循环偏应力和循环围压耦合效应对饱和软黏土变形特性的影响

利用GDS变围压动三轴系统对温州地区典型饱和软黏土进行了一系列循环偏应力和循环围压耦合应力路径下的部分排水循环加载试验,重点分析了部分排水条件下循环偏应力和循环围压耦合效应对正常固结饱和软黏土变形特性的影响。试验结果表明:部分排水条件下,与围压保持恒定,偏应力单独循环剪切相比,循环偏应力和循环围压耦合剪切作用有效地促进了饱和软黏土的累积塑性应变的发展,循环围压和循环偏应力的比值每增加2/3,相应的永久轴向应变就增加32%。进一步根据部分排水条件下饱和软黏土永久轴向应变发展曲线特点,建立了考虑循环偏应力和循环围压耦合效应的正常固结饱和软黏土的永久轴向应变经验公式。

循环围压对饱和软黏土永久变形的影响

通过对温州典型饱和软黏土进行一系列不同应力路径下的部分排水循环动三轴试验,研究了部分排水条件下循环围压对饱和软黏土变形特性的影响。试验结果表明:部分排水条件下,与常规的围压保持恒定,偏应力单独循环作用下的三轴试验结果相比,循环围压的存在对饱和软黏土的永久体应变和永久轴向应变均产生了的显著的影响。在相同循环应力比和循环次数下,试样的永久体应变和永久轴向应变均随着循环围压幅值的增大而增大,说明常规的恒定围压循环三轴试验会低估高速交通荷载作用下路基土体的沉降。基于试样第10 000圈的永久体应变和永久轴向应变,分别建立了可以量化部分排水条件下循环围压对饱和软黏土永久体应变和永久轴向应变影响的经验公式,并用于预测饱和软黏土在交通荷载这种包含循环偏应力和循环围压耦合作用的复杂应力条件下产生的永久变形。

循环偏应力和循环围压耦合应力路径下饱和软黏土动模量衰减规律研究

动模量一直是土动力学研究中最为重要的参数之一,土动力学中使用最为广泛的等效线性本构模型即对动模量随动应变衰减规律的定量描述。在之前关于饱和软黏土动模量的研究中,已经考虑到诸如固结比、塑性指数、土体组构、饱和度、先期应力历史、动荷载频率、时间效应等因素的影响。但是由于各种各样的原因,鲜有文献涉及应力路径尤其是循环偏应力和循环围压耦合应力路径对饱和软黏土动模量衰减规律的影响。考虑到循环围压在土体动应力场中存在的普遍性,通过一系列循环偏应力和循环围压耦合应力路径下的逐级加载试验,研究了循环围压对饱和软黏土动模量衰减规律的影响。试验结果表明:循环围压不但会改变了某一应变值下饱和软黏土动模量的大小,而且其改变趋势及大小与相位差有关;通过拟合分析证实Hardin-Drnevich模型并不适合循环偏应力和循环围压耦合应力路径下饱和软黏土动模量衰减规律的定量描述,而基于Stokoe公式却得到了较为理想的拟合结果。

考虑循环围压与振动频率影响的饱和软黏土动力特性试验研究

利用GDS变围压动三轴试验系统对宁波重塑饱和软黏土进行了一系列变围压不排水循环加载试验,重点研究了循环轴向偏应力和循环围压耦合作用下饱和软黏土不排水动力特性,分析了循环围压、振动频率对轴向累积应变及孔压的影响。研究结果表明:不排水条件下,循环轴向偏应力和循环围压耦合作用对试样的累积塑性应变发展具有一定的限制作用,轴向累积应变随应力路径斜率η及振动频率f的增大而减小。不同应力路径斜率、振动频率影响下,应变率随加载时间的变化规律一致,应力路径斜率η对应变率-时间关系影响较为明显,随着应力路径斜率η的增大,应变率减小,而不同振动频率条件下的应变率-时间关系曲线几近重合。最大孔压随循环围压的增加而增大,而随振动频率的增加而减小。在上述试验结果基础上,建立了呈线性关系的应变率与加载时间关系表达式。

间歇性变围压循环荷载作用下饱和软黏土变形特性

交通荷载由循环加载和间歇停振两部分组成,间歇停振对土体动力特性的影响不容忽视。交通荷载引起的应力场包含循环变化的轴向偏应力和围压。因此,通过对软黏土开展一系列间歇性变围压循环加载试验,对饱和软黏土在间歇性加载和循环围压作用下的变形特性进行了研究,分析了循环围压和间歇停振阶段排水条件对软黏土累积轴向应变的影响。研究结果表明,不同试验条件下软黏土累积轴向应变增量随加载阶段的变化趋势保持一致,即累积轴向应变增量随加载阶段的增加逐渐减小。累积轴向应变增量随循环围压的增大而减小。间歇停振阶段不同排水条件下,试样累积轴向变形变化规律也有所区别:部分排水条件下,循环加载阶段产生的超孔隙水压力在间歇停振阶段消散,试样累积轴向应变在间歇停振阶段有一定程度的增长;不排水条件下,循环加载阶段产生的一部分变形在间歇停振阶段得以慢慢恢复,试样累积轴向应变有所减小。上述研究成果可加深对间歇性循环荷载作用下软黏土变形规律的认识。

