塑性状态对冻结原状黏性土的抗拉与抗压特性影响研究

基于现场详勘,以三亚某河口通道工程推荐采用管幕冻结法施工为背景,考虑到不同塑性状态黏性土分布深度的不确定性,采用径向劈裂试验和单/三轴压缩测试,系统地研究了冻结原状流塑状、硬塑状黏土及可塑状粉质黏土的抗拉与抗压特性。结果表明,无论是拉伸还是压缩应力-应变行为,三种冻结土体的弱应变硬化和弱应变软化行为都可采用偏差应力与轴向应变的双曲线型修正表达式描述,而强应变软化行为可用二次抛物线模型描述。同一负温下,流塑状黏土的抗拉能力最弱,抗变形能力最强;可塑状粉质黏土次之;硬塑状黏土的抗拉能力最强,抗变形能力最弱。三种冻结原状土体的初始切线模量分布范围基本满足可塑状粉质黏土>流塑状黏土>硬塑状黏土,它们的抗剪强度特性都可用线性摩尔-库伦准则描述。三种冻结土体的黏聚力和内摩擦角基本随温度的降低而增大;同一温度下,流塑状黏土的黏聚力最小,可塑状粉质黏土与硬塑状黏土的黏聚力大小接近,而内摩擦角则表现为:硬塑状黏土>流塑状黏土>可塑状粉质黏土。

上海深部原状黏性土微观结构特征研究

土体的物理力学性质与其微观结构特征密切相关,研究土体微观结构具有重要的科学意义。本文针对上海中心城区深部黏性土层(第⑧层)原状土样,采用GDS应力路径三轴试验、电镜扫描(SEM)试验和压汞试验,并结合Matlab图像处理技术,重点分析了土试样应力路径三轴试验前后微观孔隙结构的变化特征。通过对上海深部原状黏性土微观孔隙结构的研究,以期为建立土体微观结构与宏观工程特性的联系,指导本地深层地下空间开发利用提供技术参考。

黏性原状土起动流速试验研究

针对黏性原状土难以被水流起动、冲刷的特点,设计了专门的封闭矩形管道,使水流的平均流速完全满足黏性原状土起动、冲刷的要求。在水槽满足起动冲刷要求的前提下,采用粒子测速系统(PIV)对管道断面流速分布进行了测量,分析论证了管道的阻力规律,并比较了有压管道与开敞水槽试验结果。分析结果认为,在水流流速不是太大时,有压管道的阻力规律符合对数律。在通过试验取得垂线流速分布的情况下,可以利用对数流速分布公式计算摩阻流速,进而计算边界水流切应力,再根据谢才公式,可将起应力换算成相应河道的起动冲刷切应力。

正常固结原状饱和黏性土的本构模型研究

基于扰动状态概念研究了正常固结饱和原状黏性土的本构模型。其中,相对完整状态采用基于原状黏性土的理想非线性弹性本构模型来表征;完全调整状态则是基于临界状态土力学框架,将修正剑桥模型与三剪强度准则相结合而建立的弹塑性本构模型来表征。为了更好地反映黏性土的黏聚力影响,提出了等量代换法和坐标平移法两种处理方法,并作了对比研究。针对基于临界状态土力学框架和扰动状态概念建立的原状土本构模型为平均应力、广义剪应力与体应变、广义剪应变间的关系且无屈服函数显式表达式,提出了一个将其三维化的方法。三维化后的原状黏性土本构模型为空间内6个应力分量和6个应变分量之间的关系,更便于复杂应力状态下的土体变形分析及有限元编程。为验证模型的正确性,对正常固结江西原状饱和红黏土土样作了固结排水和固结不排水条件下的常规三轴压缩试验和K0固结试验,并与模型计算结果作了对比,结果表明:所提模型能够较好地反映江西原状饱和红黏土的力学和变形特性。另外,用所提模型对江西原状饱和红黏土进行了真三轴压缩数值模拟实验,探讨了中间主应力对其力学和变形特性的影响,结果表明:中间主应力及其影响系数对土的变形、孔隙水压力、强度均有影响;固结不排水条件下,在相同剪应力的作用下,土体剪应变随中间主应力影响系数的增大而减小,在相同轴向应变条件下,孔隙水压力随中间主应力影响系数的增大而增大;固结排水条件下,在相同平均正应力作用下,土体体应变随中间主应力影响系数的增大而减小,在相同轴向应变条件下,土体体应变随中主应力影响系数的增大而增大。

