考虑超固结比和应力速率影响的膨胀土卸荷力学特性研究

利用GDS应力路径三轴试验系统对南阳膨胀土进行3种应力速率下、4种超固结比（OCR）的被动压缩三轴试验及3种超固结比的被动挤伸三轴试验,分析了不同超固结比和应力速率下其应力（孔隙水压力）-应变关系、有效应力路径及变形模量的演化规律,对膨胀土变形模量各向异性特性进行了初步探讨。结果表明,应力速率、超固结比及卸荷路径均对膨胀土力学特性有一定影响。在被动压缩路径和被动挤伸路径下,随着应力速率和超固结比的增加,相同轴向应变时的偏应力值单调增加;不同超固结比和应力速率时膨胀土的孔隙水压力始终为负值,且其降幅总体上随超固结比的增加而增大,但其降幅随应力速率的变化规律与剪切路径有关。在被动压缩路径下,相同应变时不同应力速率下的孔压降幅基本相同;而在被动挤伸路径下,其降幅随应力速率的增加而增大。边坡开挖路径的选择对于边坡变形影响显著,被动挤伸路径下达到设定极限偏应力时的轴向应变明显大于被动压缩路径。膨胀土变形模量E100随着超固结比和应力速率的增加而增加,但各应力速率下变形模量的各向异性特性则随着超固结比的增加而变弱。     

考虑卸荷速率的K_0固结膨胀土应力-应变行为

通过GDS三轴试验系统对K_0固结原状南阳膨胀土原状样进行了不同卸荷速率和卸荷路径下的不排水三轴剪切试验,在试验资料的基础上,建立了K_0固结膨胀土的初始切线模量E_i与极限偏应力q_(ult)与固结应力及卸荷速率的关系式。发现,K_0固结膨胀土在卸荷剪切过程中的应力-应变关系曲线呈典型双曲线特征;膨胀土的不排水剪切强度随轴向固结应力及卸荷速率的增加而单调增加;初始切线模量E_i及极限偏应力q_(ult)随固结应力及卸荷速率的变化规律与强度基本类似,但初始切线模量随固结应力的增加呈指数增加,而极限偏应力则表现为线性增加。通过改进邓肯-张双曲线表达式,建立了K_0固结膨胀土下不同卸荷速率时应力-应变关系的预测公式,并进行了模型验证。     

考虑卸荷速率的K_0固结膨胀土应力-应变行为

通过GDS三轴试验系统对K_0固结原状南阳膨胀土原状样进行了不同卸荷速率和卸荷路径下的不排水三轴剪切试验,在试验资料的基础上,建立了K_0固结膨胀土的初始切线模量E_i与极限偏应力q_(ult)与固结应力及卸荷速率的关系式。发现,K_0固结膨胀土在卸荷剪切过程中的应力-应变关系曲线呈典型双曲线特征;膨胀土的不排水剪切强度随轴向固结应力及卸荷速率的增加而单调增加;初始切线模量E_i及极限偏应力q_(ult)随固结应力及卸荷速率的变化规律与强度基本类似,但初始切线模量随固结应力的增加呈指数增加,而极限偏应力则表现为线性增加。通过改进邓肯-张双曲线表达式,建立了K_0固结膨胀土下不同卸荷速率时应力-应变关系的预测公式,并进行了模型验证。     

泥炭质土K0固结不同开挖路径应力-应变关系研究

基坑开挖过程中不同部位的土体会因不同的卸荷力学行为而表现出动态的破坏特性。为研究基坑土体开挖过程中复杂的卸荷应力路径,利用TSZ-1S应力控制式三轴仪分别对湖相沉积的泥炭质土进行固结不排水及K₀固结下的加、卸荷试验,并按侧向、轴向、轴侧向同时卸荷等不同卸荷条件制定试验方案,模拟基坑开挖过程中不同部位土体卸荷路径下的应力-应变曲线、卸荷剪切破坏时的强度及初始切线模量等的变化规律。试验结果表明：土体的应力-应变特性与应力路径密切相关,各路径下应力-应变曲线都近似呈双曲线型;卸荷剪切破坏时强度明显低于加荷破坏。对不同卸荷路径下初始切线模量(E_i)的研究发现,E_i受侧向卸荷影响较大,卸荷后E_i有所提高,轴向卸荷对其影响较小。对各应力-应变曲线进行归一化处理,构建了考虑不同归一化因子的归一化方程,以该方程为基础对不同应力路径下的泥炭质土进行归一化处理,并对结果进行了验证,效果良好。本研究可为泥炭质土场地上基坑在不同卸荷路径下的变形参数和本构关系的研究提供参考。     

