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。

湿陷性黄土隧道的工程性质分析

黄土隧道往往具有特殊的湿陷性黄土围岩和干旱半干旱气候地区特殊的地形地貌及地质环境,对隧道结构构成了潜在的不利影响。在对湿陷性黄土隧道修建和运行中工程特性认识的基础上,首先,根据地形地貌、地层结构、侵蚀发育、地下水条件和黄土浸水水源,进行了隧道的岩土环境等级和浸水等级划分,以及湿陷性黄土隧道的环境等级划分。其次,给出了隧道黄土地基湿陷变形量的计算分析方法,依据黄土地基湿陷变形不均匀沉降对衬砌结构的作用影响,以及列车运行对路基沉降变形的控制标准和建筑地基湿陷变形对结构的作用影响,确定了隧道湿陷性黄土地基等级的划分标准。最后,考虑到现行《湿陷性黄土地区建筑规范》适用的局限性,结合湿陷性黄土隧道的工程特点,针对隧道施工过程中围岩稳定性和湿陷变形对衬砌结构影响的两个重要问题,相应的提出了隧道地基湿陷性变形的评价方法和围岩压力的确定方法;由竖向压缩应力系数确定湿陷压缩应力,结合试验得出的湿陷系数计算隧道下地基土在实际压缩应力条件下的湿陷变形量。在考虑黄土结构性的条件下,利用太沙基公式计算隧道围岩压力,得到了围岩压力随黄土构度的变化关系。

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。

西安地铁明挖黄土隧道湿陷变形工程特性分析

黄土隧道围岩的湿陷变形引起衬砌结构不均匀沉降,将对隧道的安全运行构成威胁。以西安地铁4号线明挖黄土隧道工程为背景,针对典型地层结构建立有限差分数值模型,首先,依据场地探井自重湿陷量计算结果反演得到饱和状态下的土性参数。然后,模拟隧道基坑开挖、围护结构支护、隧道结构施工和基坑回填,以及可能的浸水入渗地下水位上升作用,分析了隧道黄土围岩不同浸水条件下黄土地基的湿陷变形及附加应力变化。进而,得到了黄土隧道区间湿陷变形引起的不均匀沉降,以及隧道地基黄土湿陷压缩应力条件的变化规律。分析表明,浸水入渗作用下隧道的湿陷压缩应力及湿陷变形较大,地下水位上升作用下隧道的湿陷压缩应力及湿陷变形较小,总变形甚至会出现回弹。

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。

水-力耦合非饱和黄土的弹塑性模型适用性研究

为验证Sun提出的与密度状态相关的非饱和土的水力-力学耦合的本构模型及非饱和黄土的水力特性和力学特性的预测结果,以西安市东郊黄土为研究对象,进行了非饱和黄土的等向压缩试验、三轴压缩试验以及三轴拉伸试验。将模型预测结果与试验结果进行了对比,证实了Sun所提出的模型预测非饱和黄土应力-应变和持水行为的有效性。将Sun模型与BBM模型分别得到的加载-湿陷(LC)屈服曲线进行对比,发现Sun模型的预测结果更接近试验数据点;对不同初始孔隙比的黄土试样进行等向压缩试验并进行湿化,模型能够较好地预测出黄土的湿陷变形趋势;对比模型预测结果与非饱和黄土三轴压缩试验得到的结果,证实该模型不仅可以较好地预测非饱和黄土的应力-应变行为,同时还可以反映非饱和土饱和度的变化。

平面应变下原状黄土的剪切带研究

针对黄土地区工程建设中的平面应变问题,使用改进的西安理工大学真三轴仪进行了不同侧向固结压力、不同含水率下原状黄土的平面应变剪切试验,得出了剪切破坏时剪切带倾角试验值,根据应力-应变关系曲线求出了剪切带倾角的Mohr-Coulomb、Roscoe理论解,分析了相应控制因素下原状黄土强度、剪切带破坏模式与倾角的变化。结果表明:应力-应变曲线随含水率、侧向固结压力的增大从原生软化型向次生硬化型转变;剪切带破坏模式随侧向固结压力的增大依次呈现单一剪切带、锥型剪切带和X型剪切带;随着含水率的增大,黏聚力、内摩擦角减小导致Mohr-Coulomb剪切带倾角减小,剪胀作用增强导致Roscoe剪切带倾角增大;随侧向固结压力增大,动内摩擦角增大及剪胀作用增强,导致Mohr-Coulomb、Roscoe剪切带倾角增大。

