旱区陡坡黄土的低压力抗剪强度特性试验研究

黄土强度指标的准确确定是地质体稳定性分析的基础依据。以延安地区某边坡上更新统黄土为研究对象,利用改进的直剪仪,开展不同初始含水率、密度、干湿循环条件下原状与重塑黄土的低压力抗剪强度试验,研究原状与重塑黄土的低压力抗剪强度及抗剪强度指标随初始含水率、密度及干湿循环次数的变化规律,建立黄土的低压力抗剪强度指标与初始含水率、密度及干湿循环次数之间的函数关系。结果表明,黄土的低压力抗剪强度与初始含水率的关系可采用指数函数描述,与土体密度和干湿循环次数的变化关系可采用线性函数描述;原状与重塑黄土的黏聚力、内摩擦角与初始含水率之间呈负相关,且原状黄土抗剪强度指标高于重塑黄土;黄土的抗剪强度指标随土体密度增加而显著提高,随干湿循环次数增加呈明显减小趋势。     

含水率对结构性参数影响的单变量模型

基于侧限压缩试验分析不同压力条件下原状样和重塑样的割线模量随含水率变化规律,获取割线模量与含水率关系的表达式。基于应变的结构性参数可化简为以割线模量为参量的结构性参数,并将割线模量与含水率关系式代入即可构建含水率对结构性参数影响的单变量模型。最后检验含水率对结构性参数影响的单变量模型。研究结果表明:不同压力条件下原状样和重塑样的割线模量均随含水率增大而呈递减趋势,但由于原状样存在明显的结构强度,不同压力下原状样割线模量与含水率关系曲线存在交叉;采用含水率作为单变量描述的结构性参数能够直观地反映土体结构性随含水率的变化规律;不同压力条件下结构性参数随含水率的增大呈递减趋势,但随着压力条件的不同,这种递减趋势存在差异。当压力较小时,结构性参数随含水率递减的趋势较平缓;当压力较大时,结构性参数随含水率递减的趋势是快速递减;在这两者之间则呈现出先平缓递减后快速递减的过渡状态。     

延安地区压实Q2、Q3黄土变形特性分析

本项研究针对延安地区压实Q₂、Q₃黄土做了大量的室内侧限压缩固结试验.针对压实黄土变形特性的影响因素,建立适用于表征侧限条件下压实黄土应力-应变关系的最佳拟合模型.在此基础上分析了最优含水率条件下割线模量与垂直压应力及割线模量与压实度的关系,提出了普遍适用的压实黄土加载本构模型.研究结果表明:压实Q₂黄土固结完成之后土体密实度高,含气量少,渗透性小,外加荷载作用下附加变形量小,是良好的地基填筑材料.Gunary模型适用于表征侧限条件下压实Q₂、Q₃黄土的应力-应变关系,拟合精度高,稳定性好.由Gunary模型转化后得到的割线模量与垂直压应力的关系式涵盖了低压实度情况下的线性关系和高压实度情况下的非线性关系两种情况,具有更好的适用性.     

侧向卸荷条件下不同含水率原状黄土变形特性分析

为研究原状黄土的侧向卸荷变形特点,选取陕西地区具有代表性的不同含水率Q₃原状黄土,进行不同固结压力下的分级侧向卸荷试验。试验结果表明：原状黄土在侧向卸荷下应力应变曲线为硬化型;初始固结压力较低的试样无明显破坏且轴向应变最终趋于稳定,固结压力较高的试样则发生破坏且轴向应变持续增加,对于低固结压力试样,含水率越高,最终稳定时的轴向应变越大;提出原状黄土的临界轴向应变比值,并通过拟合得出指数函数表达式,以计算各种情况土体卸荷达到塑性破坏时的围压值;根据试验结果拟合得到初始切线模量的经验公式,从而推导出不同含水率原状黄土在卸荷时的变形模量计算公式。     

压实黄土压缩特性研究

压实黄土广泛应用于实际工程中,其压缩特性是黄土路基工程、地下工程、边坡工程设计计算的重要参数.进行了一系列控制干密度和含水率的固结压缩试验,研究了压力、干密度和含水率对压实黄土的压缩特性的影响.试验结果表明:压力增大,压实黄土的压缩模量增大;含水率一定,随干密度的增加,压缩模量逐渐增大,压缩模量增量在含水率较小时,随干密度增大呈先减小后增大趋势,在含水率较大时,随干密度增大呈逐渐减小趋势;干密度一定,随含水率的增加,压缩模量减小,减小幅度随着含水率的增大而逐渐减小;并且干密度越大,趋势越明显.压实黄土的压缩模量-含水率关系可以用指数函数Es=aebw来表达.     

