黄土蠕变特性研究进展

黄土地区重大工程建设引发的崩塌、滑坡、地面沉降等地质灾害,往往与黄土蠕变特性密切相关。从黄土蠕变研究阶段、研究方法、本构模型和蠕变引发的工程灾害等方面进行梳理,归纳总结了黄土蠕变研究的现状,探讨了黄土蠕变研究中存在的问题以及未来研究的趋势。具体来说,①在系统梳理国内外研究文献基础上,将黄土蠕变研究分为3个阶段,分别为黄土基本性质研究阶段、黄土工程灾害研究阶段和黄土重大工程研究阶段;②从黄土蠕变研究方法出发,分析讨论了黄土蠕变研究中采用的各类方法以及影响黄土蠕变的各类要素,尤其是含水量、干密度以及荷载对黄土蠕变特性的影响;③总结了黄土蠕变本构模型的研究特点,评述了包括元件理论本构模型、经验本构模型及半经验半理论本构模型等3类模型的优缺点;④对黄土地区常见的边坡、路(地)基、隧道等工程类型的蠕变破坏特征进行了梳理;⑤建立考虑多因素影响的黄土蠕变本构模型、系统研究黄土蠕变微结构的动态演化和微观本构模型及动荷载作用下的蠕变特征,是未来黄土蠕变研究的发展趋势。

黄河宁蒙河段黄土蠕变特性与分数阶本构模型研究

黄河宁蒙河段渠堤、土石坝、大型水闸等水利工程构筑物地基在长期荷载作用下会因黄土蠕变产生沉降,进而对水利工程前期建设以及后期的安全运行及维护造成不利影响。因此,对黄土蠕变特性进行研究,揭示其蠕变机理,建立黄土蠕变本构模型具有重要意义。本文以宁蒙河段黄土为研究对象,利用三轴流变仪对宁蒙河段黄土进行一系列的三轴固结排水蠕变试验,基于分数阶导数理论对黄土蠕变变形进行分析。通过数值模拟对试验结果进行验证,并将黄土分数阶蠕变模型运用到黄土地基沉降预测中。研究结果表明:宁蒙河段黄土具有典型的蠕变特性,总体呈非线性衰减蠕变;围压和偏应力对其蠕变特性具有显著影响;分数阶蠕变模型能够很好地描述黄土瞬时弹性变形、衰减蠕变和稳态蠕变3个阶段的变化情况。

关中咸阳地区Q_2黄土蠕变特性试验研究

通过对关中咸阳地区Q2黄土进行三轴蠕变试验,得到了关中咸阳地区Q2黄土不同围压及不同含水率下的应变—时间曲线和应力—应变等时曲线。分析试验曲线表明:围压及含水率对关中咸阳地区Q2黄土的蠕变特性具有较大影响,表现在其蠕变变形量与含水率在相同围压时呈正相关关系,与围压在相同含水率时呈负相关关系。再进一步对关中咸阳地区Q2黄土蠕变破坏应力与围压及含水率试验数据做拟合分析,得到了其蠕变破坏应力与围压呈线性正相关关系,与含水率呈负对数关系的变化规律。在以上分析的基础上,通过改进常用的五元件模型(H-K-K)参数性质及结构,得到了可描述Q2黄土加速蠕变的七元件非线性蠕变模型,并应用试验数据对其进行拟合辨识,最终得到较为理想的结果。

基于蠕变试验的黄土高填方工后沉降规律数值研究

为了研究黄土高填方工后沉降规律,开展一系列压实黄土一维固结蠕变试验,分析含水率及压实度对黄土蠕变特性的影响,验证了Burger蠕变模型在描述压实黄土应变与时间关系上的适用性,在该模型基础上,运用FLAC3D计算了黄土高填方工后沉降规律。结果表明:轴向加载瞬时,试样变形速率较大,随着时间的推移,变形速率减小并趋于稳定,压实黄土蠕变随含水率的提高而增加,随压实度的提高而减小。工后沉降对填料压实标准更敏感,在一定压实度和含水率范围内,工后沉降与含水率和压实度呈线性关系。可以通过高填方工后沉降速率和时间关系曲线上的拐点位置判断工后沉降稳定时间,填料压实度越低、含水率越大,拐点越靠后,沉降稳定的时间越长。

