魏家沟滑坡滑带土非饱和蠕变特性试验研究

滑带是滑坡的一个重要结构要素,滑带土则是滑坡滑动过程中形成的特殊岩土体,其蠕变特性是滑坡动态演化过程的直接反映.降雨是滑坡失稳的重要诱因,在降雨入渗的条件下会导致滑带土常年处于非饱和状态,研究降雨条件下的滑坡滑带土非饱和蠕变特性具有很重要的意义.以栾川魏家沟滑坡滑带土为研究对象,开展了一系列非饱和土蠕变试验.采用陈氏加载法,得到了相同净围压、不同基质吸力、不同应力水平下的蠕变试验曲线.采用Boltzmann叠加原理对数据进行处理,分析滑带土非饱和蠕变特性,发现同一偏应力水平下,蠕变变形及变形速率均随着偏应力的增大而增大,且随着基质吸力的减小而增大;建立了一种包含基质吸力的Singh-Mitchell蠕变模型,即剪应力-应变关系采用指数函数表示,应变-时间关系采用幂函数表示.     

岩石流变的一种非线性黏弹塑性流变模型研究

将黏滞系数视为非定常量,建立黏滞系数的非线性函数关系,提出一种能描述岩石蠕变全过程的非线性流变力学模型,且在一定条件下模型可蜕变为Burgers模型或西原正夫模型。推导了岩石在常应力和常应变条件下的流变方程;研究了岩石的非线性蠕变特性和松弛特性。对不同应力条件下的岩石蠕变试验结果进行拟合,并将本文的非线性岩石流变力学模型与试验结果进行比较。结果表明,试验曲线与理论曲线较吻合,从而证明了本模型的正确性与合理性。     

泥岩黏弹性剪切蠕变模型及参数辨识

基于泥岩黏弹性剪切蠕变试验结果,采用Burgers模型辨识获得了不同时间尺度下的泥岩黏弹性剪切蠕变参数,分析了时间尺度对泥岩黏弹性剪切蠕变模型参数的影响.结果表明,Burgers黏弹性剪切蠕变模型参数具有显著的时间尺度效应,以短期内的蠕变试验数据辨识获得的蠕变模型在预测岩石长期的黏弹性蠕变特征时显著高于试验结果.基于稳态蠕变阶段的试验数据拟合获得黏滞系数η2后再确定的蠕变模型能较好地预测长期的黏弹性蠕变特征,但在时间尺度较低时与试验结果吻合得不理想,然而建立的非线性黏弹性剪切蠕变经验模型,拟合得到的误差平方和Q(0.56×10-8～1.49×10-8)显著低于Burgers黏弹性剪切蠕变模型拟合得到的Q(0.16×10-8～8.15×10-8),能够更加准确地描述岩石的黏弹性蠕变特征.     

南宁非饱和膨胀土压缩蠕变特性试验研究

针对广西南宁膨胀土进行了系列室内试验研究,探讨了非饱和膨胀土非线性流变特性.试验结果表明:分级加载试验及考虑预压荷载的压缩试验中应变-时间曲线有相同的趋势,在小应力时,土体呈现一定的线性变形,在较大应力时土体变形曲线均可拟合成对数形式.通过实验,蠕变曲线可以拟合成Bu体模型,并能得出其本构方程和蠕变方程.     

石家庄区域非饱和土不同抗剪强度试验指标对比分析

基于非饱和土理论,通过非饱和土直剪试验、三轴UU、CU和CD试验得出非饱和土的强度指标,对比分析了不同试验条件下石家庄地区非饱和土抗剪强度指标及其在不同基质吸力条件下的变化规律.试验结果表明:石家庄地区抽气饱和后原状土UU试验测得的黏聚力大于直剪快剪试验结果,内摩擦角相差不大;原状非饱和土样UU试验的黏聚力约为抽气饱和后土样黏聚力的2倍,说明该区域非饱和原状土中存在的基质吸力对土样黏聚力的提高贡献较大;土的有效内摩擦角φ′基本不受基质吸力的影响,但随着基质吸力的增加,与基质吸力相关的内摩擦角φb呈非线性增长;试验土体总黏聚力c1′随着基质吸力的增大而呈线性增大.对比结果说明石家庄地区采用抽气饱和后原状土体的UU试验强度指标进行工程设计,在安全性和经济性方面均有一定的优势.如果采用非饱和原状土UU试验强度指标,则需要考虑工程实际中基质吸力受场地及气候等因素的影响.     

