温控土工三轴仪的研制及其应用

为了研究温度对土的力学性质的影响,研制了一套温控土工三轴仪。该设备采用模块结构,体小轻巧;实现了三轴仪与恒温箱的巧妙结合,能经受高压高温;对温度、吸力、应力、应变既能较好地控制,也能较准确地量测;体变、排水、气压量测精度高,传压滞后小;数据自动采集处理,应用方便,造价低;能进行控制温度的饱和土与非饱和土试验。利用该设备对陶岔胀土进行了三种应力路径的控制温度的三轴试验,结果表明,温度对该土的变形、强度和土–水特征曲线有较大影响。温控土工三轴试验设备的研制成功为研究土的热力学特性提供了有力工具。     

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。     

温控非饱和土三轴试验装置的研制及其应用

高放核废物地质处置、地热资源开采与贮存以及城市地下供热管道设计等现代岩土工程的建设都需要考虑温度的影响，使得温度对天然非饱和土体基本性质影响的研究成为土力学的重要课题之一。为了研究非饱和土水力和力学性质受温度影响的规律，需要研制新的温控试验装置，以便为这种研究提供工具和手段。基于对既有非饱和土静三轴仪的改造，研制了一种温控非饱和土三轴试验装置，通过将所研制的温控压力室与非饱和土三轴试验系统的有机结合，实现了试验过程中对温度控制及量测的目的。利用该试验装置，对不同温度下非饱和土土水特征曲线进行了测定，所得结果与现有理论结果相吻合。     

一室四腔刚-柔加载机构真三轴仪的改进与强度试验——西安理工大学真三轴仪

土的真三轴仪是研究不同应力路径等复杂应力条件下土力学性质的重要仪器。与国内外已有真三轴仪的加载机构比较,西安理工大学真三轴仪具有一室四腔、竖向和水平面内正交两向分别呈刚性和柔性加载机构的特征。试样的竖向采用刚性板加载,侧向正交双轴分别采用两组内置于压力腔的液压囊加载。针对试样上下端部刚性板的约束作用,增大了试样的竖向尺寸,研制了高宽比为2∶1的压力室;针对立方体试样侧面正交双轴的液压囊体积变化量测侧向变形的不足,研制了穿越液压囊的变形量测机构;针对自动控制系统信号波动变化较大,稳定性差等不足,开发了自动控制系统及多种应力路径和控制方式的控制程序。通过饱和砂土、非饱和土和原状黄土的试验,测试了各种土的强度变化规律,验证了改进真三轴仪的性能。     

一室四腔刚–柔加载机构真三轴仪的改进与强度试验——西安理工大学真三轴仪

土的真三轴仪是研究不同应力路径等复杂应力条件下土力学性质的重要仪器。与国内外已有真三轴仪的加载机构比较,西安理工大学真三轴仪具有一室四腔、竖向和水平面内正交两向分别呈刚性和柔性加载机构的特征。试样的竖向采用刚性板加载,侧向正交双轴分别采用两组内置于压力腔的液压囊加载。针对试样上下端部刚性板的约束作用,增大了试样的竖向尺寸,研制了高宽比为2∶1的压力室;针对立方体试样侧面正交双轴的液压囊体积变化量测侧向变形的不足,研制了穿越液压囊的变形量测机构;针对自动控制系统信号波动变化较大,稳定性差等不足,开发了自动控制系统及多种应力路径和控制方式的控制程序。通过饱和砂土、非饱和土和原状黄土的试验,测试了各种土的强度变化规律,验证了改进真三轴仪的性能。     

控制试样初始剪切模量的动三轴液化试验

研制了压电陶瓷弯曲元-动三轴试验系统 ,解决了三轴仪内饱和试样的剪切波速测量问题 ,并阐述了其原理。在此基础上 ,通过先期振动控制重塑试样的初始剪切模量 ,并通过不排水应变控制循环三轴试验研究了钱塘江饱和粉土和粉砂的液化性质。     

三轴试验中非饱和土试样吸力的量测

本文作者改装了常规三轴仪使之能量测非饱和土试样的孔隙水压力和控制孔隙气压力，并与轴移技术所测得的吸力进行了对比验证。利用这种改装的仪器和轴移技术，进行了一组非饱和土试样的排气常含水量三轴剪切试验，量测出剪切过程中的吸力变化值，试验中发现围压和剪切应变对试样的吸力均有较大影响。     

三轴试样径向变形激光量测系统的改进

 利用激光光电检测技术和高精度位置敏感探测器(PSD)的优点,对三轴试样径向变形的激光量测系统进行相关改进。共做了3个方面的改进工作：(1) 将圆形压力室改为方形压力室,可解决光垂直入射时发生的光线偏折现象。(2) 由于原系统使用1个PSD,无法解决三轴剪切试验中试样容易发生偏心的问题,使用2个PSD分别对试样径向左右两侧进行量测,可提高量测的精度。(3) 将控制传感器升降的微动机械控制单元的普通电机转换成由计算机指令控制的步进电机,每一行程都能回到同一初始位置。运用该套系统对标准件、压力室中的标准件和压力室加水的标准件进行标定,得出电信号变化与直径变化的函数关系,并对饱和含黏砂土试样进行固结试验,将测试结果同计算结果相比较,证明该套系统测试三轴试验试样的体变结果较为可靠。该系统可用于研究三轴试样的局部变形和端部约束等问题,并对当前土体本构关系中的应变局部化、剪切带形成以及非饱和土体变量测等方面也有比较广泛的应用前景。     