重塑黄土三轴蠕变特性研究及模型分析

采用SR-6型三轴蠕变仪对陕西省泾阳县某边坡重塑黄土进行了一系列室内三轴固结排水蠕变试验,着重研究了90%压实度下重塑黄土在不同含水率与围压下的蠕变特性,并依据试验资料建立了两种经验蠕变模型。结果表明：该地区黄土具有明显的流变特性,总体呈非线性衰减蠕变;围压与含水率均对蠕变特性有着显著的影响,土样在小围压、大含水率的条件下蠕变现象明显且蠕应变较大;同等荷载增量引起的应变增量的突然放大,预示着该级荷载已经超过土体的屈服应力值,土样产生黏塑性变形;两种模型的建立均能恰当地描述土体在20%~65%偏应力水平下的蠕变特性,且模型简单,参数易得。

基质吸力控制下的非饱和黄土三轴蠕变试验研究

针对研究区(黑方台地区)黄土的非饱和蠕变特性,采用改进型的FSR-10非饱和三轴蠕变仪进行了基质吸力控制条件下的三轴蠕变试验,研究发现:(1)当施加的偏应力较小时,黄土的变形较小,并具有一定程度的可恢复性,随着偏应力的增加,土颗粒需经过较长的时间才能够移动到新的位置,达到新的平衡,当偏应力增加到一定程度时,颗粒移动难以达到平衡,土样发生破坏。(2)在其他条件相同的情况下,围压与试样产生的变形量呈负相关,且围压越小,变形达到稳定所需的时间也越长;(3)在围压和偏应力水平一定的情况下,土体的变形量随基质吸力呈负相关,且基质吸力越小,蠕变曲线达到稳定所需的时间越长。

延安Q_2黄土三轴蠕变特性试验研究

对延安地区Q2黄土进行了三轴蠕变试验,通过试验得到了延安Q2黄土不同含水率及不同围压条件下应变-时间曲线和应力应变等时曲线。经过曲线分析发现,应力水平、围压及含水率对延安Q2黄土的蠕变特性具有较大影响,且当应力水平高于试样的屈服应力时,Q2黄土表现出显著的非线性蠕变特性。根据蠕变试验结果及模型原理,利用类比法建立了三维应力状态下的黏弹塑性蠕变模型。在此基础上,建立了考虑瞬时损伤的黄土蠕变本构模型,并运用拟牛顿法对模型中的各项参数进行拟合,结果表明:该本构模型适用于延安地区Q2黄土的蠕变研究,同时,期望该研究成果能为黄土高原其他地区岩土工程设计提供理论及实践意义。

西安地区地裂缝带Q_3原状黄土流变特性试验研究

汾渭盆地是我国乃至世界上地裂缝最为发育、灾害最为严重的地区。考虑在漫长的地质历史过程中黄土的流变特性对地裂缝破裂扩展模式的影响,采用分级循环加卸载方式,对西安地区长安地裂缝(fc1)带Q3原状黄土进行了不同围压下的固结不排水三轴流变特性试验,得到了地裂缝带Q3原状黄土的蠕变加、卸载曲线和应变速率与时间关系曲线。试验结果表明,不同围压下地裂缝带Q3原状黄土表现为低应力下为减速蠕变,高应力下为减速蠕变和等速蠕变的特征。并基于统一流变力学模型理论,建立了适用于西安地区地裂缝带Q3原状黄土的三维蠕变本构模型,获得了相应的本构模型参数。该成果为研究隐伏地裂缝破裂扩展模式及其力学机制奠定了基础。

黄土蠕变的试验研究

对原状黄土进行了侧限条件下单向压缩的长期（蠕变）试验及分析，研究表明，蠕变量在总压缩变形量中占有非常可观的比例，值得在工程实际中考虑。

基于分数阶微积分的Q2黄土含水损伤蠕变模型

为探索含水Q2黄土的蠕变特性,对Q2黄土进行不同含水状态下的三轴蠕变试验,试验结果表明随着含水率的增高,Q2黄土的流变性能增强。基于分数阶微积分构造的软体元件可描述理想的固体与流体之间材料性质的特性,选用包含软体元件在内的四元件非线性蠕变模型对试验数据进行回归计算拟合求参,并对不同含水率下的模型参数进行分析。结果显示:瞬时变形模量EH与黏弹性系数ξ1均随含水率增加呈指数形式递减;引入含水损伤变量D(ω),计算得出各蠕变参数含水损伤演化方程,进而建立考虑含水损伤的非线性蠕变模型,通过应用试验数据对其进行验证,结果表明基于分数阶微积分的含水损伤蠕变模型能够有效地描述Q2黄土的整体流变特征,模型具有较好的应用前景。

