平面应变条件下土的强度准则在黄土工程问题中的应用研究

文章依据Mohr-Coulomb、Matsuoka-Nakai、■空间滑动面、Lade-Duncan、AC-SMP强度准则所建立的平面应变条件下的中主应力公式和土的平面应变强度准则,对黄土工程中常见的平面应变问题进行分析和计算,包括黄土基坑直立开挖平面应变问题、挡土结构土压力问题和条形基础地基承载力问题。研究结果表明,平面应变条件下Lade-Duncan准则和■空间滑动面强度准则对于各种黄土工程的计算结果是基本相同的,进一步说明Lade-Duncan强度准则描述土单元剪切破坏时的空间滑动面近似为■空间滑动面;平面应变条件下所推导的各个强度准则在进行黄土工程具体问题分析时与常用的Mohr-Coulomb准则有较大的差异,Mohr-Coulomb准则趋于保守,未能充分发挥黄土的强度。在进行平面应变问题的黄土工程设计时,可选择适合黄土的强度准则,考虑平面应变条件下中主应力对土强度的贡献,充分的发挥黄土的原生结构特性,在工程建设中提高经济性。

平面应变条件下冻融循环对黄土力学性质的影响

以原状黄土为研究对象,通过平面应变试验,研究冻融循环对原状黄土物理力学性质的影响。结果表明:随着冻融循环周期的增大,土样表面损伤越严重;在同含水率、同固结围压的条件下,原状黄土的偏应力轴向应变(σ1-σ3)-ε1曲线随着冻融循环次数的增大而逐渐减小,并且冻融循环对原状黄土(σ1-σ3)-ε1曲线的劣化作用随着含水率的增大而增大,随着固结围压的增大而减小;根据摩尔库伦强度准则,得出粘聚力和内摩擦角均随着含水率的增大呈线性减小,黏聚力随着冻融循环周期的增大呈指数减小,内摩擦角随着冻融循环周期的增大而减小,且在3°范围内变化。基于试验数据的合理性,拟合出原状黄土随冻融循环周期的劣化模型,该模型经试验验证可较好地描述原状黄土随冻融循环周期的劣化规律。

重塑黄土的往返加卸载真三轴试验研究

针对不同应力路径往返加卸载条件下黄土累积塑性应变发展特性,以重塑黄土为研究对象,利用真三轴仪开展不同应力路径的往返加卸载试验研究,探究不同应力路径、应力幅值下黄土的循环应力时程曲线、滞回曲线、骨干曲线及累积塑性应变曲线的影响规律。揭示了应力路径对重塑黄土力学特性的影响,描述了各主应力与中主应力比b和应力幅值的相关性,提出了重塑黄土的滞回曲线近似呈椭圆形,长轴斜率随中主应力比b值的增大而增大,随应力幅值的增大而减小;随着中主应力比b值的增大,循环应力-应变骨干曲线随之硬化,累积塑性应变曲线依次降低,且累积塑性应变发展更早的进入平缓阶段,为解决相关黄土工程问题提供了参考。

砾粒土卸载-再加载力学特性大型平面应变试验研究

针对水利和交通工程中平面应变类工程重复加卸荷问题,利用压力室平面应变改造后的西安理工大学大型土工真三轴仪在不同围压条件下对两种砾粒土进行固结排水平面应变卸载-再加载试验,研究了砾粒土在平面应变状态下的应力-应变关系和卸载回弹应变和卸载-再加载回弹坡度等力学特性。结果表明:砾粒土的颗粒圆度、孔隙比、母岩强度和围压均会影响剪切峰值应力及剪胀特性,颗粒圆度好、孔隙比小的砾粒土峰值应力较低且更易表现出剪胀特性,母岩强度低会促进应变软化并降低峰值应力,围压增大可抑制剪胀并使峰值应力增大;体积应变和广义剪应变卸载回弹量与应力水平和围压有关;回弹坡度随应力水平增大先增后减,密实度较大时回弹坡度较大;卸载-再加载过程中出现主应力轴旋转现象,零应变方向的应力并非一直为中主应力;回弹坡度显著大于初始切线坡度,回弹坡度与初始切线坡度之比随围压增大快速减小。