非饱和土三轴仪的CT机配套及其应用

研制了一种能和CT机配套使用的非饱和土三轴仪。该仪器除具有非饱和土三轴仪的全部功能外 ,还能在试验过程中对土样内部结构进行动态、定量和无损地量测。利用该三轴仪和CT机 ,成功地动态追踪了一个膨胀土试样在三轴剪切试验过程中的损伤演化 ,并结合强度、变形等宏观试验结果进行了分析。     

非饱和土体变试验研究及其在地面沉降中的应用

采用GDS非饱和三轴仪,对重塑非饱和土在干燥过程中试样含水量变化和总体积变化开展了大量试验研究.基于试验研究结果,根据非饱和土力学理论提出了可以全面考虑非饱和区和饱和区沉降变形的饱和-非饱和沉降数学模型,并对地下水位降低引起的地面沉降问题进行了详细分析和研究.主要研究成果和结论如下:(1)结合土水特征曲线和收缩曲线,考察了非饱和重塑砂土、粉土、黏土和粉质黏土试样在干燥收缩过程中基质吸力和孔隙比关系.试验结果表明,当试样基质吸力达到某一特定值后,基质吸力的增大不引起试样的进一步收缩变形,称此吸力为缩限吸力Ss.因此,屈服吸力和缩限吸力可将整个收缩过程分为3个阶段,即弹性阶段、弹塑性阶段和缩限阶段.(2)采用GDS非饱和土三轴仪,在分别控制试样基质吸力和净平均应力条件下对非饱和重塑黏土的体积变化和含水率变化特性进行了详细试验研究.在非饱和三轴试验研究中,开展了2组不同应力路径试验:①各向同性压缩试验:在控制基质吸力Us=Ua-Uw的条件下施加不同的净甲均应力p=Om-Ua;②三轴收缩试验:在控制净平均应力条件下施加不同的基质吸力.(3)结合饱和一非饱和渗流与非饱和土体变本构模型,提出了一种可以全面考虑非饱和区域与饱和区域沉降的数学模型.对于饱和区,利用饱和土的有效应力原理来计算土体有效应力增大而引起的压缩变形量;对于非饱和区,采用非饱和土的体变本构模型,可分别计算土体由于基质吸力增大而引起的收缩变形量和净平均应力减小而引起的回弹量.(4)根据饱和一非饱和沉降数学模型,基于非饱和土层基质吸力分布为静水平衡的假设,针对不同的地下水位降低,分别估算了非饱和区域和饱和区域的沉降量.通过非饱和区沉降量和地表总沉降量的对比,验证了考虑非饱和区沉降变形量的重要性.对于非饱和区,分别估算了由于净平均应力的降低引起的地面回弹量和基质吸力的增人引起的地面沉降量.计算结果表明,在这两种变形中收缩变形量在非饱和区变形中占有主导地位,净平均应力的减小而引起的地面回弹量可以忽略不计.(5)针对某一基坑,采用饱和一非饱和沉降数学模型对基坑降水引起周围土层的沉降进行分析,分别估算了非饱和区与饱和区的沉降变形量,并对各种影响囚素进行了详细分析.基于饱和一非饱和非稳态渗流,对基坑降水后引起饱和区域和非饱和区域的沉降变形进行了动态过程的模拟,分析了地面沉降与时间和空间的相关性.     

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。     

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。     

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.     

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。     

考虑温度影响的饱和软黏土累积变形特性研究

通过开展饱和软黏土温控动三轴试验,研究了不同温度作用下土的不排水累积变形、孔压、阻尼比及动弹性模量变化规律,建立了考虑温度、初始静偏应力、围压、超固结比等影响的应变模型,并获得了模型参数与温度的关系。结果表明:温度对土的累积塑性变形、孔压、阻尼比及动弹性模量有较大影响,土体的累积塑性应变、孔压、阻尼比均随着温度升高而减小,动弹性模量则随着温度升高而增大,土体表现出热硬化特征;在不同温度作用下,考虑温度影响的应变模型计算结果与试验结果较为吻合,验证了模型的合理性,可用于预测同一试验工况下任意温度时土的累积塑性应变结果。     

热–力耦合作用下黏性土体积变形特性试验研究

采用温控三轴仪,对饱和黏性土在热–力耦合作用下的体积变形特性进行了研究。试验中共考虑了温度循环后的应力加卸载试验、升高或降低不同温度后的应力加卸载试验3种方案。结果表明,黏性土温度体积变形的大小与围压无关。温度循环会造成黏性土塑性体积变形持续发展,但单周塑性应变增量随温度循环周数的增加而减小,体现了温度历史的影响。将土样继续加载后,温度的历史效应将被覆盖,后续温度循环中产生的塑性体积应变量值及发展规律与初始循环下的类似。不同温度下土体的压缩指数和回弹指数基本不变。同一塑性体积应变下,屈服应力随温度的增加而减小。温度变化引起的塑性体积应变也会造成屈服应力提高,可近似采用与力学塑性体积应变硬化一致的规律进行描述。