基于一维固结试验的压实黄土蠕变模型

运用高压固结仪对压实黄土进行了长期蠕变试验,试验结果发现,压实黄土有很明显的蠕变变形,蠕变变形占总变形的6%-23%。试样含水率越高,压实度越小,蠕变占总变形的比例也越大,随着应力水平的提高,蠕变占总变形的比例减小。提出了适合描述压实黄土变形规律的非线性经验蠕变模型,结合分层总和法,对此模型进行了验证,并运用此模型,研究了不同含水率、不同压实度下黄土高填方工后沉降的变化规律,发现工后沉降与填料压实度和含水率之间符合对数关系。若以工后沉降速率v〈0.1 mm/d为工后沉降稳定标准,则高填方沉降在工后200-650 d稳定,且压实度越高,含水率越低,沉降稳定需要的时间越长。

考虑黄土时效变形特性的高填方工后沉降预测

对压实黄土进行一维固结蠕变试验,分析压实度、含水率及固结应力对黄土次固结特性的影响,提出了一种考虑黄土时效变形特性的模型。试验结果表明:压实黄土次固结系数随着固结压力的增大呈增大趋势,次固结系数在低应力水平下对含水率和压实度不敏感,在高应力水平下,随含水率提高而增大,随压实度的提高而减小。通过验证发现本文提出的模型能较好地描述黄土高填方工后沉降规律。研究结果对类似工程有一定的借鉴意义。

浅层蠕动型黄土滑坡机理

浅层蠕动型黄土滑坡通常呈面状发育于相对平缓的沟谷两侧,沿黄土-基岩接触面产生周期性低速蠕动,对附近的工厂、道路和管道等设施造成严重破坏。研究这类滑坡的形成机理对其防灾减灾工作具有重要的指导意义。因此本文以甘肃省天水市罗玉沟流域的一个典型浅层蠕动型黄土滑坡为例展开研究。取滑带泥岩样进行直剪和直剪蠕变试验,以试验数据为基本参数,利用VB编程的二维滑坡运动模型模拟该滑坡的演化过程,并分析了滑坡在运动过程中及河流侵蚀下的稳定性。结果表明,泥岩应力-应变曲线呈弱硬化型,破坏后强度不发生衰减,且其长期强度(φ_∞=10.3°、c_∞=12.8 k Pa)明显低于直剪试验强度(φ_f=11.9°、c_f=40.9 k Pa),有利于滑坡发生蠕动;滑坡演化过程中后缘滑体逐渐向前缘蠕动,滑体稳定系数随之提高,但河流侧蚀又会明显降低其稳定性,导致周期性蠕动下滑;本文采用的二维滑坡运动有限差分模型可较好的模拟这类滑坡的演化过程,可为滑距预测提供依据。

黄土滑坡滑带土的蠕变特性

从陕西泾阳泾河南塬11个新近发生和临滑的黄土滑坡不同深度位置采取原状土样,根据滑坡所处的地质环境和灌溉水诱发条件,按不同应力水平和不同含水率情况,分别对滑带黄土和古土壤进行了三轴蠕变实验和直剪蠕变实验,获得了该类滑带土的蠕变特性:蠕变形变均包含等速蠕变、加速蠕变和蠕变破坏3个阶段,但从加速蠕变到蠕变破坏均历时短暂;滑带土均表现为塑性破坏特征;滑带土发生蠕变破坏时对应的应变量ε基本在10%以下,随着含水率的增加,蠕变破坏相应的应变量也随之降低;而直剪蠕变在不同含水率下的破坏应变量都在4%以内;历时(t>0 min)的应力–应变等时曲线族几乎为一束曲线簇,均具有"归一化"现象,反映出该区滑带土具有良好的一致的蠕变变形特性。讨论了滑带土蠕变特性与边坡失稳时间预报模型之间的内在联系,为黄土滑坡的临滑预报作了实验研究和理论探讨。

基于一维固结仪的黄土蠕变试验方法

传统一维固结仪只能进行基础的固结试验,由固结仪得到的试验曲线也不能称为蠕变曲线。基于一维固结仪,将土样制成高为6. 0 cm,直径为6. 18 cm的圆柱形试样,并在试样中心沿直径方向钻孔,人为提供土体破坏空间。综合考虑不同含水率(23. 8%,20. 1%,15. 5%),不同垂直压力(125,175,225,275 k Pa)条件下,通过分别加载的方式,得到了较为可靠的试验数据,并利用在孔内放置摄像探头的方式,全程观测黄土蠕变各个阶段的变化。该方法解决了传统固结仪由于环刀的限制,只能得到蠕变试验的衰减、稳定2个阶段的问题,实现了蠕变的衰减、稳定、加速完整3个阶段,具有操作简单,影响因素少,数据可靠性较强,更能直观地观察黄土蠕变土体变化的优点。