构度指标与黄土力学特性指标的关系研究

西北地区基础设施建设涉及地基、边坡、洞室、支护及环境等岩土工程,由于黄土对水敏感性、特有结构性及结构强度,常因黄土的结构性损伤及结构强度遇水衰减而产生许多岩土工程问题,如:"基础不均匀沉降、边坡滑坡、洞室工程塌方、支护位移变形、围岩稳定性及岩土生态环境问题",这些岩土工程问题都与黄土的力学性质有关,且黄土的力学特性起主要作用。构度指标反映了土的初始结构性,是个基本物性指标,本文主要研究构度指标对黄土力学特性指标的影响。研究表明:构度指标随压缩系数增大而减小,随压缩模量增大而增大,随湿陷系数增大而增大;在处理黄土工程问题、分析黄土力学特性等方面,构度指标具有很好的实用性、合理性。

考虑中主应力变化的原状黄土变形特性研究

为研究在高围压条件下考虑中主应力变化的原状黄土变形特性,利用西安理工大学真三轴仪对原状黄土进行了控制固结围压和中主应力b值的等b等p(p为球应力)剪切试验,试验给出了高围压条件下各主应变之间的关系,得到了不同高围压条件下的破坏应变与不同b值阶段的影响规律。结果表明:高围压条件下,所有b值阶段的ε3均为膨胀变形;b=0.2为中主应变变形临界点,0≤b<0.2为中主应变膨胀变形,0.2<b≤1.0为中主应变压缩变形。在高围压状态下,b值对应变的影响要远远大于围压对应变的影响。将b值增量对应变的影响程度定义为b值敏感度K(ε),中主应变的b值敏感度K(ε_(2))、小主应变的b值敏感度K(ε_(3))和广义应变的b值敏感度K(ε_(s))在b值为0~0.7之间均增长,0.7~0.9之间受b值变化影响减弱,0.9~1.0受b值变化影响最大。K(ε_(v))基本在0~5范围内,说明在不同中主应力阶段破坏体应变受b值变化的影响程度较小。

黄土丘陵区边坡动力响应及震陷变形分析方法

黄土丘陵区易发生震陷型边坡失稳。通过动力离心模型试验和有限差分非线性动力分析方法研究地震时黄土边坡的动力响应及变形机制,探究了地震作用下概化黄土边坡的加速度及位移响应,提出了基于动单剪试验条件下黄土震陷系数经验公式及黄土场地震陷量估算方法,并应用于黄土边坡震陷变形计算。结果表明:黄土边坡对地震荷载具有放大效应,加速度放大系数沿高程呈非线性增大,且坡面动力放大效应大于坡体内部;边坡的震陷量与土层厚度关系密切,土层震陷系数随高程呈对数式增加;地震作用下黄土边坡的破坏形式是水平滑移变形与竖向震陷变形双向耦合的结果,震陷变形表现显著,边坡向临空面滑动,坡顶张拉裂隙和坡面错位裂隙大量发育,震陷沉降不均导致坡面形成错位阶梯。

钢框架延性节点力学性能研究进展

钢框架中梁柱连接节点是梁柱结合的关键位置,在地震作用下,梁柱节点需要具有足够的延性及塑性变形能力以此耗散地震作用,故连接节点的受力性能直接影响整个钢框架结构的安全性。文章分别整理国内外学者对加强型节点和削弱型节点力学性能的研究现状;同时总结出当前延性节点研究存在的不足之处,为研究人员提供试验参考和设计依据。

黄土的构度及其与粒度、密度、湿度之间的关系

土的粒度、密度、湿度和构度是其固有的物质组成和状态特性指标,用来描述土的力学性质及其变化规律。土的构度是其结构性的定量描述指标,它不仅与土物质组成和存在状态的粒度、密度和湿度有关,而且与土骨架结构中土粒空间排列的组构和粒间联结特征有本质的联系。土骨架结构的土粒排列和粒间联结具有抵抗外荷作用的可稳性和遭受破坏的可变性,从比较黄土结构的可稳性和可变性出发,建立的构度指标实质上包括了原状黄土与其饱和条件下抗压强度比较确定的浸水灵敏度及原状黄土与重塑黄土抗压强度比较确定的扰动灵敏度。揭示黄土具有浸水灵敏度随含水率增大呈显著衰减的变化规律和不同含水率黄土的扰动灵敏度基本保持不变的特征。通过黄土构度随含水率和塑限差值的变化规律,构度随塑限、液限的变化规律,以及构度随液性指数的变化规律分析,揭示了构度与粒度、密度、湿度的之间的本质联系。通过黄土构度与液性指数、干密度和孔隙比表征的综合物理特征量之间的关系分析,揭示了干密度相近条件下黄土构度随综合物理特征量的单调变化规律。论证了黄土构度指标的可靠性与合理性。