考虑变围压因素的饱和软黏土循环纯压动力特性试验研究

饱和土体的动力特性表现出对应力路径的依赖性。越来越多基于变围压动三轴的试验结果表明:循环围压应力路径对砂土等颗粒材料的变形和回弹特性存在较大的影响。基于变围压动三轴试验,通过循环偏应力与循环围压的耦合模拟真实交通荷载下竖向循环正应力与水平循环正应力的耦合,研究了循环围压对饱和软黏土孔压、永久和回弹变形的影响。试验结果表明:在不排水条件下,与常规恒定围压动三轴试验结果相比,循环围压的存在较大程度地改变了孔压的发展规律,减少了永久变形的累积速度,同时增加了回弹变形(即减少了回弹模量);循环围压幅值与循环偏应力幅值的比值(RPD)越大,永久应变的减少值与回弹应变的增加值越大;并进一步建立了考虑循环围压因素的饱和软黏土永久沉降和回弹模量预测模型。

循环围压对超固结黏土变形特性影响试验研究

利用GDS动三轴系统对温州地区典型饱和软黏土进行一系列恒定围压和变围压不排水循环加载试验,重点分析循环偏应力和循环围压耦合作用对超固结饱和软黏土不排水循环累积变形特性的影响。试验结果表明:不排水条件下,与围压保持恒定,偏应力单独循环剪切相比,循环围压的存在,一定程度上限制了超固结饱和软黏土永久轴向应变的发展。在平均主应力–广义偏应力(p-q)空间,循环偏应力和循环围压耦合应力路径斜率p/q每增加1,永久轴向应变将降低约20.18%。进一步在试验基础上提出考虑超固结比和循环围压影响的永久轴向应变经验公式。

变围压循环荷载作用下超固结软黏土阻尼比试验研究

通常采用单一轴向循环荷载模拟交通荷载,然而,真实的交通荷载引起的应力场包含循环变化的轴向偏应力和围压。除此之外,部分下卧软黏土是超固结土,并非正常固结土,且针对交通荷载作用下软黏土的阻尼比变化规律鲜有研究。因此,通过对超固结软黏土开展一系列变围压不排水循环加载试验,对超固结软黏土在变围压循环荷载作用下的阻尼比变化规律进行了研究,分析了超固结比和循环围压对阻尼比的影响。研究结果表明:变围压循环荷载作用下,不同试验条件对应的归一化阻尼比与累积塑性应变关系曲线相似,且归一化阻尼比随累积塑性应变的增长逐渐减小。超固结比和循环围压对阻尼比的衰减程度影响显著,阻尼比随超固结比和循环围压的增大而减小。基于上述试验结果,建立了一个能反映阻尼比随累积塑性应变变化规律的计算模型。上述研究成果可加深对超固结土在动荷载下阻尼比变化规律的认识,从而为交通荷载作用下的土体动力反应分析提供试验基础。

双向激振循环荷载和振动频率共同作用下饱和软黏土孔压试验研究

利用GDS变围压动三轴试验系统模拟真实交通荷载下轴向循环正应力与水平循环正应力的耦合作用,对宁波饱和重塑软黏土进行一系列变围压不排水循环加载试验,对循环轴向偏应力和循环围压耦合作用下饱和软黏土的孔压变化规律进行了研究,分析了循环应力比、循环围压及振动频率对孔压的影响。研究结果表明:变围压作用下,孔压随循环应力比、循环围压的增加而增大,随振动频率的增加而减小。不同应力路径斜率、振动频率影响下,孔压率随加载时间的变化规律一致,循环应力比CSR、应力路径斜率η对孔压率–时间关系影响明显,随着循环应力比CSR、应力路径斜率η的增大,孔压率也增大,而振动频率对孔压率–时间关系影响不显著。在上述试验结果基础上得知,估算交通荷载作用下产生的孔压,不能忽视循环围压及振动频率的影响。

各向异性层状千枚岩渗透率及有效孔隙率试验研究

采用岩石全自动三轴伺服仪和气体渗透装置,对一种致密的各向异性层状千枚岩开展了气体渗透率及有效孔隙率试验,研究常规三轴压缩和围压循环加卸载2种应力路径下,气体渗透率、有效孔隙率随层理倾角及偏应力的演化规律。结果表明:围压相同时,岩样的初始气体渗透率k0随着层理倾角β的增大呈“W”型变化,在β=45°时取最大值;在围压循环加卸载过程中,气体渗透率先随围压的加载而减小,后随围压的卸载而增大,卸载时的气体渗透率小于加载时的渗透率;层状千枚岩有效孔隙率和气体渗透率呈指数关系;平行于层理方向的气体渗透率远大于垂直于层理方向的气体渗透率;岩样有效孔隙率和气体渗透率随偏应力变化经历初始压密阶段、线弹性阶段和塑性变形阶段,随着偏应力的增大,岩样有效孔隙率和气体渗透率先减小,接着保持稳定,最后快速增大,并在岩样应力-应变曲线斜率接近于0时达到最大值。