岩石分数阶蠕变损伤本构模型研究

红层边坡蠕滑现象显著,岩石具有较强的蠕变特性。为了反映岩石蠕变全过程,基于岩石蠕变的阶段特征,通过弹性体、基于分数阶微积分的软体元件和黏塑性体来分别描述岩石蠕变的弹性应变、黏弹性应变和黏塑性应变。将损伤变量加入弹性体,引入SN元件改进分数阶软体元件,综合改进后的考虑时效损伤的弹性体和基于分数阶微积分的非定常黏滞体和黏塑性体,构建新的三元件蠕变损伤本构模型。采用RLW-2000三轴流变试验系统开展红层泥岩三轴压缩蠕变试验,再引用相关文献中盐岩和红砂岩典型蠕变数据,通过三种岩石蠕变曲线对该模型进行验证,证明所建模型的合理性和适用性。     

沥青砂浆粘弹特性试验与模型参数分析

讨论了20℃时,沥青砂浆在6种加载应力下的单轴蠕变试验。采用Burgers模型对其粘弹性进行分析。利用Origin7.5软件对模型参数进行拟合,得到沥青砂浆粘弹性本构方程的一般表达式。对比模型预测值与试验结果,并分析模型参数对蠕变过程的影响。结果表明,Burgers模型能较好的反映沥青砂浆的粘弹特性,且应力-应变等时曲线表明,沥青砂浆的流变表现出较明显的非线性特征,而模型的弹性参数E1确定了蠕变过程的初始位置(t=0),弹性参数E2控制了第1阶段的曲线范围,粘性系数1η确定了第2阶段蠕变曲线的斜率,粘性系数2η控制了第1阶段蠕变曲线弯曲程度。     

南宁膨胀土考虑固结与蠕变耦合的变形特性研究

针对广西南宁膨胀土进行固结与蠕变耦合试验研究,探讨了非饱和膨胀土固结与蠕变变形特性,并且得到了对数形式的考虑固结与蠕变耦合的方程,拟合曲线与实测曲线较为吻合.考虑固结效应的蠕变方程比用流变模型得到的蠕变方程更符合膨胀土的实际情况,研究成果为分析膨胀土提供了新的理论方法.     

基于非定常分数阶微积分的岩石蠕变模型研究

分数阶导数引入蠕变模型可较好地模拟蠕变特性,为了解决常规分数阶黏滞体的微分阶次多为定常数,不能用同一元件模拟岩石蠕变的衰减、稳定或加速阶段的问题,基于分数阶微积分理论,提出了一种非定常微分阶次的分数阶黏性元件,将此元件与引入分数阶的理想黏塑性体及理想弹簧串联,建立了新的非线性黏弹塑性蠕变模型,推导了该模型的蠕变方程,并分别利用岩石蠕变试验结果及西原体模型、河海模型对其合理性进行了验证、对比。结果表明:所建模型拟合曲线与试验数据吻合较好,误差较小,具有较高的准确性及合理性,能够较好地模拟岩石蠕变全过程。     

非饱和土等效时间流变模型

为了理论分析流变速率效应力学特性,需要建立非饱和土流变模型.首先把非饱和土屈服面分为LC和SI屈服面。其次根据LC屈服面的压缩蠕变公式,利用等效时间法建立相应的黏塑性体应变速率公式,结合巴塞罗那屈服方程和相关联流动法则,获得LC屈服面的三维流变速率方程,揭示了本文与Gennaro-Pereira提出的LC后继屈服面方程的异同。再次,根据SI屈服面的吸力压缩蠕变公式,利用等效时间法建立相应的黏塑性体应变速率方程.最后,把LC和SI屈服面的流变速率方程与弹性方程相结合,建立非饱和土等效时间三维弹黏塑性模型.当不考虑流变速率效应时,LC和SI流变屈服方程可以退化到巴塞罗那模型的塑性屈服方程.理论分析了非饱和土一维流变特性,并与土工试验数据进行对比,两者较为吻合。三轴加载条件下的流变特性数值分析结果表明,按不同方式施加到同一恒载时,随着恒载维持时间的增长,不同加载方式引起的体积流变趋向一致,但剪切流变有较明显的差别.     