冻结膨胀土应力-应变关系试验研究

通过冻结膨胀土三轴力学试验,主要研究了土体在不同温度与围压条件下的应力-应变关系.结果表明：冻结膨胀土的应力-应变曲线为应变硬化型,具有明显的弹塑性变形阶段;在相同围压条件下,随着温度的降低,偏应力增量随应变的增加而增大,最终达到塑性破坏时应力也随之增大. 通过回归分析,抗压强度与温度呈良好的线性关系.随着围压的增加,土体进入塑性变形阶段时的应力有所提高,抗压强度也随之增加,相比温度,围压对抗压强度的影响不是很大.对试验数据进行拟合表明,应用邓肯-张模型能够很好的描述冻结膨胀土应力-应变关系.     

原状膨胀土剪切力学特性的卸荷速率效应试验研究

利用GDS三轴试验系统,对南阳原状膨胀土进行了3种卸荷速率下的固结不排水三轴剪切试验,分析了卸荷速率和卸荷路径对膨胀土剪切力学特性的影响。结果表明,膨胀土在不同卸荷速率下的归一化应力-应变关系曲线均呈双曲线型。卸荷速率由0.02 kPa/min增加至2 kPa/min时,被动压缩路径和被动挤伸路径下的膨胀土不排水强度单调增大。在160～320 kPa固结应力范围内,两种卸荷路径下膨胀土孔隙水压力始终为负值,均表现为卸荷速率为0.02 kPa/min时其降幅最大。引入卸荷速率参数ρ_(0.02)后发现,卸荷速率每提高10倍,被动压缩路径和被动挤伸路径下的不排水强度分别增加约5.6%和4.8%。原状膨胀土样的破坏模式与剪切速率及裂隙性有关,表现为小卸荷速率下主剪切带与副剪切带共存,而大卸荷速率下仅有主剪切带。     

不同水化状态下的压实膨胀土应力-应变-强度特征

为探讨水化状态对饱和压实膨胀土应力-应变-强度特征的影响,以压实度为95%的荆门弱膨胀土为研究对象,开展了2种典型水化状态下的固结与三轴试验,其中第1种水化状态采用常规饱和方法,第2种水化状态为试样自由膨胀至稳定状态。结果表明：（1）受变形约束条件与渗径的影响,不同水化状态下体膨胀率有较大差别;（2）第2种水化状态下的饱和压实膨胀土具有更大的硬化指数λ与膨胀指数κ、较小的弹性剪切模量,其有效内摩擦角为第1种水化状态下的77.2%,体现出膨胀土饱和强度的变动性;（3）2种水化状态下的固结曲线均呈现出明显的屈服现象,其屈服应力分别为123.2 kPa与94.5 kPa;（4）第1种水化状态下,低围压下试样应变软化与剪胀,高围压下应变强化与剪缩;第2种水化状态下试验围压范围内均发生剪缩和轻微的应变软化;（5）2种水化状态下试样在固结与剪切过程中均表现出超固结性,这种超固结性并非完全由先期固结压力所致,而是试样受荷过程中膨胀受到约束造成的;（6）不同水化饱和状态下初始孔隙比不同,膨胀势也不同,膨胀势与外部约束条件、排水条件、应力状态相互作用,造成其应力-应变-强度特征的差异性。     

应力路径对软土应力-应变特性影响试验研究

采用应力-应变控制式三轴仪对福州市区某基坑影响范围内典型饱和软土进行了一系列应力路径试验,以研究受基坑开挖和支护结构作用影响的土体卸、加载应力-应变特征。对室内正常固结和相同围压K0固结的试样剪切试验结果进行了比较,表明二者在变形和强度上均存在较大差异。基于K0固结剪切试验结果,求出了邓肯-张模型参数,提出了该模型各参数的验证方法。同时,与室内正常固结试验确定的模型参数进行了对比,说明部分参数之间存在着较大差异,也决定了二者应力-应变关系上的差异,建议以K0固结试样进行三轴加、卸载试验确定邓肯-张模型参数,以满足该模型在基坑工程数值模拟分析中的需要。试验得到的典型软土的邓肯-张模型参数,可供福州市区或相似地层条件下基坑工程数值模拟时参考     

一个饱和超固结黏土的应力-应变-时间关系

提出了一个考虑超固结黏土应变软化特性的应力-应变-时间关系,其应变-时间关系采用幂函数,应力-应变关系采用双曲线方程的改进模式。该方程的试验参数引入了脆性指数和超固结比,不仅能模拟应变硬化型应力-应变-时间关系,而且能模拟应变软化型应力-应变-时间关系,是应变硬化型应力-应变-时间方程的推广。并针对常应变率试验结果进行预测,证明了该方程的合理性。     

