天津滨海软黏土动力累积塑性变形特性与增长模型

为了研究了循环动应力、初始静偏应力、固结比、振动频率共同作用对软黏土累积塑性应变的影响,以天津滨海新区临港工业区的浅海-滨海相软黏土为研究对象,利用GCTS循环扭剪三轴仪对其进行一系列循环三轴试验。试验结果表明,循环动应力增加、振动频率降低,能加快软化指数的衰减速率;初始静偏应力和固结比的增加,可提高软黏土抵抗循环动荷载的能力,减缓软化指数的衰减速率。综合考虑以上4种因素对软化指数随累积塑性应变发展变化的影响,总结得到了不同影响因素下软化指数与累积塑性应变之间的经验公式。结合以往学者对软化指数和循环荷载振动次数的相关性研究,以软化指数为桥梁,最终建立了针对天津滨海软黏土累积塑性应变的增长模型,并对模型的适用性进行了验证。

天津滨海重塑软黏土一维固结蠕变特性研究

软黏土蠕变产生的长期变形严重影响建筑物及地基的安全性和稳定性,故通过设置不同预压条件模拟软黏土的初始受力状态,对重塑软黏土进行一维固结蠕变试验。研究表明:不同预压条件下,重塑软黏土一维固结蠕变历时曲线的瞬时变形较大,随着加载时间的增长,土体产生缓慢的蠕变,变形量逐渐减小,最终趋于稳定;此外,软黏土一维固结蠕变等时曲线中应变随应力水平的增大而增大,曲线延伸方向逐渐向应变轴靠拢,非线性愈加明显。基于上述研究,引入时间参量t,建立了软黏土一维固结蠕变预测公式,并对公式的准确性和适用性进行验证。该公式可对软黏土地基因蠕变产生的长期变形进行预测分析,为实际工程的设计、施工提供理论指导。

天津软黏土触变特性研究

软黏土的触变性对于实际工程设计和施工具有重要意义。为了分析天津地区软黏土触变性,本文基于正交试验研究了含水率、矿粉含量和pH值对其十字板强度和触变强度比率等指标的影响。试验结果表明:影响天津软黏土触变强度比率的主次因素依次为含水率、矿粉含量、pH值;软黏土的触变强度比率随含水率的增大而呈指数增大;随矿粉含量增大而呈接近线性减小;随pH值的增大而增大,但其增加幅度逐渐降低,且碱性比酸性环境更有利于软黏土强度的恢复;通过回归分析,建立了包含含水率、矿粉含量、pH值3个因素的天津软黏土触变强度比率预测公式,据此预测触变强度,预测结果较好。研究成果能够为工程实践提供理论参考。

石灰及其外加剂固化天津滨海软土的试验研究

天津滨海软土力学性质较差,不能直接满足工程需要,在软土中加入固化剂能有效提高软土的工程力学性能,但若在固化剂中再添加适量外加剂,又能再次提高固化土的强度。本文以石灰作为主剂,水泥、石膏作为辅剂改良天津滨海软土,以无侧限抗压强度作为固化效果判断标准,同时进行相应的微观结构测试,并对破坏后的试样进行抗压试验。试验结果表明:水泥的最佳掺量仅随石灰掺量不同而变化,如12%的石灰固化土中,水泥掺量不超过3%可以最好地提高石灰固化土强度;石膏则不能改善土体强度,并且会使土体水稳定性差,遇水开裂。纯石灰固化土及掺外加剂的石灰固化土都是低压缩性土,各种力学性质都得到明显提高,其破坏形式为脆性破坏,破坏后强度很低且不能恢复,在实践中值得重视。微观结构分析表明:固化土中有C—S—H网状胶凝(水化硅酸钙)、针状钙矾石、无定形文石(Ca CO3)、Ca(OH)2晶体等能够填充孔隙、胶结颗粒的物质生成,有效、适量的生成物有利于固化土强度的提高。土体中总孔隙个数及总颗粒个数都随荷载的增加而增多,孔隙面积、孔隙等效直径及颗粒等效直径都随荷载的增加而减少。

