部分排水条件下饱和黏性土渐近状态本构模型研究

为研究排水边界条件对饱和软黏土强度特性的影响,利用GDS-DYNTTS动三轴仪开展了饱和软黏土的不排水试验和自由排水试验。采用控制体应变与轴向应变增量比ξ的方法进行了部分排水条件下饱和软黏土的强度特性试验,从孔隙水压力、p-q平面的有效应力路径和渐近状态特性等方面研究了排水边界条件对饱和软黏土力学特性的影响。基于渐近状态特性和剪胀特性,将应变增量比ξ引入应力路径本构模型,建立了饱和黏性土渐近状态本构方程。通过与孔压、有效应力路径实验结果的对比验证了模型的合理性。试验结果表明饱和黏性土的应变增量比ξ应小于0.3;排水条件影响正常固结黏土剪胀性的发挥程度、有效应力路径以及土的抗剪强度大小。随着应变增量比ξ的增大,饱和黏性土的孔隙水压和有效应力比减小而强度增大。试验后期,饱和黏性土试样长期处于临界状态,改变排水条件可抑制或加速土体的破坏。     

5种排水条件下饱和重塑黄土三轴剪切特性

为了深化对工程实践中黄土排水状态和影响的认识,通过三轴剪切试验控制应变增量比研究了饱和重塑黄土在不排水、强制吸水、自由排水、强制排水、部分排水5种排水条件下的剪切特性。结果表明,饱和重塑黄土的剪切特性与排水条件密切相关：在不排水和强制吸水条件下,黄土试样表现为应变软化,从广义上讲,在强制吸水条件下试样的剪胀性被强制发挥;在自由排水和强制排水条件下,黄土试样表现出硬化趋势,其中,在强制排水条件下试样的剪胀性受到抑制;在部分排水条件下,黄土试样为应变软化或应变软化到硬化的过渡状态,此时,黄土的剪切特性不仅与应变增量比有关,也受到孔隙比的影响,应变增量比越接近0,试样的软化程度越明显,而试样的孔隙比越小,其在剪切初始阶段的剪胀趋势越明显,试样的峰值强度和残余强度越高。另外,基于渐近状态方程和剪胀方程,量化分析了饱和重塑黄土的渐近状态和剪胀性,发现试样的渐近状态应力比与剪胀程度呈负相关关系。     

软土在不同应力路径下的力学特性分析

通过固结不排水剪应力路径试验对广州南沙典型软土在不同固结条件的力学特性进行了系统研究。分析了初始固结状态对软黏土应力路径依赖性的影响,比较了不同应力路径下土的应力-应变关系特征和孔隙水压力变化规律,探讨了孔压分布与土体变形特征的关系,认为侧向卸荷会造成剪应力增加、体应力减小,从而使土体产生剪胀趋势。研究结果还表明,不排水条件下的有效应力路径主要与土样初始固结状态有关,因而同一固结状态下的有效应力路径具有唯一性。另外,试验中的剪切控制方式对有效应力路径有明显影响,但对土体抗剪强度的影响可以忽略。     

不同应力路径下饱和重塑黄土的力学特性

土体的力学特性往往因应力状态和应力路径而异。为了探讨垂直加载和等剪路径下饱和土的力学特性,制备饱和重塑黄土试样,通过固结不排水（CU）和常剪应力排水剪（CSD）三轴试验,分别测定并绘制其应力-应变曲线、孔隙水压力变化曲线和应力路径曲线。试验结果表明,饱和重塑黄土在2种路径下有明显不同的变形特点:CU路径下的应力-应变曲线皆呈弱软化型,孔隙水压力先快速上升后逐渐趋于稳定;CSD路径下维持偏应力为一常量,施加孔隙水压力后的很长时间内试样变形很小,当孔隙水压力增大至试验围压的60%~75%时,试样迅速破坏。CSD路径无偏应力峰值,文中根据轴应变随平均有效应力变化曲线定义了等效峰值破坏线。通过对比发现,2种路径下饱和重塑黄土的有效峰值强度指标差异明显,而有效残余强度指标相近,表明有效残余强度指标是重塑黄土内在属性,受应力路径的影响不大。该研究结果可为实际工程选取正确的应力路径试验提供参考。     

不同应力路径下饱和黏土耦合循环剪切特性

地基土单元体在波浪荷载的作用下将发生主应力轴连续旋转,这对土的强度和变形特性会产生显著的影响。针对饱和黏土,利用土工静力－动力液压三轴－扭转多功能扭剪仪进行了均等固结下的耦合循环剪切试验,着重研究了不同循环应力路径对应力-应变关系和强度特性的影响。试验结果表明,耦合循环荷载下黏土扭转剪切分量和正向偏差分量的应力-应变关系曲线与应力路径有关,且随着振动次数的增加逐渐疏松,割线模量 和 不断衰减,这与不固结不排水条件下的应力-应变关系曲线的变化规律明显不同;扭转剪切分量大的椭圆应力路径的动强度略小于正向偏差分量大的动强度。饱和黏土在不同应力路径下的力学特性的试验研究可以为建立复杂应力路径下的本构模型提供试验依据。     

