基于分数阶导数理论的Q_(3)黄土流变本构模型研究

荷载的时间效应诱发的黄土蠕变和渐进破坏会显著影响其工程构筑物的长期服役性能。特别是在我国西北地区黄土广泛分布,在荷载的长期作用下一些典型工程建构筑物(如西安地铁开挖的黄土隧道工程)可能因黄土蠕变和渐进破坏而失稳,进而对工程建设的顺利实施以及工程建设完成后其安全运营维护产生极为不利影响。可见,对黄土流变特性进行分析并揭示其流变机理进而建立其本构模型具有重要的理论和实际意义。为此,以Q_(3)黄土为研究对象,基于分数阶导数理论,通过对典型蠕变变形过程进行分析,提出了一种可模拟加速蠕变阶段非线性变化特征的分数阶元件模型,对其进行理论分析进而建立了分数阶改进西原模型并推导出本构方程。在此基础上对Q_(3)黄土的原状与重塑样开展了三轴分级循环加-卸载流变试验,以验证分数阶改进西原模型的有效性。相应的理论计算结果表明:分数阶改进西原模型既能实现对Q_(3)黄土减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变3个流变阶段的模拟,又可弥补整数阶改进西原模型无法描述加速蠕变阶段的不足,而且相比于整数阶改进西原模型,其在减速蠕变及卸载阶段的预测效果更佳。研究结果为考虑黄土流变问题的建构筑物安全运营维护设计与施工方案提供了重要的理论依据。

平面应变条件下原状Q_(3)黄土的结构性演化特性研究

针对黄土工程中经常遇到的平面应变问题,通过扰动、加载和浸水充分释放土的结构势,开展Q_(3)原状、重塑和饱和原状黄土的无侧限压缩试验和平面应变剪切试验,依据初始结构性参数(构度)和剪切过程结构性参数(应力比结构性参数)定义了可综合描述从土的初始结构状态到平面应变剪切破坏状态的全过程结构性参数,分析了平面应变条件下,全过程结构性参数随轴向应变的衰减演化规律及结构性强度特性。研究结果表明,黄土的不同初始状态(原状、重塑和饱和)对应力-应变关系演化特性影响较大,原状黄土应力-应变曲线最高,重塑黄土次之,饱和黄土最低。随着含水率增大,构度指标不断减小,含水率小于土的塑限时,水的浸入对黄土结构的损伤较大。固结围压和含水率变化均对结构性参数及其演化规律有明显影响。建立的全过程结构性参数,可以很好的描述土的初始结构性及平面应变剪切全过程的结构损伤演化规律,亦可以反映出含水率和固结围压对于土结构性损伤演化全过程的影响规律。不同初始状态对土的强度影响显著,黏聚力随构度呈非线性增长,内摩擦角随着构度增大近似呈线性增长,但变化幅度较小。

Q_(3)黄土结构密实度对土水特征曲线的影响分析

为了研究不同干密度原状黄土样土水特征曲线之间的差异,在甘肃黑方台开挖探井取不同埋深的Q3原状黄土样,进行基本物理力学性质和土水特征曲线的测试,并用Gardner模型、Van Genuchten模型、Fredlund&Xing模型对所测土水特征曲线进行拟合。基于此提出了考虑土体干密度的土水特征曲线模型,并利用此模型预测另一干密度Q_(3)黄土样的土水特征曲线,且同实测值进行了比较。结果表明干密度对土水特征曲线有一定影响。接近饱和区,相同基质吸力下,干密度越大的土样体积含水率越小;在过渡区,相同基质吸力下,干密度越大的土样体积含水率越大;在残余区,不同干密度土样的土水特征曲线近似重合。各模型的拟合参数也随干密度的变化呈现规律性变化,提出的考虑干密度的土水特征曲线模型预测曲线同实测值基本接近。

不同含水率原状黄土的强度与变形特性试验研究

为研究含水率的变化对黄土强度与变形特性的影响规律,通过FSY30型应变控制式非饱和土三轴仪,进行了5种不同含水率下原状Q_(3)黄土的各向等压固结试验和三轴剪切试验.研究结果表明:由原状黄土各向等压固结试验e-lnp曲线确定的结构强度p_(s)随初始含水率w的增大而连续降低,两者之间的关系可用幂函数p_(s)=Aw^(λ)来描述;由三轴剪切试验得到的(σ_(1)-σ_(3))-ε_(1)关系曲线在固结围压(σ_(3)-u_(a))=50 kPa时呈现为弱硬化型,在固结围压(σ_(3)-u_(a))=200 kPa、300 kPa时呈现为强硬化型;由三轴剪切试验得到的ε_(v)-ε_(1)关系曲线在w=9.0%,(σ_(3)-u_(a))=50 kPa、100 kPa时呈现弱软化型,其余试验条件下均为强硬化型;原状黄土的黏聚力c及固结后的初始基质吸力(u_(w)-u_(a))均随着初始含水率w的增加而迅速减小.