考虑滑坡敏感性的天津市蓟州区生态网络构建

随着城镇水平不断提高,人口数量不断增加,滑坡、崩塌等地质灾害频发,天津市蓟州区的景观孤岛化和破碎化现象日益严重,生物多样性减少,生态价值和生态服务功能降低。以天津市蓟州区为研究区,从自然资源、气候调节、水源涵养、生物多样性等方面考虑,选取生态源地;选取坡度、地形起伏度、坡向等滑坡孕灾环境因子,基于信息量模型,在定量分析滑坡与各孕灾环境因子关系的基础上通过地图代数计算滑坡敏感性指数,并用于修正由土地利用类型赋值得到的生态基本阻力面,基于最小费用模型提取研究区生态廊道,进而构建天津市蓟州区生态网络。研究结果表明:研究区内滑坡的空间分布主要受坡度、高程、地形起伏度以及岩土类型等因素的控制;经验证基于信息量模型计算得到的滑坡敏感性指数对研究区内的滑坡具有较强的诊断能力;基于最小费用模型,提取生态廊道23条,总长度约为129 km。通过对比分析,提取的生态廊道基本上避开了滑坡灾害的高敏感性区域,能够有效地将生态源地进行连接;生态廊道在蓟州区的空间分布存在显著的差异,主要分布在蓟州区的北部山区,生态廊道的密度较高,在蓟州区的中部和南部地区,生态廊道的分布非常稀疏。研究成果将为天津市蓟州区生态网络的优化、生态安全格局的构建提供科学依据。

不同应力分量耦合模式下天津滨海饱和黏性土变形特性研究

地基土单元体在地震荷载作用下将产生主应力轴连续旋转,不同的应力耦合模式对土的强度、孔压以及变形等特性影响显著。利用GCTS空心圆柱扭剪仪,对天津滨海软土场地饱和黏性土进行K0固结下的不同应力耦合模式的循环剪切试验。着重对比相同应力路径下竖向和扭剪双向耦合加载模式,内外围压和扭剪的三向耦合加载模式以内外围压、竖向和扭剪的四向耦合加载模式条件下饱和黏性土的变形特性、循环软化特性。试验结果表明:在相同的动强度下,四向耦合应力模式更容易破坏且变形特性以及软化特性较双向、三向耦合下发展更加迅速;剪应力分量对试样软化变形特性的影响更加显著。

双向近场地震下结构性软黏土震陷特性研究

软黏土的震陷效应与土体的结构性有着密切联系,但目前关于土体的结构强度对震陷影响的研究还较少。自然界中很难获取到物质成分相同而结构性质不同的土,为了对P波和S波耦合作用下结构性软黏土的震陷特性进行深入研究,人工制备了物质成分相近而结构强度不同的软黏土,通过开展两组动态围压下的动三轴试验,探讨结构强度、双向动荷载和P波与S波的相位差对其震陷特性的影响规律。试验结果表明:双向激振下,轴向动荷载与结构屈服应力比值越大,双向动荷载的耦合对轴向残余应变积累速度的加速作用越明显;相位差对轴向残余应变的影响则取决于土体结构强度,结构强度越小,影响越大。双向近场地震中,径向动荷载一般会加速震陷的发展,加速作用的大小与土体结构强度大小有关,结构强度越小,加速作用越明显,但轴向动荷载的剪切作用对结构性软黏土的残余应变积累仍起主导作用。研究结果可为软土地区综合防灾提供有益参考。

