开挖黄土高边坡的应力路径及变形破坏机制分析

采用室内试验与数值计算相结合的方法研究开挖形成的黄土高边坡的稳定性及破坏机制。以甘肃环县华能电厂人工高边坡为例,采用线弹性有限元模拟分级开挖过程中潜在破坏面上的应力路径,在边坡上取代表性土样,参考此应力路径做天然含水率和饱和含水率下的三轴试验。依据试验所得强度参数,建立不同开挖坡比下的弹塑性有限元模型,计算各开挖阶段潜在滑动面上土体的应力状态,揭示边坡的破坏机制。结果表明,开挖过程中边坡潜在破坏面上土体应力路径为平均应力减小,剪应力先减小、后增大;开挖过程对潜在破坏面作用为先卸载、后加载,当开挖坡比较大时,高边坡坡肩处先发生屈服破坏,屈服范围随着开挖深度的增大逐渐向下扩展,直至形成连通的屈服面,为典型的推移式破坏模式。     

加筋黄土变形和强度特性的三轴试验研究

用三轴压缩试验方法研究了土工合成材料加筋黄土的应力—应变及强度特性,探讨了在各种不同加筋方式和围压下加筋机理。结果表明,加筋可以增加土体破坏时的轴向应变和土体的抗拉能力,减小土的侧向变形;试验结果发现,并不是加筋层数越多越有利于土体的稳定,而是表现为加筋土的强度与布筋位置和层间距有一定的关系;同时,分析和解释了未加筋土的变形破坏和筋材在土体剪切破坏过程中的阻裂机理。试验研究得出了在土体中部加筋是最经济合理的布筋方式。     

加筋黄土变形和强度特性的三轴试验研究

用三轴压缩试验方法研究了土工合成材料加筋黄土的应力-应变及强度特性，探讨了在各种不同加筋方式和围压下加筋机理。结果表明，加筋可以增加土体破坏时的轴向应变和土体的抗拉能力，减小土的侧向变形；试验结果发现，并不是加筋层数越多越有利于土体的稳定，而是表现为加筋土的强度与布筋位置和层间距有一定的关系；同时，分析和解释了未加筋土的变形破坏和筋材在土体剪切破坏过程中的阻裂机理。试验研究得出了在土体中部加筋是最经济合理的布筋方式。     

辽西黄土的强度特性及应力-应变关系的研究

利用常规应变控制式三轴仪,对辽西地区朝阳—阜新高速公路沿线的黄土进行三轴固结不排水剪切试验。利用拟合方法求取了黄土的强度性质指标,结果表明:辽西黄土的固结不排水剪强度指标值较小;应力-应变关系主要为两类,即应变硬化和应变软化型。在此基础上,构建了黄土应力-应变关系模型,针对应变软化类曲线,文中建议了一个较为适用的经验模型。     

基于CD三轴试验的非饱和黄土吸应力强度参数确定

非饱和土强度参数的确定是其能够用于工程实际的关键。目前公认的非饱和土强度理论有Bishop的单变量理论、Fredlund的双变量理论以及Lu Ning的吸应力强度理论。其中吸应力强度理论基于吸应力特征曲线,可直接由常规三轴试验得出,回避了测定基质吸力的问题,便于在工程实际中推广。本文通过不同含水率的三轴CD试验,测得陕西泾阳原状Q₂（L₅）黄土的有效强度参数。结果表明,该黄土不同含水率的有效内摩擦角基本接近;有效黏聚力随含水率的增大呈指数递减,当含水率超过塑限时,黏聚力趋于定值。根据有效黏聚力和吸应力的关系,可以获得吸应力和含水率的关系,即吸应力特征曲线,并通过拟合得出吸应力函数,以及非饱和土强度表达式。     