累积塑性体应变对非饱和原状Q_(3)黄土动骨干曲线的影响研究

为研究循环累积塑性体应变对黄土骨干曲线的影响,选取典型原状Q_(3)黄土,开展了一系列不同含水率、固结压力和剪应变幅等变化条件下的动单剪试验。试验结果显示,非饱和原状Q_(3)黄土具有明显的循环剪缩和循环硬化特性;骨干曲线形态随循环加载周的变化而变化,变化幅度与累积塑性体应变相关。由此认为,震陷性黄土骨干曲线的构造需要考虑循环加载累积效应的影响,多级加载试验对其是不适用的;震陷性黄土的初始骨干曲线应采用单级加载试验构造,多级加载动骨干曲线需要考虑塑性累积体应变对初始骨干曲线的影响。基于剑桥模型推导的土体孔隙比和抗剪强度的关系式,推导了不同加载周土体最大动剪切模量比和最大动剪应力比与累积塑性体应变之间的关系式,并建立了可以考虑累积塑性体应变影响的动骨干曲线方程,试验验证该方程具有较好的模拟效果。

用BBM模型模拟非饱和重塑黄土的变形强度特性

对非饱和土BBM模型进行分析、研究、验证,并做进一步的修正,从而使模型更符合非饱和黄土的基质吸力的变化规律。对文献中等b等σ3且b=0应力路径下的BBM模型的迭代计算方法进行修正,进而给出等b等p且b=0时的BBM模型的迭代计算方法。基于非饱和黄土的控制吸力真三轴试验下的相关试验结果,求得BBM模型的相关模型参数,并利用相应的计算方法对等b等p且b=0路径下的非饱和黄土试验结果进行预测。考虑对于非饱和黄土,相关模型参数随基质吸力的非线性变化关系,采用一个双曲线函数关系式对BBM模型进行修正,并对修正后的模型进行验证,结果显示修正后模型整体预测结果理想,尤其是对于低吸力低净平均应力下的预测结果较原始模型更为理想。

黄土的独立物性指标及其与湿陷性参数的相关性分析

黄土的湿陷性是其重要的工程特性,常用一维压缩应力条件下的湿陷系数、自重湿陷系数和湿陷起始压力等指标定量评价。影响黄土湿陷性的因素较多,包括土的粒度、密度、湿度等基本物理性质指标,且各因素之间并非完全独立,存在一定相关性。采用因子分析法,通过对西安地铁4号线黄土高台地和宝鸡—兰州高速铁路隧道黄土塬湿陷性黄土场地地层物性质指标的统计分析和相关性分析,首先确定了相对独立的含水比(含水率与液限之比)和孔隙比3个物性指标反映的两个因子。然后,依据湿陷性黄土场地的试验资料,通过多元线性回归分析,分别得到了两个场地黄土的自重湿陷系数、湿陷起始压力以及压缩模量与含水比和孔隙比之间的相关关系。最后,比较分析了两个场地黄土自重湿陷系数、湿陷起始压力和压缩模量计算值与实测值,验证了利用因子分析法寻找影响黄土湿陷性的独立因子,建立黄土湿陷性参数与独立影响因子之间相关关系的合理性和准确性。针对两个地区两类地貌单元湿陷性黄土场地,建立的黄土湿陷性参数的相关关系具有快速、准确的评价黄土湿陷性和黄土地基湿陷变形的实际意义。

考虑初始结构性参数的结构性黄土边坡稳定性评价

针对应力比结构性参数存在的问题,建立了结构性黄土初始结构性参数与含水率、围压之间的关系,在变形过程中建立了更为合理的结构性参数与广义剪应变的关系,并将其引入结构性黄土的强度理论中。在此基础上,通过数值计算对边坡结构性参数分布的变化规律及潜在滑动面的确定进行了评价。研究结果表明:建立的初始结构性参数可以反映黄土边坡的结构性参数初始分布场;结构性参数变化的上限是初始结构性参数,下限为结构性完全丧失后的结构性参数,且其值等于1.0;在结构性黄土边坡稳定性分析中,通过结构性参数的分布规律可在一定程度上确定边坡的潜在滑动面,但仅适用于塑性区域呈明显的带状集中分布的情况。