压实Q_3马兰黄土蠕变规律研究

为了研究压实Q3马兰黄土的蠕变特性,开展不同压实度、不同含水量下压实土的单轴排水与不排水蠕变试验,得到其轴向应变-应力-时间关系,采用已有的经验模型及H-K、Burgers、M-B元件模型分别描述其蠕变规律并对比分析其适宜性,采用能综合反映蠕变特性参数的等效蠕变模量E(t)来分析不同因素对蠕变规律敏感性。研究结果表明:Q3马兰黄土的蠕变特性对含水量敏感程度较大,对压实度次之,排水条件对低含水量和低压实度土体的蠕变特性敏感程度较大;采用M-B元件模型能够较准确地描述其瞬时弹性应变、衰减蠕变和稳定粘滞流动三个阶段,通过等效蠕变模量E(t)能够较好地反映不同初始条件下的蠕变效应,得到了E(t)与含水量w和轴向荷载σ0的经验公式。

高应力条件下黄土三轴蠕变试验及经验模型

为研究高填方地基黄土在高应力条件下的蠕变特性及其随深度的变化规律,在不同围压下针对陕西延安机场高填方黄土进行三轴固结不排水蠕变试验。采用"陈氏法"对试验数据分析处理,获得分别加载下各围压的蠕变曲线和应力-应变等时曲线。试验发现黄土的蠕变特性在高应力与低应力水平下有显著不同:其应力-应变关系在低应力条件下近似呈线性特性,高应力条件下表现出明显的非线性特性。以围压600kPa为例,由指数函数描述应力-应变关系,双曲线函数描述应变-时间关系,建立了适合延安机场并可以反映高应力条件下黄土蠕变特性的经验模型。将Mesri模型、Singh-Mitchell模型与经验模型比较,发现该模型与试验数据拟合度高、形式简洁、参数少且易获取,能更好地对延安机场黄土的蠕变特性进行反映和预测。

高湿度Q_2黄土的试验流变特性

高湿度Q2黄土具有明显的流变现象。本文针对逆作法设计的宝鸡火车站北口地下商场工程的高湿度Q2黄土,首先研究提出了一套三轴蠕变试验方法;然后通过试验,提出了高湿度Q2黄土的流变特性。这是建立高湿度Q2黄土非线性流变本构模型所必须的基础。

分级加卸载条件下Q_3黄土三轴蠕变特性研究

采用分级增量循环加卸载方式,利用SR-6型三联式三轴蠕变仪对陕西省泾阳县某边坡原状黄土进行了三组室内三轴固结排水蠕变试验,着重研究了黄土黏弹塑性的基本规律,以此建立了黏弹塑性九元件蠕变模型。结果表明:该地区原状黄土具有明显的流变特性,总体呈线性衰减蠕变;卸载后,土样产生衰减黏弹性回弹变形,回弹量随着卸荷量的减小,围压的增大,含水率的增大而减小;加卸载应力历史对黄土蠕变变形具有累积效应;该地区原状黄土的回弹变形不明显,黏弹性变形在蠕应变中所占比重较小;所建立的元件蠕变模型可以较好地描述该地区黄土的三轴线性蠕变特性,物理意义明确,且模型参数易得。

基于蠕变试验的路基压实黄土流变本构模型研究

结合具体试验路段,运用载荷装置与高压固结仪对不同能级强夯条件下的压实黄土进行蠕变试验,探讨压实度和含水量对压实黄土结构屈服强度的影响,建立可反映压实黄土流变特性的本构模型。研究结果表明:在蠕变应力小于土体的结构屈服强度时,地基土体主要表现为衰减蠕变;蠕变应力大于土体的结构屈服强度时,其蠕变类型主要表现为稳定蠕变;当蠕变应力远大于土体的结构屈服强度时,其蠕变类型主要表现为加速蠕变。一维高压固结条件下土样的塑性残余变形与含水量近似呈线性关系,压实度和含水量与结构屈服强度呈指数关系。原状黄土的回滞环形态上呈狭窄的条形,而压实黄土则呈新月形;载荷试验条件下压实黄土不同阶段分别表现为线性黏弹性和非线性黏塑性流变特征,可建立压实黄土流变本构模型反映其应力应变基本规律。