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。     

不同应力路径下天津滨海软土强度参数试验研究

以天津滨海新区地下工程涉及较多的9～18m深度海相软土为研究对象,采用应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪,分别进行三轴固结不排水试验(CU)、三轴不固结不排水试验(UU)以及模拟基坑开挖卸荷的减p路径试验(DEP),得到滨海软土在不同应力路径下的力学性状与初始固结状态有关。CU与UU试验应力与应变关系曲线呈硬化特征,CU试验孔隙水压力与应变关系呈先剪缩后剪胀的性质;DEP试验应力与应变关系曲线呈软化特征,在等应力控制条件下,孔隙水压力与应变关系呈剪胀性质,孔压为负。DEP试验对于总应力强度参数有影响,对有效应力强度参数影响较小。在滨海软土基坑支护设计中,选用CU试验参数进行计算,设计偏于安全。     

应力路径对黄土固结不排水剪强度的影响

用总应力法研究了应力路径对陇西Q3原状黄土的固结不排水剪强度的影响。试验基于正交设计,考虑了含水率、固结比、固结末径向应力和剪切路径4个因子、4种水平。试验结果表明,当黄土各向异性程度较小时应力路径对黄土的固结不排水抗剪强度有一定影响;基于正交设计的黄土三轴固结不排水剪试验的破坏点与普通三轴固结不排水剪试验（均压固结常规剪切）得到的破坏点处于一个条带内。黄土强度随含水率的变化规律与普通三轴固结不排水剪试验的相同。     

卸载应力路径下黄土强度的神经网络预测

各种施工活动,将对应力状态与应力路径产生影响;在分析基坑开挖及隧道掘进等卸载作用对应力状态与应力路径影响的基础上,进行了不同应力路径的室内非常规三轴卸载试验,根据卸载试验结果,建立了以轴向与侧向卸(加)载增量比例、应力路径变化方向、卸(加)载前轴向与侧向初始固结应力为输入层参数、以轴向与侧向破坏应力为输出层参数的神经网络预测模型,并对卸载应力路径下黄土强度进行了神经网络预测及误差分析,其结果表明,预测值与试验值较为接近.     

降雨入渗条件下多级黄土高边坡稳定性分析

在西北地区进行基础工程建设,遇到了大量的多级黄土高边坡工程。边坡工程属于永久性工程,难免遇到降雨状况。降雨入渗会引起边坡土体饱和度与土体重度的变化,进而导致边坡体基质吸力与有效应力场的变化,使边坡的稳定性受到较大的影响。本文通过考虑边坡体不同深度处基质吸力随雨水入渗的变化情况,建立了渗流场与应力场的耦合计算模型,对降雨入渗条件下多级黄土高边坡的稳定性进行分析。最后,依托实际边坡工程,利用PLAXIS 3D岩土有限元软件,建立边坡稳定性计算模型,通过设置降雨量随时间的变化函数与渗流边界条件,进行降雨入渗条件下多级黄土高边坡的稳定性数值计算,并与理论分析结果进行了对比分析。根据数值计算结果可得到多级黄土高边坡在降雨入渗条件下的变形、基质吸力、有效应力、潜在滑移面以及安全系数的变化情况,从而对降雨入渗影响下多级黄土高边坡的稳定性做出分析。研究结果可为降雨入渗条件下多级黄土高边坡的稳定性的研究提供一定的指导作用。     

基于ANSYS的黄土高边坡开挖卸荷稳定性分析

基于ANSYS软件的岩土分析模块,利用强度折减模拟边坡由稳定状态到不稳定,得到安全系数;利用网格划分后杀死单元模拟边坡开挖卸荷状态,分析其稳定性的变化,其边坡位移与监测结果基本一致。     