K0结构性黄土的固结特性

黄土在其沉积和存在的整个历史过程中形成独特的天然结构，具有各向异性的结构特性并处于K0固结应力状态。通过精心设计在常规应变控制式三轴仪上实现了K0固结试验，揭示了改变初始K0应力状态对K0结构性黄土固结特性的影响。     

不同压实度荆门弱膨胀土的一维膨胀-压缩特性

为探讨压实膨胀土的体变行为,以荆门弱膨胀土为研究对象,借助高压固结仪对6种制样压实度下的膨胀土试样进行了一维无荷载膨胀和含一次卸载-再加载循环的压缩试验。基于膨胀试验结果,构建了膨胀时程方程,通过参数分析,明确了方程参数的物理意义,并建议了膨胀时程曲线3阶段的划分方法。基于压缩试验结果,探讨了固结屈服应力、压缩指数Cc、回弹指数Cs、膨胀力与制样压实度、土体结构性、膨胀势、孔隙比的相关关系。试验结果及其分析表明,膨胀土体积变化是膨胀势与外部荷载、湿度变化的耦合作用结果,且具有强烈的水-力路径依赖性。     

粉质黏土卸荷变形特性试验研究

依托武汉长江隧道江北明挖段基坑工程,开展了一系列的K0固结状态下原状粉质黏土卸荷应力路径排水剪三轴试验,并对卸荷变形特性进行了深入分析。分析表明：卸荷应力路径下原状粉质黏土的应力-应变关系与应力路径有着密切的关系,近似呈双曲线型。根据应力-应变曲线表现,可将卸荷应力路径分为A、B两组,A组应力路径试样表现为轴向压缩;B组应力路径试样表现为轴向伸长。卸荷应力路径下粉质黏土的应力-应变关系具有良好的归一化特性,同一应力路径下不同固结压力的应力-应变曲线可采用双曲线函数用平均固结压力归一化,但A、B两组应力路径下的归一化方程有所差别。给出了各种应力路径下的归一化方程,可为卸荷土体的变形参数及本构关系研究提供参考。     

K0及三轴应力状态下压实膨胀土膨胀模型研究

以不同初始压实状态下的南阳中膨胀土为对象,在常规固结仪上开展侧限膨胀试验及采用GDS三轴仪进行恒定偏差应力的三轴膨胀试验,通过多元非线性拟合分析,分别获得考虑初始压实度、含水率、上覆压力耦合关联影响的K0膨胀模型以及体积膨胀率与球应力（体积应力）关系的三轴膨胀经验模型。基于K0膨胀模型,提出了压实土膨胀潜势能的定量计算公式,并推导出膨胀土边坡处理层厚度的理论计算方法。基于膨胀体积应变只随球应力变化而不受偏差应力影响的假设条件,分析了同一起始条件下,膨胀土K0模型与三轴膨胀模型的内在关联,并建立了通过K0模型推算三轴应力条件下体积膨胀率的理论方法。试验结果表明：采用多因素耦合的K0膨胀模型预测压实土膨胀势具有较好的准确度及合理性;联系K0模型与三轴膨胀模型的纽带在于假设侧限膨胀全程存在一个平均静止侧压力系数,采用反演方法得到平均侧压力系数呈现随上覆压力增大而减小的趋势,这种变化规律的根本原因则在于侧向膨胀力随上覆压力的增大而减小。     

膨胀土卸荷蠕变特性及其非线性蠕变模型

鉴于膨胀土滑坡往往表现为长期性、渐进性等与时间相关的特性,利用GDS应力路径三轴仪对膨胀土进行了三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明：当偏应力较小时,膨胀土的蠕变曲线仅出现瞬时变形和衰减蠕变;当偏应力达到一定值时,其蠕变曲线也呈现衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变3个阶段,但其加速蠕变阶段的特征与一般岩土体不同,其蠕变速度近乎常数。膨胀土的应力?应变等时曲线显示,膨胀土卸荷蠕变具有非线性特征,且其非线性程度与蠕变时间和应力水平相关,蠕变时间越长、应力水平越高,其非线性程度越高。基于非线性流变力学理论,提出了一种非线性四元件蠕变模型,将标准线性体与一个非线性黏壶串联,该模型可描述等围压三轴压缩应力状态下膨胀土轴向应变随时间的演变规律。根据膨胀土卸荷蠕变试验结果,采用曲线拟合法对三维非线性模型的参数进行反演识别。拟合曲线和试验曲线对比显示,两者吻合良好,说明该模型可以很好地描述膨胀土的蠕变特性。此外,基于该蠕变模型获取了膨胀土的临界破坏应力,其与常规剪切破坏应力的比值随着固结压力的减小而减小,表明越接近坡面的土层越容易发生蠕变破坏。     