软黏土中吸力式三桶基础承载特性分析

采用弹塑性边界面本构模型,建立模拟黏土中三桶基础承载行为的三维数值方法,并通过对已有模型试验结果的预测验证数值方法的可行性。研究桶-土接触方式和加载方向对三桶基础承载行为的影响规律,探索三桶基础的水平循环承载特性。结果表明,竖向单调荷载作用下三桶基础表现为“刺入型”剪切破坏特征,基础竖向受压失效位移约为0.07D(D为桶基础的直径);在摩擦接触条件下,0°水平加载(单桶受拉,双桶受压)极限承载力最小;在绑定接触条件下,60°水平加载(双桶受拉,单桶受压)极限承载力最小;循环荷载作用下迎风桶与背风桶之间逐渐增加的沉降差是三桶基础产生累积旋转的主要原因,且基础的旋转特性与水平循环荷载大小密切相关。

应变速率对天津海积软土力学性能的影响

采用WF应力路径三轴仪,对天津滨海海积软土进行了不同围压、不同应变速率的三轴固结不排水剪切试验(CU),分析了不同应变速率对海积软土试样的应力-应变关系、有效应力及试样破坏形态的影响.结果表明:CU试验应力-应变关系呈硬化特征,剪应力峰值随着应变速率的增大而增大,而孔压变化值则随着应变速率的增大而逐渐减小;不同应变速率的有效应力路径在相同固结压力下基本一致,因而正常固结黏土的有效应力路径具有唯一性;同时,应变速率对总应力强度有所影响,总应力的内摩擦角随着应变速率的增大而增大.

花岗岩残积土填料路用工程特性室内试验研究

为了研究花岗岩残积土的路用工程特性,通过击实试验、承载比CBR试验、固结试验以及室内基床系数试验分析了该类材料压实性能及基本力学特性,对压实度为92%的最优含水率和饱和压实土样进行了循环加载试验,研究了动力荷载作用下土体的变形特性。结果表明,花岗岩残积土在K为91%97%时压实功效率较高,提高压实度对于增强土体局部抗变形能力较为有效;采用室内三轴法得到的基床系数K30值为188.25 MPa/m;最优含水率下花岗岩残积土动力变形稳定性较好,但含水率增加会大幅度增加土体塑性变形,降低土的动弹性模量,不利于变形稳定。所以作为路堤填料,应考虑作为受气候与动荷载影响较小的下路堤备用填料,作为铁路路堤本体及公路上、下路路床填料,应在进行土性改良且满足要求的论证基础上取舍。研究成果可为花岗岩残积土填料的工程应用及土体改良提供技术参考。

不同应力状态下软黏土蠕变特性试验研究

土的蠕变性质受到许多因素的影响,在不同的应力条件下土会呈现出不同的性状。天津滨海吹填软土同样具有一般软土的蠕变特性,以其为研究对象,利用土体三轴流变试验机进行了三轴不固结不排水蠕变试验和单轴压缩蠕变试验,并选取了10个时间节点取样进行微型十字板剪切试验,研究抗剪强度变化规律。试验结果表明,单轴压缩蠕变和三轴蠕变历时曲线都具有非线性的特征,随应力水平的提高,单轴压缩蠕变的应力-应变等时曲线向应力轴靠拢,三轴蠕变的应力-应变等时曲线向应变轴靠拢;线性蠕变变形的情况下黏滞系数主要与时间有关,非线性的情况下与时间和应力水平都相关;在三轴蠕变状态下压缩模量随时间增长而减小,长期强度随时间先降低再趋于稳定;单轴压缩时压缩模量随时间增长而提高,长期强度随时间先增长后稳定。最后经过推导得出了不同应力状态下的长期强度随时间、偏应力的函数关系式。

天津港地区土层剖面随机场特征参数的估计

天然地基或人工地基在形成过程中,不同位置的土由于成因相似,其物理力学特性指标具有空间自相关性,这种空间自相关性可以用随机场理论进行研究。为估计天津港地区土体物理力学性质的空间随机场特性,采用了现场钻孔取样、静力触探等方法获取了大量的描述土体物理力学性质的参数。由于静力触探试验能够连续取样以获得足够多的数据来进行随机场分析,文章主要应用静探数据检验了该地区土性指标的平稳性和各态历经性,指出应用Vanmarcke的随机场模型对土性指标进行分析具有可行性。本文的创新点在于探讨了天津港地区随机场模型的建立方法并应用改进的完全不相关距离方法估计了天津港地区典型土层剖面的随机场特征参数。为随机场理论应用于天津港地区岩土工程可靠度分析打下了坚实的基础。相同的方法可用于其他地区土层随机场特征参数的估计。