不同应力路径条件下原状Q_3黄土的强度特性及破坏方式试验研究

利用西安理工大学真三轴仪对不同含水率、围压条件下的原状Q_3黄土进行了轴对称三轴试验和平面应变试验,研究了原状Q_3黄土在两种应力路径条件下的强度演化特性,对比分析了两种试验条件下的强度差异及破坏方式。结果表明,低固结围压条件下低含水率原状黄土容易产生脆性破坏,其应力–应变曲线为软化型,固结围压增大后其应力–应变曲线呈硬化型;围压对原状黄土的强度起增强作用,含水率对原状黄土的强度起削弱作用,原状黄土的破坏应力与含水率、围压和球应力状态密切相关;随着含水率的增大,黏聚力衰减明显,内摩擦角略有减小,相同条件、平面应变条件下的强度要比轴对称三轴条件下的强度大1.1~1.4倍;轴对称三轴条件下土样呈单一剪切带的侧胀剪切破坏,平面应变条件下呈剪缩侧胀破坏。     

湿陷性黄土结构性变形特性分析

基于结构性黄土应力应变特性认识和大量试验结果的分析,揭示了黄土结构性参数与应变、含水率、固结压力之间的关系,并给出了结构性参数的数学表达式。将该式引入结构性黄土应力应变特性分析,提出了考虑结构性参数的应力-应变关系。分析计算所得的应力-应变关系与试验结果有较好的一致性,说明了原状黄土结构性参数描述的合理性和基于结构性参数应力-应变关系的合理性。     

冻结砂不同应力路径三轴试验强度和变形分析

为研究冻土在复杂应力路径下的力学特性,利用自主研发的冻土三轴仪,进行了广义三轴压缩应力状态、平面应变应力状态和真三轴应力状态下的压缩试验,分析了冻结砂在不同应力状态下的强度演化规律和变形特性。试验结果表明：当小主应力相同时,冻结砂在广义三轴压缩应力状态、平面应变应力状态和真三轴应力状态下的强度和应力-应变曲线的斜率依次增大,小主应力对冻土的强度起到提高作用;小主应力方向始终产生膨胀变形;体应变随着大主应变的增加呈现先剪缩后剪胀的趋势,且在同一试验类型下,小主应力对体应变影响程度较小;同一试验加载条件下,小主应力越小,偏应力与球应力之比的位置越高;从广义三轴压缩应力状态至平面应变应力状态再到真三轴应力状态,试样的破坏强度依次提升。     

高应力状态下的黄土抗剪强度特性研究

土体抗剪强度包络线在一定的应力范围内可近似看做直线, 一般工程中直剪试验正应力和三轴试验围压常为0～400kPa, 试验可得出以黏聚力c和内摩擦角确定的强度。在黄土地区, 人工和自然边坡可超百米, 坡内应力自低到很高变化范围大, 对该类高边坡需考虑强度参数随应力状态的变化。本文先通过线弹性有限元模拟一黄土高边坡应力场。以潜在滑面上关键点的应力为固结应力进行三轴压缩试验(NCTC)。为了对比分析, 又进行了100kPa、200kPa、300kPa、400kPa围压下的三轴压缩试验(CTC)。结果表明, 考虑黄土高边坡应力状态时, 由总应力莫尔圆得到的强度包络线为曲线, 直线型莫尔-库伦强度准则不适用; 而有效应力莫尔圆的到的强度包络线可为直线, 其有效强度参数高于CTC试验。在-应力空间中, NCTC试验总强度包络线和有效包线均位于CTC试验强度包线之上, 抗剪强度高, 这同固结应力高且为偏压固结有关。     

应力路径对黄土结构性的影响

利用SLB–1型应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪,对陕西杨凌黄土进行了应力控制的常规三轴压缩、减压三轴压缩和等p应力路径的各向等压固结不排水三轴试验,探讨和分析应力路径对黄土结构性的影响。试验结果表明：不同应力路径下,随着初始围压的增大,黄土的结构性参数并不是一味地不断增大,而是在300 kPa时有一个峰值,且当黄土的含水率较高时,其结构性参数相对较小。     