非饱和粘土路基平衡湿度空间分布特征及预估

通过室内外试验探讨了非饱和粘土路基平衡湿度沿道路横断面的空间分布特征,并基于非饱和土力学基本理论,采用滤纸法测定了不同含水量土样的基质吸力,标定了反映含水量与基质吸力单值函数关系的土水特征曲线模型,建立了大气降水/蒸发影响区以外非饱和粘土路基平衡湿度的预估方法.研究结果表明,近中央分隔带和路肩处的上部路基土的平衡湿度受大气降水/蒸发的影响显著;大气降水/蒸发影响区以外的路基土平衡湿度主要受控于地下水位的影响;Fredlund＆Xing模型可较好地表征非饱和粘性路基土湿度和基质吸力的相关关系,模型参数拟合结果具有较高的可靠性;地下水位控制区粘土路基平衡湿度预估结果与试验测试值之间具有较高的一致性,预估方法合理可靠.     

常吸力下非饱和土柱孔扩张弹塑性解及饱和度响应

为研究非饱和土中常吸力条件下圆孔扩张的应力-应变特性及饱和度响应,基于非饱和土临界状态模型(UCSM)和考虑水力滞回的土水特征曲线(SWCC),引入常吸力下饱和度随孔隙比非线性变化模型,推导非饱和土中柱孔扩张问题的排水半解析解。根据柱孔周围土单元平衡微分方程,考虑边界条件,引入辅助坐标将问题转化为以3个主应力分量、孔隙比和饱和度为基本未知量的一阶微分方程组进行求解。本解答充分考虑基质吸力和超固结比对柱孔扩张响应的影响,探究扩张过程中柱孔周围土体的应力分布和体积变化,以及扩张过程中饱和度的演化规律。结果表明：非饱和土常吸力柱孔扩张过程中,呈现吸力硬化特性,且吸力硬化特性随着吸力增大而趋于稳定;孔壁及周围土体饱和度在扩张过程中变化显著,且受吸力大小的影响较大;当吸力较低时,饱和度主要受含水量变化的影响;当吸力较高时,饱和度主要受孔隙比变化的影响。本文的解答可以很好地捕捉非饱和土体不同应力历史和水力状态下的饱和度响应,可为非饱和土中静力触探试验等原位试验的解释提供指导。     

考虑非饱和黄土基质吸力影响的隧道病害分析

为深入分析非饱和黄土基质吸力变化与隧道病害之间的内在联系,结合大有山隧道的工程实例,利用非饱和黄土数学模型分析、等围压变吸力剪切试验、现场监测等手段对非饱和黄土基质吸力的变化规律及其对隧道支护力、塑性区的影响进行研究.结果表明:非饱和黄土基质吸力随着含水量的增加而减小时,隧道内部所需支护力则随之增大,塑性区半径也随之增大;由于受地表水下渗影响,大有山隧道周围土体基质吸力减小,导致其发生拱顶下沉、塌方及衬砌开裂等病害;大有山隧道病害治理的首要任务在于保持隧道排水系统的顺畅,并做好地表水的堵、截及隧道洞身的防水.     

Critical embedment depth of a rigid retaining wall against overturning in unsaturated soils considering intermediate principal stress and strength nonlinearity

The overturning stability is vital for the retaining wall design of foundation pits, where the surrounding soils are usually unsaturated due to water draining. Moreover, the intermediate principal stress does affect the unsaturated soil strength; meanwhile, the relationship between the unsaturated soil strength and matric suction is nonlinear. This work is to present closed-form equations of critical embedment depth for a rigid retaining wall against overturning by means of moment equilibrium. Matric suction is considered to be distributed uniformly and linearly with depth. The unified shear strength formulation for unsaturated soils under the plane strain condition is adopted to characterize the intermediate principal stress effect, and strength nonlinearity is described by a hyperbolic model of suction angle. The result obtained is orderly series solutions rather than one specific answer; thus, it has wide theoretical significance and good applicability. The validity of this present work is demonstrated by comparing it with a lower bound solution. The traditional overturning designs for rigid retaining walls, in which the saturated soil mechanics neglecting matric suction or the unsaturated soil mechanics based on the Mohr-Coulomb criterion are employed, are special cases of the proposed result. Parametric studies about the intermediate principal stress, matric suction and its distributions along with two strength nonlinearity methods on a new defined critical buried coefficient are discussed.     