天津滨海新区粘性土物理力学性质指标相关性

在岩土工程中,土性参数的选取至关重要。笔者对天津临港地区多个钻孔取样所得土工试验数据的统计规律做了深入分析,并结合传统的回归分析方法客观、详细地研究了滨海新区粘性土物性指标之间及其与力学指标间的相关关系,给出了指标之间的经验关系式,并给出相关系数用于评价相关程度。结果表明,物性指标之间相关性都较好,相关系数可达到0.94以上;物性指标与变形指标之间的相关性分析结果表明,孔隙比、含水率、密度等指标与变形指标的相关性都较好,相比之下含水率与变形指标间的相关性最好,相关系数在0.93以上;物性指标与不同试验方法得到的强度指标之间的相关性分析结果表明,孔隙比、含水率、密度等物性指标与强度指标之间的相关关系较好,相关系数在0.81～0.94之间;文中成果可为该地区资料欠缺的工程提供参考。

海积软黏土的强度特性与桩土界面剪切速率效应

针对中等结构性的海积软黏土,开展了剪切速率影响下原状土的三轴CU试验与软黏土–钢管桩环剪试验,分析了其抗剪强度与桩土界面特性的演化规律,并对桩周土剪切后再固结的界面性状进行了模拟试验。结果表明,该土样的抗剪强度与内摩擦角均随剪切速率的增大而单调增大,而黏聚力则相反;发现在不排水条件下,桩土接触界面的峰值强度与摩擦角随着剪切速率的增大也随之增大,应变软化现象更加明显,但相应的残余强度与摩擦角变化甚微;桩周软黏土历经剪切大变形重新固结后,桩土界面的强度性状呈现出峰值强度降低与残余强度增大的特征。

新型城市污泥固化土工程特性及微观机理

通过污泥固化技术可以将城市污泥转化为一种新型城市污泥固化土。为了研究污泥固化土工程特性,对新型城市污泥固化土进行无侧限强度试验、收缩特性试验、浸出毒性试验以及X射线衍射试验与微观结构测试。试验结果表明,城市污泥固化土无侧限抗压强度随期龄增加而增长,28 d后基本稳定;新型城市污泥固化土的线缩率随龄期的增大而增大,且28 d后趋于稳定值;与消化后城市污泥相比,城市污泥固化土中的浸出毒性明显减少,重金属浸出量均符合国家规范要求。消化城市污泥衍射峰中氢氧化钙峰值很高,但随着养护期龄的增长,城市污泥固化土中氢氧化钙的衍射峰值减小,碳酸钙的衍射峰值增大,说明固化土各成分反应越充分,强度越高。微结构测试研究表明,污泥固化土SEM图像中有大量的纤维状物质联结着土颗粒和颗粒团块,形成土骨架纤维的交互空间结构,提高了土体强度。

结构性海积软土强度与变形时效特性试验研究

以天津地区海积软土为研究对象,在不同固结压力、不同固结时间作用下开展分别加载的一维固结试验,对固结后的原状样与相应重塑样进行微型十字板剪切测试,分析海积软土强度和变形特性受固结压力、固结时间及结构性等因素的影响。试验结果表明:天津海积软土在短时间固结作用下,强度和变形时效特性表现明显,且受结构性影响显著;在长时间固结作用下,土的强度和变形随固结压力和固结时间均呈衰减型增长,结构性对其影响程度随时间增长在减小;长期强度与土的初始强度、固结压力和时间有关,随土的初始强度和固结压力的增大而增大,而强度随时间增长达到最大值后又随之降低。