等向应力条件下非饱和原状黄土增湿渗水特性试验研究

渗水系数是非饱和土固结分析的关键参数之一。用自制的非饱和土三轴剪切渗透仪,在无应力及不同等向应力下分别对不同和相同孔隙比的原状黄土进行了直接向试样分级注水使吸力逐渐减小的增湿渗透试验,分析了孔隙比,应力与饱和度及吸力对增湿渗水系数的影响,对比分析了无应力与应力作用下的渗水特性,提出了可以考虑应力与饱和度或吸力影响的非饱和原状黄土增湿渗水的渗透性函数。研究结果表明：孔隙比和应力对渗水系数与饱和度关系及渗水系数与吸力关系皆有影响,吸力较大时对后者几乎没有影响,可近似归一。无应力及不同应力条件下,只要孔隙比相同,则渗水系数与饱和度或吸力关系相同;相对渗水系数与吸力的关系不能归一,同一吸力对应的相对渗水系数随孔隙比的减小或应力的增大而增大,而相对渗水系数与饱和度及吸力比（吸力与脱气值之比）关系皆可以归一。v G-M模型不适用于描述常孔隙比下原状黄土的渗水系数;提出的渗透函数可以预测一定等向应力作用下增湿过程中饱和度增大及吸力减小时原状黄土的渗水系数,预测结果与试验结果吻合较好。

等向应力条件下原状Q_3黄土的渗气特性研究

用改装的三轴渗气仪,在不同等向应力条件下对不同含水率的原状Q_3黄土进行渗气试验,分析了含水率、体积含气率及应力对渗气系数的影响,提出了直接及间接地反映含水率与应力变化对渗气系数影响的3种类型渗气函数。研究结果表明:应力对渗气系数与含水率及体积含气率关系皆有明显的影响,增湿时含水率及体积含气率对渗气系数的影响比减湿时稍大;应力变化(含水率不变)和含水率变化(应力不变)时渗气系数与体积含气率的关系不同。不同应力条件下相对渗气系数与相对体积含气率关系,渗气系数与修正体积含气率关系皆可分别用唯一的幂函数描述;不同含水率下渗气系数与规格化应力关系皆可用指数函数描述,且仅一个参数随含水率而变化。用3种类型的渗气函数皆可较好预测含水率及应力变化时的渗气系数,而其中无需引入力水耦合作用引起孔隙比变化的指数型渗气函数更便于工程应用。

黄土地层地铁暗挖隧道地表纵向沉降规律及其预测分析方法

地铁隧道施工过程中,地表纵向沉降槽最大倾斜率及其出现的时机对地面和地下建筑物的安全评价非常重要。针对目前采用累积概率曲线描述纵向沉降曲线的不足,依据黄土地区地铁隧道暗挖施工引起地表纵向沉降槽特征的研究,寻求一种能反映地表纵向沉降规律的函数,引入掌子面地表位移释放率和地表纵向沉降最大斜率2个特征值,提出基于特征值的地表纵向沉降预测方法。研究结果表明,黄土地区暗挖法地铁隧道施工过程,老黄土-古土壤地层掌子面地表位移释放率和地表纵向沉降最大斜率均较大,饱和软黄土地层的较小。经过数学严密推导,提出一种考虑掌子面地表位移释放率和地表纵向沉降最大斜率的地表纵向沉降预测分析方法,分析了其随着特征值的敏感性,验证了预测方法的可靠性和合理性。研究成果对于分析和预测地铁隧道施工引起地表不均匀沉降对地面与地下建筑的影响具有重要的意义。

Q_3原状非饱和黄土的水量变化和临界状态特性

用双室非饱和土三轴仪,对Q3原状黄土进行一系列控制吸力的各向均等压缩及同时控制吸力和净围压的三轴排水剪切试验,分析了吸力,净围压及应力路径对非饱和原状黄土临界状态及水量变化特性的影响,提出了各向均等压缩及三轴剪切应力条件下水土体积比与净平均应力关系的表达式、偏应力与净平均应力临界状态关系模式。研究结果表明:应力路径对非饱和原状黄土水量变化的影响显著,随着净平均应力增大,等向压缩应力条件下处于排水状态,剪切应力条件下视吸力及净围压的大小可能处于吸水或排水状态,不同试验条件下水土体积比与净平均应力或其增量之间对数关系呈二段直线。吸力对偏应力与净平均应力临界状态线的影响皆随着净围压增大而减小,不同吸力(大于0)下水土体积比与净平均应力的对数关系临界状态线皆近似为平行直线。

