to study the collapsible behavior of loess. __________ Translated from Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2008, 30(4): 524-528 [译自: 岩土工程学报]     

从变形、水量变化和强度三方面验证非饱和土的两个应力状态变量

为了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,提高了量测体变和含水率的精度;用加荷器施加轴向荷载,可以方便地控制偏应力。在笔者前期用各向等压试验验证非饱和土的两个应力状态变量的基础上,使用改进的非饱和土三轴仪和重塑Q_3黄土做了两类验证试验:第一类是两组控制净围压、偏应力和吸力的固结不排水剪切试验,第二类是3组控制净围压和吸力的固结排水剪切试验。在第一类试验中,等值改变(增加或减少)总围压、孔隙水压力和孔隙气压力而保持净围压、吸力和偏应力本身不发生变化,发现试验过程中土样的体积变化和含水率变化均非常小,可以忽略不计。第二类试验的每一组包含两个控制净围压和吸力分别相同的固结排水剪切试验,其中一个试样在固结完成后直接进行排水剪切试验,另一个试样在固结完成后等值增加总围压、孔隙水压力和孔隙气压力而保持净围压和吸力本身不发生变化的条件下进行排水剪切试验,发现二者的抗剪强度、剪切过程中的体积变化、排水量和广义剪应变都分别十分接近,可以认为两两相等。研究结果从变形(包括体应变和剪应变)、水量变化和强度3个方面说明描述非饱和土的两个应力状态变量是合理的,进一步夯实了非饱和土力学的应力理论基础,为非饱和土的两个应力状态变量理论提供了牢靠的试验依据。     

重塑非饱和黄土的变形、强度、屈服和水量变化特性

共做了３种应力路径的三轴试验,即：控制吸力的各向同性压缩试验、控制净平均应力的三轴收缩试验和同时控制吸力与净室压力的三轴排水剪切试验。研究结果表明：应力路径对土的变形和水量变化有较大影响;土－水特征曲线依赖于净平均应力;与净法向应力相关的摩擦角在各种吸力下近似等于饱和土的有效摩擦角;剪切强度与吸力的关系是非线性的;三轴剪切条件下的水量变化指标接近常数;屈服净平均应力和屈服偏应力随吸力增大;在净平均应力不变的条件下屈服吸力是一常数但不一定等于土样在历史上曾受过的最大吸力。根据试验资料,提出了一个新的吸力增加屈服条件,并建议了一个确定三轴剪切条件下的屈服应力的新方法。     

不同中主应力条件下粗粒土应力变形特性试验研究

采用长江科学院大型真三轴仪,对粗粒土进行了一系列不同中主应力系数条件下的真三轴试验和平面应变试验,研究了中主应力对粗粒土的应力变形的影响规律。试验结果表明,中主应力比b一定时,应力–应变关系曲线的斜率和峰值强度随着固结压力的增大而增加,在低围压条件下,体变关系曲线在加载过程中表现为先剪缩后剪胀的特性,而在高围压下,整个加载过程中表现剪缩的特性;固结压力一定时,随着b值的增大,应力在峰值后的软化现象愈加明显,体变全过程曲线表现出剪胀特征对应的固结压力越来越低,小主应变–大主应变关系曲线的斜率绝对值增大。研究成果可为进一步研究粗粒土的本构模型奠定基础。     

低渗透岩石三轴压缩过程中的渗透性研究

 采用岩石全自动三轴伺服仪,对低渗透花岗岩进行考虑渗透水压作用的三轴渗流–应力耦合试验。基于试验结果,研究花岗岩在不同围压和渗压下的渗透特性,分析岩石应力、应变变化过程中渗透率随围压、渗压和体积应变的变化规律。试验结果表明：岩石的应力–应变关系具有典型的脆性特征,渗压相同围压不同时,岩石强度随围压增大而增加;围压相同渗压不同时,较低的渗压对低渗透岩石强度影响不明显。岩样体积应变经过压密和扩展2个阶段,最大体积压缩应变随着围压的增加而增加,而岩样渗透率最小值并未出现在最大压密处,而是出现在体积应变拐点前,约在最大压密体积应变的95%处,并给出渗透率与体积应变的关系式。     

Experimental characterisation of the localisation phenomenon inside a Vosges sandstone in a triaxial cell

The behaviour of a Vosges sandstone is studied, including quasi-homogeneous deformation, incipient strain localisation and localised rupture. The homogeneous behaviour is first presented from about 60 experiments in triaxial compression with two slenderness ratios (H/D=1 and 2), in triaxial extension, and in isotropic compression. A large range of confining pressures (0–60 MPa) is investigated, showing a significant evolution of material response. A strong positive dilatancy is observed at lower pressure, decreasing to become negative (contractancy) at higher pressure. Simultaneously, the strength decreases with increasing confining pressure. The localisation is described in terms of onset of localisation, shear band orientation and patterning. The volumetric strain is analysed inside the band with computed X-ray tomography and electron microscopy. We observed the formation of a gouge layer, and around it, a dilating shear band at lower confining pressure and a compacting shear band at higher pressure. This compacting shear band seems to be the transition mechanism between the brittle and semi-brittle regime.