Gudehus-Bauer亚塑性本构模型研究

无黏性土的应力-应变关系可以用Gudehus-Bauer亚塑性本构模型来模拟,该模型强调应力增量的大小和方向不仅与当前应力状态有关,而且还取决于当前应变增量的大小和方向。为分析其与传统弹塑性理论的不同之处,对Gudehus-Bauer理论的线性项和非线性项进行了研究,并对不同初始孔隙比下Gudehus-Bauer亚塑性模型的应力-应变关系进行了探讨。结果表明Gudehus-Bauer亚塑性模型不用把应变分为弹性和塑性部分就能考虑不可逆变形,并能体现密砂的剪胀特性和应变软化特性以及松砂的剪缩特性和应变硬化特性。     

基于有效固结应力法确定结构性黏性土不排水抗剪强度

由于结构性的存在使得很多天然黏性土的强度和变形特性不同于重塑土和非结构性土。首先回顾了适用于确定重塑土和非结构性土不排水抗剪强度的有效固结应力法,并推导了相应的方程。在此基础上,对于结构性黏性土,采用两段不同斜率（内摩擦角正切）和截距（黏聚力）的直线模拟其抗剪强度包络线,建立了确定其不排水抗剪强度的有效固结应力法方程;当有效应力小于结构屈服应力时,有效固结应力方程中有效应力部分需乘以0.8的修正系数;只要已知剪切前的有效应力,利用相应的有效固结应力法公式,可确定结构性土体的不排水抗剪强度。利用连云港结构性软黏土的等压固结三轴试验数据,验证了有效固结应力法的适用性。分析表明：对于连云港软黏土的不排水抗剪强度,有效固结应力法的计算结果与试验结果吻合较好;对于结构屈服应力,有效固结应力法的预测结果与试验数据点的拟合结果有一定偏差,但并不明显。     

饱和软黏土动力学特性循环扭剪试验研究

以饱和软黏土的循环扭剪试验研究为基础,阐明不固结不排水条件下饱和软黏土的动力学特性。在循环扭剪和循环三轴两种不同试验应力状态下,通过研究不同围压和不同静、动应力组合下饱和软黏土的应力等效破坏关系和应变等效破坏关系,提出在循环荷载作用下饱和软黏土的循环破坏同样遵循Mises屈服准则,且在Mises屈服准则下,饱和软黏土的循环强度趋于不变量。循环破坏的过程可以等效为一种拟静力弹塑性循环蠕变,建立了饱和软黏土循环累积变形随静荷载、循环荷载以及循环破坏振次之间的关系式。上述结论分别从应力和变形两个方面阐述饱和软黏土的动力学特性,与试验应力状态和围压无关,可以推广到一般应力状态下。     

海相沉积软黏土的弹塑性本构模型研究

在深入探讨海相沉积原状软黏土压缩、变形等力学特性和详细分析加载屈服面随荷载情况变化的基础上,确认了海相沉积原状软黏土的强度、变形特性与结构屈服应力密切相关。即当固结压力小于结构屈服应力时,其力学特性与超固结重塑土的力学特性类似;当固结压力大于结构屈服应力时,其力学特性与正常固结重塑土的力学特性类似。为描述海相沉积原状软黏土的上述力学特性,将姚仰平等提出的超固结重塑土本构模型引入到海相沉积软黏土弹塑性本构模型的构建中。在本构模型构建过程中,考虑了海相沉积原状软黏土具有的抗拉强度及其演化规律,软黏土强度包线的特点及其进一步修正的表达式,使模型更符合海相原状软黏土的强度、变形特性。最后,将3种不同海相沉积软黏土固结排水剪切试验得到的应力-应变-体变曲线与模型预测结果进行对比。比较结果显示,本文提出的弹塑性本构模型能很好地描述海相沉积原状软黏土的剪缩硬化、剪胀软化以及变形的应力水平依存性等力学特性。     

考虑渐近状态特性的超固结土本构模型

基于超固结土的UH模型,结合渐近状态概念,将适用于饱和砂土的渐近状态本构模型推广为考虑渐近状态特性的超固结土本构模型,用于描述土的超固结性和渐近状态特性。通过采用变换应力方法实现了模型的三维化。新提出的本构模型简单、参数较少,与剑桥模型相比,仅增加了一个材料参数,即伏斯列夫面斜率。该模型能够合理反映超固结土的硬化、软化、临界状态、剪缩、剪胀、应力路径依赖性、渐近状态等特性。     