平面应变加、卸荷条件下考虑初始应力的原状黄土强度与变形特性试验研究

针对黄土工程中的众多平面应变加、卸载问题,利用平面应变改造后的西安理工大学真三轴仪,模拟黄土原位沉积方向及不同初始应力状态,在不同围压下对不同初始应力状态原状黄土进行竖向加载和侧向卸载平面应变试验,揭示不同初始应力状态原状黄土在加、卸载不同应力路径条件下的强度和变形特性。研究结果表明:两种应力路径条件下的应力应变曲线均呈硬化型,加载曲线均高于卸载,加载强度大于卸载强度,但卸载时,土的强度发挥较快。剪切过程中,黄土的侧向变形与竖向变形均呈非线性关系。竖向加载时,土的初始应力状态k值对土强度和变形的影响与固结围压的大小关系紧密;侧向卸载时,k值的增大可以限制侧向变形的发展。竖向加载条件下的体积应变均为剪缩,侧向卸载时均为剪胀。加、卸载条件下p-q平面内的破坏强度线基本一致,近似呈线性关系。侧向卸载条件下土体破坏时的应变远小于竖向加载和常规三轴试验。随着k值的增大,加、卸载应力路径时,黏聚力均线性减小,内摩擦角均线性增大。

黄土初始结构性及其湿载作用下演化规律

黄土的结构性是除粒度、密度、湿度之外更为重要的指标。通过总结分析综合结构势理论框架内业已提出的结构性参数及其演化规律,并将结构性参数分为过程结构性参数和初始结构性参数两类,这种分类说明了合理的结构性参数既要反映土的基本物理属性还要反映其在外部扰动作用下的演化过程。针对目前结构性参数及其演化规律存在的问题,采用能够反映初始结构性的构度指标与反映过程结构性的应力比结构性参数,提出了球应力与剪应力对结构性参数综合影响的综合应变,并分析综合应变与结构性参数之间的关系,建立了一个能反映结构性从初始到湿载作用下衰减演化的数学模型。通过理论分析和常规三轴试验研究表明,该数学模型避免了试验围压对初始结构性的影响,并且考虑了湿载过程中体应变与剪应变的共同影响,更加准确地反映黄土的结构损伤演化规律。

原状黄土的压缩曲线特性

原状黄土是一种具有结构强度的欠压密土,其侧限压缩变形特性区别于一般土。为研究原状黄土侧限压缩变形的共性,对西安、兰州6个场地不同含水率的原状Q3、Q2黄土进行了侧限压缩试验,得到了相应场地不同含水率原状黄土的压缩曲线,分析了其压缩曲线的形态,通过曲线对应的压缩屈服应力及初始孔隙比,将各黄土不同含水率下的压缩曲线归一化为同一曲线,且形成时代相同的黄土归一化曲线位置相同,并利用复合幂-指数模式分别描述了Q3、Q2黄土归一化的曲线。将文献中试验黄土的初始孔隙比与压缩屈服应力代入归一化曲线的表达式,计算得其压缩曲线和压缩性指标。经对比,与文献实测压缩曲线及压缩性指标很接近,验证了黄土压缩曲线的归一化特性并对其进行了应用。结果表明:试验黄土压缩曲线具有可被其初始孔隙比和压缩屈服应力归一化的特性,此特性为黄土侧限变形性质的分析提供了一条便捷的途径。

粉煤灰-石灰改良黄土与压实黄土强度特性对比分析

基于TSZ-3型应变控制式三轴剪切仪,在不同固结围压条件下对不同压实度粉煤灰-石灰改良黄土和压实黄土进行了常规三轴加载试验,研究了竖向加载条件下改良黄土和压实黄土的应力-应变演化关系、强度特性及其破坏方式的差异。研究结果表明:改良黄土的应力-应变曲线以软化型为主,屈服即意味着破坏;压实黄土全部为应变硬化型,可用双曲线描述,属于渐进屈服破坏。固结围压和压实度均会对压实和改良黄土的强度产生较大影响,两者之间的耦合关系共同决定黄土的强度。改良黄土的黏聚力值均远大于压实黄土,内摩擦角略微大于压实黄土;改良黄土在剪切前期强度增长较大,压实黄土的强度随着剪切变形的发展逐步发挥。三轴竖向加载条件下,改良黄土呈脆性滑移破坏形式,压实黄土呈剪缩侧胀破坏。