复杂应力下黄土蠕变特性试验研究

为了研究陕西省杨凌示范区黄土边坡的稳定性,采用改进的应力型三轴蠕变仪对所取黄土试样进行了一系列室内三轴固结不排水蠕变试验。试验结果表明：含水率、干密度、偏应力水平对黄土的蠕变特性均有较大的影响,表现为含水率一定,偏应力愈大时,黄土的蠕变变形量较小;偏应力水平一定时,含水率愈大,蠕变现象愈明显,产生的蠕变应变量愈大;其他条件相同时,干密度愈大,黄土试样的蠕变变形愈小。在黄土边坡治理工程中可通过改善边坡排水和增加边坡土体压实情况减小蠕变破坏的可能性。通过对试验数据分析得出了适合杨凌地区黄土的经验蠕变模型,通过与Singh-Mitchell模型和Mesri模型的比较发现,该模型具有精度高、参数少且易获取的优点,并能很好地描述黄土的蠕变特性。     

辽西地区黄土的强度与本构特性

采用应变控制式三轴仪对取自辽宁西部地区阜新-朝阳段黄土的力学性质进行了试验,获得了黄土的应力-应变关系和抗剪强度的变化规律;采用人工制备不同含水率试样的方法,测试并分析了含水率对黄土本构和强度特征的影响。结果表明：(1)试样的应力-应变关系在不排水剪条件下呈强软化型,表现为脆性破坏;在固结不排水剪条件下随初始含水率的增加由弱软化型向硬化型转变;而在排水剪条件下低含水率时呈软化型,随含水率增加,呈弱硬化型和硬化型。(2)饱水后试样的抗剪强度有很显著的降低:c_UU为13.7～363.3 kPa时,φ_UU为18.6°~40.2°;而c_UU为0.2～29.6 kPa时,φ_CU则为4°～23.4°。(3)土的有效抗剪强度指标均随含水率增加呈非线性减小的关系,粘聚力与含水率呈半对数函数关系,内摩擦角则与含水率呈幂函数关系。给出了黄土本构的数学模型和黄土抗剪强度指标的取值方法。     

不同应力路径下土体的变形特性与破坏特性

在固结不排水加荷与卸荷两种情况下,基于土体常规的三轴压缩试验结果和真三轴平面应变试验结果,指出不同的应力路径下土体具有不同的变形特性和破坏特性,并且这些特性差异的根本原因在于不同的应力路径,有着其球应力p和广义剪应力q与球应力p的比值q/p的不同变化趋势。最后,依据Matsuoka-Nakai破坏准则和其相应的转化型式,进一步探讨了其破坏参数k2值的确定方法。试验检测的结果表明,Matsuoka-Nakai破坏准则能给出土体较为准确的破坏强度预测结果。     

不同应力路径下钙质砂的力学及变形特性试验研究

钙质砂是海洋钙质生物死亡后形成的一种具有丰富内部孔隙、低强度、不规则形状和易破碎的岩土材料。通过对钙质砂分别开展的等向压缩、常规三轴压缩、平均主应力为常数的三轴压缩、减压的三轴压缩和等应力比加载5种试验,探讨了不同应力路径下钙质砂的力学及变形特性。试验结果表明应力路径对钙质砂的抗剪强度和变形特征具有重要影响。钙质砂在等向压缩条件下具有明显的各向异性特征;常规三轴压缩试验条件下,密实钙质砂呈现低压剪胀、高压剪缩的变形特征,且峰值强度与初始固结压力之间呈幂函数关系;平均主应力为常数的三轴压缩试验中,增加偏应力会引起试样的体变;与常规三轴压缩试验不同,在减压的三轴压缩试验中,应力-应变关系曲线均表现为应变软化;而等应力比加载试验中,试样基本处于弹性状态下,且轴向应力与轴向应变之间呈幂函数关系。试验结果还发现钙质砂的切线泊松比不仅要考虑钙质砂的变形和应力状态等的影响,还要考虑应力路径的影响。不同应力路径试验条件下峰值应力比大小顺序与最大体变大小顺序不受初始固结压力的影响。钙质砂的峰值内摩擦角均随着初始固结压力的增大而减小,大致与初始固结压力的对数呈线性函数关系。