钱塘江冲海积非饱和粉土剪胀性三轴试验研究

钱塘江两岸广泛分布着冲海积粉土。在对钱塘江饱和粉土三轴试验研究的基础上,采用常规三轴仪,通过对不同饱和度系列粉土的固结排水CD试验,探讨钱塘江非饱和粉土的应力-应变性状和剪胀特性。对稍密状态（e = 0.871～0.969）粉土的试验表明：钱塘江冲海积非饱和粉土显著的特性之一是剪胀性,剪胀主要与粉土的饱和度和围压有关;饱和度对应力­应变曲线的一般形状影响不大;应力-应变曲线呈微软化型,残余强度qr与峰值强度qmax之比大多在0.9～1.0之间;粉土的剪胀随饱和度增高而增大,随围压增高而减小。临界状态体应变与中主应力随饱和度的变化有明显规律,围压800 kPa下,稍密状态钱塘江非饱和粉土体应变在 =12.020 2 – 4.939 2lnp和 =15.771 7 – 5.775 1lnp两条线所围的范围内,剪胀的最大体应变小于5%。     

软黏土加载速率效应特性试验研究:进展与趋势

大量的室内和现场试验都表明,软黏土的强度与变形速率相关。为了更深入地认识软黏土的加载速率效应特性,首先分析了一维应力条件下先期固结压力和三轴应力条件下不排水抗剪强度的加载速率效应及应力-应变关系的归一化,探讨了一维和三轴条件下的5个速率方程(2个指数形式和3个对数形式)在拟合黏土先期固结压力和不排水强度加载速率效应上的适用性;使用5个速率方程估计了一维和三轴条件下的加载速率参数,以及拟合了加载速率参数与液塑限的关系,并且分析了复杂应力(十字板剪切和旁压条件)下的非理想土单元体的黏土加载速率效应特性等;讨论了黏土加载速率效应特性在一维和三维、压缩与伸长、不同超固结比(OCR)条件下的统一性;最后,从香港黏土压缩与伸长和不同OCR条件下的剪缩、剪胀特性方面更深入地探讨了软黏土加载速率效应特性,并讨论了典型的剪缩、剪胀方程在黏土的力学特性模拟中的有效性。结果表明,为更好地描述黏土的应力剪胀特性,现有典型的剪胀关系需要更一步改进。     

不排水条件下砾石土的应变率效应

为研究应变率对砾石土应力、应变、强度特性的影响和应变率效应产生机制,对砾石和黏土混合备制的饱和砾石土心墙料,在应变率0.028～0.690 %/min范围内进行了不同围压下的固结不排水三轴压缩试验,定量地分析了三轴不排水抗剪强度的应变率效应。试验结果表明,不同的应变率下砾石土应力-应变曲线具有相似性;应变率增大10倍,不排水抗剪强度增大7.4%～29.9%;砾石土的应变率效应是剪切产生的孔隙水压力和土料本身黏滞性共同作用的结果,在不同的围压下二者发挥的程度不同     

循环荷载下软黏土不排水强度弱化分析的动力有限元ABAQUS实现

在波浪循环荷载作用下饱和软黏土地基出现孔隙水压力升高,并导致不排水强度弱化,严重影响防波堤的承载性能。考虑静偏应力影响,基于最大孔隙水压力发展模型和正常固结软黏土不排水强度公式,推导出软黏土不排水强度随循环荷载作用次数和应力水平变化的动态折减规律。结合软黏土不排水强度动态折减规律和M-C屈服准则,在有限元软件ABAQUS上实现软黏土不排水强度循环弱化分析的数值开发和动力运算过程。运用该动力有限元方法对天津港防波堤地基软黏土的动、静三轴试验进行数值模拟运算。结果表明,最大孔隙水压力发展曲线以及循环荷载作用后不排水强度的数值预测结果与动三轴试验结果吻合良好。另外,动力有限元方法（DFEM）能够表示土体强度在循环荷载作用下的具体弱化过程。     

循环荷载下软黏土不排水强度弱化分析的动力有限元ABAQUS实现EI北大核心CSCD

在波浪循环荷载作用下饱和软黏土地基出现孔隙水压力升高,并导致不排水强度弱化,严重影响防波堤的承载性能。考虑静偏应力影响,基于最大孔隙水压力发展模型和正常固结软黏土不排水强度公式,推导出软黏土不排水强度随循环荷载作用次数和应力水平变化的动态折减规律。结合软黏土不排水强度动态折减规律和M-C屈服准则,在有限元软件ABAQUS上实现软黏土不排水强度循环弱化分析的数值开发和动力运算过程。运用该动力有限元方法对天津港防波堤地基软黏土的动、静三轴试验进行数值模拟运算。结果表明,最大孔隙水压力发展曲线以及循环荷载作用后不排水强度的数值预测结果与动三轴试验结果吻合良好。另外,动力有限元方法(DFEM)能够表示土体强度在循环荷载作用下的具体弱化过程。     