带围压冻融循环下滨海重塑软土力学特性试验研究

滨海软土地区人工冻结工程中土体通常在一定围压下受到冻融作用进而力学性能发生改变,因此开展带围压冻融作用下土体力学特性研究具有重要意义。以天津滨海地区典型淤泥质土为研究对象,通过自主改进的温控应力路径仪,对比分析了常规无围压冻融和带围压冻融下淤泥质土力学特性差异,揭示了冻融围压、冷端温度、冻融循环次数对其超孔隙水压力、应力-应变曲线、强度及变形指标的影响,并通过电镜扫描试验揭示了冻融围压对其力学特性的影响机制。在此基础之上,采用指数函数建立了淤泥质土冻融循环作用下抗剪强度和弹性模量折减系数与上述因素的关系。结果表明:冻融围压降低了冻融后土体内孔隙大小和数量,能够在一定程度上减弱冻融对土体结构的破坏,但对其应力-应变曲线模式影响较小;随着冷端温度的降低和冻融循环次数的增加,冻融后土体强度和模量均大幅度降低;超孔隙水压力随冻融围压和冷端温度的升高及冻融次数的降低而降低。

基于不同初始静偏应力的结构性软黏土动力特性试验研究

以天津滨海新区结构性海积软土为研究对象,采用GCTS动静扭剪试验仪,基于正弦波与方波两种波形,在固结排水条件下施加不同初始静偏应力,通过考虑循环振次、应力幅值、振动频率以及围压等因素对土体结构的影响,研究结构性软黏土的动力特性。试验结果表明:初始静偏应力小于土体初始屈服应力时,施加静偏应力增加了土体固结度,提高了其结构强度,应变软化现象减弱,累积塑性应变曲线中屈服点对应的应力值大。初始静偏应力大于土体初始屈服应力时,土体初始结构破坏,出现严重的应变软化现象,累积塑性应变曲线迅速由稳定型转变为临界型,且在同条件下,方波应变值始终大于正弦波。孔压变化与初始静偏应力有关,随着静偏应力增大其孔压滞后现象严重。土体屈服应变随初始静偏应力增大而增加,静偏应力及振次相同时,方波作用下的土体屈服应变值小于正弦波。两种波形下,土体屈服应变随振次增加均呈减小趋势,且最终均会趋于一点,正弦波趋于相同数值下的振次远大于方波。土体动强度随应变标准提高而呈现增大趋势,应变标准为屈服应变值时,动强度曲线表现为先陡后缓,其他应变标准下动强度曲线较为平缓。两种波形下的动强度随振次增加而减小,最终均会趋于一点,且正弦波值大于方波。

多振次循环动荷载作用下软黏土变形与孔压特性试验研究

动荷载作用下土体累积变形、孔压的发展不仅与动应力幅值有关,还与振动次数密切相关。本文通过GCTS空心圆柱扭剪仪对天津海积软土进行循环三轴试验,研究了多振次不同循环动应力下土体的累积变形与孔压特性。试验结果表明:在多振次循环荷载作用下,临界动应力前后土体累积变形发展趋势不同。动应力幅值小于临界动应力,累积应变呈稳定型发展;动应力幅值大于临界动应力,累积应变呈破坏型发展。按照累积应变发展形态的不同,分段建立考虑动应力幅值影响的长期变形公式。同样根据孔压发展趋势,也相应地分段建立了孔压增长预测公式,拟合值与试验值较为吻合。

不同频率影响下结构性软黏土动力特性试验研究

为研究频率对结构性软黏土动力特性的影响,以天津滨海新区结构性海积软土为试验材料,基于两种波形,进行了一系列动三轴试验,研究不同振动频率作用下结构性软黏土应力–应变关系、动力塑性累积应变以及孔压特性。试验结果表明,总体上振动频率越低,土体的软化程度越高,土体产生的变形越大,累积应变增速快最终值大,相同条件方波作用下的动应力应变软化程度高于正弦波。频率对孔压有影响,在相同振次下,孔压随频率的增大而减小。振幅对于孔压变化的影响表现为低幅值上升速度快,数值也大于高幅值作用下的孔压值,有明显的高幅滞后现象。