不同初始损伤程度下循环加卸围压对岩石劣化及渗流特性的影响研究

为探究巷道围岩劣化损伤规律,明晰巷道片帮突水机制,基于Rock Top多场耦合试验仪对砂岩开展常规三轴(C组)、不同初始损伤程度下常规卸围压(W组)及循环加卸围压(X组)3种应力路径下的岩石劣化、渗流特性室内试验。结果表明:(1)X组岩石循环加卸围压初始,岩石轴向变形较侧向及体积变形发展缓慢,但循环加卸围压可导致岩石发生“应变累积”,使得X组岩石应力跌落点较W组出现“滞后”现象;(2)初始损伤明显影响岩石强度及对围压的敏感性,X,W组岩石初始损伤程度均与统一围压降参数(η)呈负相关,与应变围压增量比(λ_(i))呈正相关,其中,X组岩石η均小于W组,λ_(i)均大于W组;(3)X,W,C组岩石均发生了明显脆性破坏,破坏形态均以剪切破坏为主,初始损伤程度较低时,X组岩石破坏程度较大,并伴随有局部宏观裂纹出现;(4)岩石渗透率受制于岩石孔隙、骨架结构及裂纹拓展发育等因素影响,X,W组岩石渗流–应变关系曲线均可分为3个阶段,一、三阶段相一致,二阶段X组岩石渗透率整体呈先波动下降后波动上升,W组岩石渗透率整体呈波动上升;(5)X组岩石渗透率波动变化随循环等级增大而趋于明显,初始损伤程度越高,该现象越易出现,循环次数对此规律影响较小,但循环次数增加对岩石渗流起抑制作用,并且该抑制作用较围压降低导致的促进作用更为显著。

不同应力路径下超固结软黏土的永久变形特性

为了真实模拟软土路基在长期交通循环荷载作用下的沉降特性,通过部分排水条件下、不同应力路径下的正常固结及超固结温州饱和软黏土的循环三轴加载试验,对循环偏应力和循环围压耦合作用下饱和软黏土的永久轴向应变特性进行了研究,重点分析了超固结比及循环围压对饱和软黏土永久轴向应变的影响。研究结果表明:部分排水条件下,超固结土体相较于正常固结土体,其永久轴向应变提前趋于稳定,且稳定后的值随着超固结比的增大呈指数衰减;循环围压的存在可极大促进土体永久轴向应变发展,且循环偏应力和循环围压耦合作用对土体永久轴向应变的影响与超固结比无关。由此可见,在估算交通循环荷载下饱和软黏土产生的永久轴向应变时,对超固结比及循环围压的影响必须加以重视。

塑性流动下砂岩渗透率演化试验研究

为了研究剪切屈服后煤层顶板岩体在开采过程中渗透率的演化规律,进行了不同轴向应变下的围压循环加卸载渗透试验。当达到峰后轴向应力的90%时开始循环加卸载围压,分析剪切屈服后砂岩渗透率随围压、轴向应变的变化规律。结果表明:(1)随着围压、轴向应变的增大,砂岩的渗透率均呈现降低趋势;(2)随循环次数的增多,围压对渗透率的影响越来越小,渗透率恢复率升高;(3)随着轴向应变的增大,砂岩产生的塑性变形越大,由此围压对渗透率的影响减小,渗透率恢复到初始值的能力降低。最终得到剪切屈服后围压和渗透率的理论关系式,为预测巷道开挖过程中的涌水量提供一定的参考。

循环移动轮载下粗粒土路基填料永久变形特性及安定分析

针对常规的恒定围压动三轴试验仅能模拟路基土动应力场中的循环偏应力等不足,为更真实地反映移动轮载下路基土的长期变形性能和破坏机制,采用应力路径斜率、应力路径长度、最小平均主应力等变量的不同组合,模拟循环偏应力和循环围压耦合下的动态应力路径,开展基层和底基层粗粒土填料的一系列恒定围压和循环围压动三轴试验,探究不同动态应力路径下粗粒土路基填料轴向累积塑性应变随荷载循环作用次数的变化规律。针对已有安定状态判定准则未能准确界定永久变形行为不同阶段且未能考虑循环围压效应等不足,提出基于Savitzky-Golay滤波法的永久变形行为不同阶段划分方法,采用循环围压条件下永久变形试验结果对现有安定准则进行了改进,结果表明该新判定准则具有较好的准确性和普适性。