软黏土蠕变特性试验研究：回顾与发展

大量的室内和现场试验表明软黏土存在长期变形难以收敛的问题,为了更深入地认识软黏土的蠕变特性,首先,从微观物理化学角度探讨蠕变机制;然后,深入分析一维应力条件下次固结系数的演变规律以及确定方法和三轴排水、不排水蠕变特性及黏土的长期抗剪强度、室内旁压试验和现场试验等复杂应力下的黏土蠕变特性等,并且讨论黏土蠕变特性与应变速率和应变松弛特性在一维和三轴条件下的关联性;最后,从黏土次固结特性与微观结构的相关性、如何准确描述次固结系数的非线性及蠕变过程中应力剪胀剪缩关系发展等三方面更深入地探讨软黏土蠕变特性。     

不同温度应力路径下饱和黏土剪切特性

在精准温控动三轴试验系统上开展了不同温度及不同升温路径饱和黏土剪切试验研究,探讨了不同温度对饱和软黏土不排水剪切特性的影响,分析不同升温固结方式对饱和软黏土孔压发展、体变、强度以及模量的影响规律。试验结果显示：在4～76 ℃试验研究范围内,环境温度升高导致饱和软黏土的不排水剪切强度有所减少,但温度升高对土体模量增加影响明显,温度T和模量ET关系可用ET = 2.69T 0.3表达;升温变化时正常固结黏土产生超孔隙水压力并随着温度增大而增大,升温热固结后土的剪切强度将明显提高,且排水状态下升温固结对土剪切强度增长小于升温完成后再固结情况;土体从26 ℃分别升高20、40 ℃时,升温引起的超孔压比分别为0.41、0.61,剪切峰值强度分别增加8.23%、22.37%。研究表明：升温幅值增大会使土体热固结程度越大,升温分级越多,热固结也越充分,其对应的体变、强度增长率则越大;同时最终温度及热固结路径对其剪切相转换特征存在影响,升温越高、热固结路径越多其剪胀性越明显,但温度变化范围、固结分级、热固结路径总体上对孔隙水压力的发展基本不产生影响。     

变荷载下连续排水边界粘弹性地基一维固结性状分析

本文在考虑软黏土流变特性的基础上,结合工程实际,引入连续排水边界条件,建立了变荷载下连续排水边界粘弹性地基一维固结模型。通过分离变量法与常数变易法,求得了变荷载作用及连续排水边界条件下的饱和软黏土一维固结模型的解析解,进一步研究了透水边界条件和土体参数对超孔隙水压力、有效应力的影响。研究结果表明:上下边界透水性的不同会直接影响超孔隙水压力的变化;越靠近透水性大的边界处的土体固结速度越快,且随着其离排水边界的距离减小,对固结速度的影响逐渐增大;另外,软土层的渗透系数、Kelvin体弹簧的弹性模量和黏滞系数等对土颗粒间的有效应力影响较大。     

变荷载下连续排水边界粘弹性地基一维固结性状分析

本文在考虑软黏土流变特性的基础上,结合工程实际,引入连续排水边界条件,建立了变荷载下连续排水边界粘弹性地基一维固结模型。通过分离变量法与常数变易法,求得了变荷载作用及连续排水边界条件下的饱和软黏土一维固结模型的解析解,进一步研究了透水边界条件和土体参数对超孔隙水压力、有效应力的影响。研究结果表明:上下边界透水性的不同会直接影响超孔隙水压力的变化;越靠近透水性大的边界处的土体固结速度越快,且随着其离排水边界的距离减小,对固结速度的影响逐渐增大;另外,软土层的渗透系数、Kelvin体弹簧的弹性模量和黏滞系数等对土颗粒间的有效应力影响较大。     

变荷载下连续排水边界黏弹性地基一维固结性状分析

在考虑软黏土流变特性的基础上,结合工程实际,引入连续排水边界条件,建立了变荷载下连续排水边界黏弹性地基一维固结模型。通过分离变量法与常数变易法,求得了变荷载作用及连续排水边界条件下的饱和软黏土一维固结模型的解析解,进一步研究了透水边界条件和土体参数对超孔隙水压力、有效应力的影响。研究结果表明:上下边界透水性的不同会直接影响超孔隙水压力的变化;越靠近透水性大的边界处的土体固结速度越快,且随着其离排水边界的距离减小,对固结速度的影响逐渐增大;另外,软土层的渗透系数、Kelvin体弹簧的弹性模量和黏滞系数等对土颗粒间的有效应力影响较大。