非饱和击实粉土强度特性的试验研究

为研究非饱和土样的强度特性及吸力对非饱和土强度的影响,采用GDS非饱和土三轴仪,对非饱和击实粉土样进行了控制吸力的三轴排水剪切试验.试验结果表明:对于同一土体,吸力对其有效黏聚力和有效内摩擦角影响较小,但对吸力内摩擦角有着显著影响;吸力对土体具有一定的强化作用,相同围压、相同应变土样的偏应力随吸力的增大而增加;吸力对土体应力-应变关系曲线的形式影响不大,曲线形式主要取决于土体自身的性质和其应力历史;吸力和吸附强度之间存在着良好的乘幂关系,据此可将Fredlund提出的抗剪强度公式改写成以吸力为直接变量的抗剪强度公式.     

非饱和粉土回弹模量的应力依赖性与水敏感性耦合分析

为了研究路基内部应力状态和含水率变化对回弹模量的影响,建立了路基土回弹模量的预估模型。根据室内三轴重复加载试验结果,研究了应力依赖性控制指标的选择,结果表明:体应力变化时,回弹模量不具有单调变化的规律,所以不宜作为应力依赖性的控制指标;而利用围压和偏应力作为控制指标时则能全面的反映回弹模量的变化规律。根据土水特征曲线,利用基质吸力表征含水率的影响,构建应力依赖性和水敏感性的耦合模型,并通过试验结果的拟合验证,发现该模型能够较好地反映回弹模量随应力水平和含水率变化的规律。     

温度对非饱和路基土吸力影响的研究

季节性的温度变化和日温差变化,导致路基土吸力变化,所以研究温度对非饱和路基土吸力的影响意义较大。用连通侧管式张力计测得路基土在含水量不变化时不同温度下的基质吸力值,发现基质吸力值并非恒定,而是随着温度的升高,近似线性降低,随着温度的降低,其值线性升高。分析温度吸力影响的机理后,提出了温度对基质吸力影响的修正公式,使得基质吸力的测量更为精确。     

岩石三维非线性黏弹塑性损伤蠕变模型研究

为了准确描述岩石蠕变曲线的各阶段特征,将Kelvin模型中黏壶元件的黏滞系数定义为与时间相关的函数,并根据蠕变损伤理论构建了一个考虑蠕变参数随时间劣化的损伤黏弹塑性体,进而将弹性体、非线性Kelvin体、黏性体和损伤黏弹塑性体进行串联,提出了可以描述岩石蠕变全过程的非线性黏弹塑性损伤蠕变模型,并合理推导了该模型在恒应力情况下的一维和三维蠕变方程。最后,根据相关蠕变试验数据进行参数识别来验证损伤蠕变模型的有效性,对比分析理论模型和试验数据的相关性,结果表明该模型能很好地描述岩石蠕变全过程,且相关系数均在0.92以上。     

灌木对黄土边坡的加固效应

植物对边坡稳定性的贡献源于根系对土体的加劲作用、根系吸水消耗孔隙水压力及其引起的抗剪强度增加.通过对非饱和含根土开展剪切试验建立了根-土复合体的抗剪强度模型,其抗剪强度是根系密度和土壤含水率的函数.通过建立二维根系吸水模型,开展根系吸水条件下的渠道边坡土壤水分运动数值模拟.根据土壤水分动态分布和根-土复合体抗剪强度模型计算了不同气象阶段植被渠道边坡的稳定性.对比相同时刻植被边坡和裸土边坡的稳定性计算结果发现,植物根系通过加劲土壤和吸取土壤水分能够显著增强黄土渠道边坡的稳定性.