晋江围海工程黏性原状土冲刷率试验研究

通过物理模型试验,对福建晋江围海工程的6组粉沙、8组细沙、7组中粗沙原状土样进行冲刷率试验。根据实测的冲刷率和床面切应力来分析原状泥沙的冲刷率表达式。考虑中值粒径对冲刷率表达式的影响,分别得出了粉沙、细沙、中粗沙的冲刷率表达式中的能量指数和冲刷系数。结果表明:粉沙、细沙、中粗沙的冲刷率分别与相对剩余切应力的0.5次方、1次方、1.25次方成正比,且随着粒径的增大,冲刷系数逐渐减小,中粗沙的冲刷系数仅为粉沙的十分之一。此外,粒径较小的粉沙和细沙的冲刷系数有随土样黏性颗粒含量的增加而成非线性减小的趋势,黏性颗粒含量较小的中粗沙的冲刷系数则随着黏性颗粒含量的增加无明显关系。

正常固结原状饱和黏性土的三剪统一结构性本构模型

基于扰动状态概念,采用非线性弹性本构模型来表征原状黏性土的相对完整状态,将三剪统一强度准则与修正剑桥模型相结合来表征原状黏性土的完全调整状态,提出了饱和原状黏性土结构性本构模型。通过坐标平移法确定的破坏应力比使所提出模型能够反映全应力状态变化下的强度区间效应和拉压差,也能够描述黏聚力在土体受力过程中的作用。为验证所提出模型的正确性,以江西原状饱和红黏土为试验土样,做了排水和不排水条件下的常规三轴压缩试验,将模型计算结果与试验结果进行对比,结果表明,所提模型能够较好地反映江西原状饱和红黏土的力学和变形特性。

水压力对黏性原状土起动流速影响的试验研究

为探究水压力对黏性原状土起动的影响,在一套能模拟不同大小的水压力的封闭管道试验系统中进行了黏性原状土起动试验。结果表明:当水柱高度从35 cm提高到435 cm时,黏性原状土的起动摩阻流速是0.35 m水柱高度下流速的2.52~3.06倍;黏性原状土的起动流速随着水压力的增大而增大;水柱高度、原状土的粒径级配以及原状土的密实度是起动摩阻流速的主要影响因素。该试验成果可为黏性原状土起动流速的进一步研究提供参考。

细颗粒黏性原状土的冲刷特性试验研究

基于物理模型试验,根据实测的冲刷率和床面切应力来分析细颗粒黏性原状土的冲刷特性,考虑水压力的大小和临界起动状态的不同对冲刷率源项公式参数的影响。结果表明:在不同的水压力下,粉沙和细沙的冲刷率都与相对剩余切应力成相同的指数关系,中值粒径较小的粉沙的能量指数取0.5,细沙的能量指数取1。以普遍连续起动为起动状态的冲刷系数较以少量起动状态作为起动状态要略大,能量指数要略大。此外,粉沙的冲刷系数为(0.8~9.8)×10^(-2)kg·m^2·s^(-1),细沙的冲刷系数为(0.2~5.5)×10^(-2)kg·m^2·s^(-1),细沙的抗冲性能要略强于粉沙。

长江口航道黏性原状土冲刷特性试验

通过封闭有压矩形管槽的物理模型试验,对长江口航道底质淤泥质粉沙原状土进行冲刷试验,分析原状土的起动和冲刷特性,以及土样深度对土样冲刷效应的影响。结果表明,冲刷前后的泥沙沉积密度相当,冲刷后的土样含沙量较小,沉积密度略小于冲刷前。土样的临界起动切应力随着临界起动流速增大而增大,两者满足指数关系且函数拟合性较好。随着土样深度的增加,土样的冲刷率和冲刷系数均减小,这表明位于长江口航道的底质泥沙随着深度呈现不均匀的分布特征,深度越大的泥沙抗冲刷能力越强,深度越浅的泥沙颗粒组成越不稳定,容易被水流扰动冲刷。