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。

黄土的构度指标及其试验确定方法

黄土的结构性是一个重要的物理性质指标,它与土的粒度、密度和湿度一起影响土的力学性质。依据加荷、扰动、浸水释放土结构势的方法,由土的无侧限抗压强度定义了黄土结构性的构度指标。通过多个场地不同黄土的无侧限单轴压缩试验,测试分析了不同含水率原状土、重塑土和饱和原状土的单轴压缩应力-应变曲线及无侧限抗压强度变化规律,由此得出土的构度指标的变化规律。并且,在粒度、密度、湿度相似条件下,比较分析了土的构度指标与其压缩性之间的关系。土的构度指标与粒度、密度和湿度指标一起能够合理描述土的物理力学基本性质。

深厚湿陷性黄土地基综合整治新技术研究

湿陷性黄土地基的处理常采用破坏原状土结构的技术措施,从而不能充分发挥天然地基的承载力。当处理深度较大时,其施工难度较大,费用较高。结合深厚湿陷性黄土地基具有地势高、地下水位深、含水量低的条件,提出了浅层阻水、浅层排水、浅层防水、围封截水和竖井深层导水的综合整治新技术。进而,通过降雨入渗计算分析评价了综合整治新技术的处理效果。这种处理技术具有防止水分侵入地基、加强自由水引排和充分发挥天然土体承载力的特点,是处理深厚湿陷性黄土地基的一种新途径。

大厚度湿陷性黄土隧道现场浸水试验研究

对于穿越大厚度湿陷性黄土地层的隧道,其围岩湿陷变形会威胁隧道结构的稳定性。为了分析黄土围岩湿陷变形对隧道衬砌结构的影响机制,选取典型大厚度湿陷性黄土隧道场地,通过开展隧道场地地面浸水试坑试验及隧道仰拱浸水试验,测试了地面入渗和隧道基底入渗过程中不同埋深地层的湿陷沉降变形及地基的沉降变形、入渗过程中围岩的体积含水率变化分布、试坑周边地层的侧向位移、衬砌结构接触压力和轴力,研究了既有隧道黄土地层的湿陷变形特性及水分运移规律、隧道结构力学响应。结果表明,隧道开挖、衬砌作用扰动黄土结构,增大了围岩及深层黄土的渗透性;与天然黄土场地试坑浸水入渗比较,增大了竖向浸水范围,减小了水平向浸水范围。隧道围岩湿陷变形改变了围岩与衬砌结构的相互作用性状。围岩湿陷和地基软化作用增大了二次衬砌结构侧墙竖向荷载和侧墙围岩的挤压作用,引起拱脚地基承载力减小和沉降变形发展,拱顶、拱肩接触面呈受拉状态;仰拱中部地基土的抗力作用抑制其沉降变形,从而使得拱脚和仰拱中部出现显著的沉降差,导致仰拱混凝土开裂,形成纵向裂缝。此外,浸水范围内黄土的湿陷变形不仅引起竖向沉降变形,还会引起周围土体产生侧向水平位移;洞口边坡场地黄土的湿陷性和地层湿陷变形差异较大,反映了黄土山岭黄土场地地层条件复杂多变的特征。

真三轴条件下Q_2黄土的破坏模式与强度特性研究

基于西安理工大学自主研发的新型真三轴试验仪,对不同含水率Q2黄土在不同b值、不同固结围压条件下进行了真三轴试验研究,分析了真三轴试样破坏方式、中主应力对抗剪强度参数的影响以及π平面上的强度破坏面。结果表明,Q2黄土真三轴试样破坏方式主要有侧胀破坏、锥形破坏、梯形破坏、六边形破坏;不同b值应力路经条件下黏聚力与三轴压缩条件下黏聚力的比值在0.9～1.9之间,内摩擦角比值在0.7～1.5之间。土的结构性和土体破坏方式对π平面上的强度破坏面的形状影响较大,固结围压对π平面上的强度破坏面的大小影响较大;原状Q2黄土在π平面上的强度破坏面形状主要呈现梨形和轴对称六边形;随着结构性由强到弱,π平面上的强度破坏面形状由梨形向轴对称六边形变化。