分级连续加载条件下原状膨胀土固结变形研究

由固结系数Cv与有效应力 和孔隙比的关系,推导了考虑固结系数变化的分级连续加载固结控制方程。根据方程的解析解得到了分级连续加载的沉降计算公式。结合云桂高速铁路建设,以高路堤分段堆载方式为研究依据,在GDS三轴试验系统开展原状膨胀土分级连续加载K0固结试验。结果表明：沉降与时间关系在加载期呈折线式发展,稳载期呈双曲线变化;膨胀土的应力-应变关系呈阶梯式变化;当 ≤ 时,固结系数随有效应力呈先增大而后减小,当 ＞ 时,固结系数随有效应力呈波动持续减小。固结度理论计算值与试验结果相比,考虑固结系数变化的固结度计算比固结系数为定值更准确。分级连续加载沉降计算公式可作为分析高速铁路路基沉降-时间关系的参考方法。     

冻融循环下膨胀土物理力学特性研究

处在季节性冻土区的膨胀土渠道极易受到冻融循环作用的影响,影响工程的稳定安全。为了探究冻融循环作用对膨胀土物理力学特性的影响,以南阳膨胀土为研究对象,开展了不同含水率条件下膨胀土试样的冻融循环试验,对经历不同冻融循环次数作用后的试样进行了变形测量、无侧限压缩试验和微细结构试验。结果表明,在冻融循环过程中含水率低的膨胀土体积变化规律表现为“冻缩融胀”,含水率高的膨胀土体积变化规律表现为“冻胀融缩”;冻融循环作用对膨胀土的应力应变曲线、强度和弹性模量有着显著的影响,尤其是第1次冻融循环作用;试样的含水率越高,膨胀土的力学参数受冻融循环作用的影响越大;试样的面孔隙度和孔隙定向度的变化规律与力学参数的大致呈负相关,说明冻融循环作用下土体内部微细结构的变化直接影响着膨胀土的力学性质。     

卸荷损伤原状膨胀土剪切力学特性试验研究

通过GDS三轴试验系统对经历3种卸荷速率损伤后的原状南阳膨胀土样进行再加荷不排水三轴伸长剪切试验,同时考虑了超固结比与固结状态的影响。试验结果表明,膨胀土再加荷剪切力学特性与初始卸荷速率有关。在相同的轴向应变下,初始卸荷速率越小,其偏应力单调越小。在主应力方向改变前后,其应力?应变关系曲线斜率显著变化。相同固结方式与超固结比状态下,孔隙水压力均表现为先增大后减小趋势,孔隙水压力峰值应变随卸荷速率增大而减小。无论是等压固结还是K0固结,初始卸荷速率越大,不排水剪切强度越大。膨胀土样经历了初始卸荷损伤后,再加荷常规三轴伸长试验所得剪切强度均低于无损伤时的强度。以膨胀土破坏强度所得损伤度SD低估了卸荷速率对膨胀土的损伤程度,建议采用孔隙水压力峰值强度进行膨胀土边坡设计计算。原状膨胀土力学性状随卸荷速率损伤的演化规律受卸荷阶段轴向应变大小及裂隙性综合影响。     

湿胀条件下合肥膨胀土土-水特征研究

膨胀土在吸水时会产生体积膨胀,研究湿胀条件下膨胀土的土-水特征具有重要意义。以合肥地区9种弱膨胀土为研究对象,采用滤纸法和渗析法试验测定了膨胀土的土-水特征,采用蒸汽加湿法试验测定了膨胀土在吸湿过程中的体积变化。基于土-水特征曲线（SWCC）试验及加湿试验,获得了膨胀土在吸湿过程中的体积变化规律,得到了湿胀条件下膨胀土的重力含水率?基质吸力曲线（w-ψ曲线）及体积含水率?基质吸力曲线（θw3-ψ曲线）,分析了膨胀土吸湿过程中的体积变化对体积含水率?基质吸力曲线的影响,探讨了w-ψ与θw3-ψ曲线拟合参数的变异性及参数间的相关性。结果表明：蒸汽法加湿土样是一种较为理想的增湿方式;湿胀条件下,w-ψ曲线与考虑体变的θw3-ψ曲线的差异程度与吸湿结束后的土样含水率有关;w-ψ曲线的变异性小于θw3-ψ曲线的变异性;拟合参数n的变异性小于参数a及m的变异性;w-ψ曲线及θw3-ψ曲线的对应拟合参数间呈线性关系。