黄土初始结构性对其压缩屈服的影响

黄土是一种典型的具有结构强度的欠压密土,其特殊的结构性会使黄土的压缩曲线出现类似超固结土的明显转折点(对应的压力称为结构压缩屈服应力)。为分析黄土的初始结构性对其压缩屈服的影响,对6个场地的黄土进行了侧限压缩试验及单轴抗压强度试验,分别得到了各个场地不同含水率黄土的压缩屈服应力和构度指标。研究表明:黄土的构度指标与压缩屈服应力均随含水率的增大而减小,同时随含水率的增大,构度变化幅度小的黄土,其压缩屈服应力变化幅度也小;沉积时代相同的黄土,构度越大,其压缩屈服应力越大,两者呈线性关系;黄土的沉积时代不同,其构度与压缩屈服应力的线性关系就不同。分别给出了Q_3、Q_2黄土的构度与压缩屈服应力的线性关系式,并通过实例初步验证了此线性关系的适用性,为以构度为桥梁,利用简便易得的物理指标计算压缩屈服应力提供了一种途径。

结构性黄土的剪切带及强度特性的真三轴试验研究

采用西安理工大学自主研发的真三轴仪,对西安白鹿原黄土进行了不同中主应力比值、不同固结围压的试验研究,探讨了黄土剪切带形成与峰值强度、中主应变与大主应变关系曲线、体应变与大主应变关系曲线特征点之间的联系以及子午平面、p平面上的强度变化规律。分析了真三轴应力条件下黄土强度变形规律和试样剪切带破坏模式和黄土在复杂应力状态下剪切带形成的判断依据和原因,研究表明,真三轴压缩原状黄土具有明显的剪切带,围压和中主应力比值较小时表现为软化,围压和中主应力比值较大时则表现为硬化;中主应变、体应变与大主应变关系曲线较为一致的转折点反映了土变形性状发生变化;与中主应变方向一致的剪切带两侧土结构块体产生相对滑移,剪切带开始形成和发展;土应变曲线的转折点可以作为土固结结构内剪切带形成的判断依据;子午平面上强度线呈线性变化规律,p平面上呈曲边三角形非线性变化规律,并且与3σ-SMP强度准则较为接近。不同应力条件下剪切带变化复杂的破坏模式与黄土原生的结构特征和加载共同作用的变化有密切联系。

重塑黄土在不同基质吸力下的真三轴剪切试验

为研究重塑黄土在控制吸力真三轴条件下的剪切特性,利用非饱和土固结仪测试了重塑黄土的土-水特征曲线,得到基质吸力与含水率的对应关系。利用真三轴仪对重塑黄土进行了控制基质吸力为50、100、200 kPa的固结排水剪切试验。在剪切试验中同时控制净平均应力为300k Pa,中主应力参数b值分别为0、0.25、0.50、0.75、1.00,试验结果给出大主应变、中主应变和小主应变与偏应力的关系曲线,研究了基质吸力和b值对土体应力-应变响应的影响。结果表明,重塑黄土的抗剪强度随基质吸力的增大而增大,随中主应力参数的b值增大而降低;应力-应变曲线随b值增大逐渐从应变硬化型向理想弹塑型转化;给出的重塑黄土在π平面上的强度破坏线,其随着基质吸力的增大而向外扩展,基质吸力会影响其位置、大小及形状,且重塑黄土不同基质吸力的试验结果与Lade-Duncan破坏准则的预测结果更接近。

物理性质对黄土初始结构性的综合影响研究

黄土是具有特殊结构性的土,目前对其结构性影响因素的研究大多处于单因素定性分析阶段。构度指标反映的是黄土的初始结构性。为研究物理指标对初始结构性的综合影响,首先,对西安、兰州两地原状及重塑的黄土试样开展了不同含水率下的无侧限抗压强度试验,得到了相应黄土的构度。分析得出:构度随含水率、干密度、最小密度比、塑性指数、液性指数的增大均呈减小的趋势,除此之外,还与黄土的形成时代及其分布地区有关。其次,根据以上结论,用基本物理指标构造了一个综合物理量,进一步分析了构度与综合物理指标的关系,得出了区分地区、区分地质时代的由综合物理量直接定量计算构度指标的经验公式。最后,通过对西安另一场地的黄土进行试验得出的构度指标与运用本经验公式计算所得的构度值的对比,初步验证了其合理性、适用性。经验公式为以后通过简单易测的物理指标定量计算构度提供了一种方法。