竖向应力及干湿循环对黄土土-水特征曲线的影响

土-水特征曲线是描述非饱和土水力特性的重要参数之一。本文利用非饱和土固结仪对2组5个压实非饱和黄土试样进行土-水特征试验,研究了不同的竖向应力和干湿循环对压实非饱和黄土土-水特征曲线的影响。试验表明,随着竖向应力的增大,压实黄土的进气值和脱湿率逐渐增大;在一个干湿循环中,同一基质吸力下脱湿曲线所对应的含水率大于增湿曲线所对应的含水率,脱湿率大于增湿率;第2次干湿循环所产生的滞回圈大小小于第1次干湿循环;滞回圈大小随竖向应力的变化而变化。     

结构性黄土的修正Duncan-Chang模型

为了实现原状湿陷性黄土结构性与其本构模型研究的统一,解决软化型应力-应变曲线的切线刚度矩阵正定性问题,通过研究原状结构性黄土在不同含水率和固结围压条件下由增湿、固结作用和剪切变形引起的结构性损伤规律,建立可以反映结构性变化的修正非线性Duncan-Chang模型.该模型考虑了增湿和加荷对土体结构的损伤破坏,把含水率作为一个重要的变量,用一族具有相同初始切线模量和不同极限强度的双曲线来求取当前应变状态处的切线模量,能够统一描述结构性黄土的应变软化和硬化型应力-应变关系曲线,形成解决原状湿陷性黄土增湿和应力耦合条件下变形及强度计算问题的新方法.     

基质吸力对原状非饱和黄土强度与变形特性的影响

为研究基质吸力和净围压对原状非饱和黄土的变形、强度特性的影响,采用非饱和土三轴仪对延安新区的原状Q_3黄土及原状Q_2黄土做了2组共18个三轴固结排水剪切试验.研究结果表明:基质吸力和净围压均对试样的强度及变形特性有显著影响;原状Q_3黄土的偏应力-应变曲线随净围压的增大从理想弹塑性演变为硬化型,且试样在试验过程中一直处于剪缩状态;原状Q_2黄土的偏应力-应变曲线表现为软化型,吸力、净围压较小的试样,体变由剪缩逐渐变为剪胀;原状Q_2黄土的结构性比原状Q_3黄土更为显著;基质吸力对非饱和黄土的强度特性、起始杨氏模量有显著的影响;表观黏聚力c及参数k均随着吸力的增加而增大,而吸力对有效内摩擦角φ′及参数n的影响并不显著;提出考虑吸力和净围压影响的原状非饱和Q_3、Q_2黄土的切线杨氏模量的修正计算公式.     

干湿循环作用下红砂岩堆石料力学性能研究

为研究红砂岩堆石料在干湿循环作用下的力学性能,以干湿循环次数为主要变量,开展常规三轴压缩试验。研究结果表明:不同干湿循环次数下,红砂岩堆石料应力-应变曲线变化规律基本一致,整体呈现出明显的应变软化。应力-应变曲线在初期快速增加,直至出现峰值,而后开始降低,最后趋于稳定;相同干湿循环次数下,试样破坏强度随围压增大而逐渐增长;相同围压,破坏强度随干湿循环次数增加而逐渐降低,破坏强度与干湿循环次数呈现指数关系;当干湿循环次数增加时,试样强度指标黏聚力逐渐减小,从125.9 kPa降低到62.3 kPa,黏聚力降幅约50%,且黏聚力与干湿循环次数之间成负线性关系;与之相似,另一强度指标内摩擦角逐渐减小,但降低幅度较小,减小幅度为15%左右,与干湿循环次数呈现指数关系。     

干湿循环对滑坡区黄土收缩性的影响规律

针对天山北麓山区黄土滑坡灾害,研究该区黄土湿陷干燥过程中的收缩特性和规律。通过对3种不同初始含水率土样的9次干湿循环下的收缩试验,获得收缩率和含水率随循环时间的关系曲线。通过对不同循环次数下土体收缩曲线的相似趋势进行拟合,获得该区不同循环条件下的黄土收缩曲线方程,得到一定含水率下线缩率与循环次数呈指数关系,随着干湿循环次数的增加最终线缩率变小;土体的线缩主要发生在直线收缩阶段,对这个阶段进行拟合得到表征干湿循环次数与收缩系数关系的线性回归方程,收缩系数随循环次数的增加而减小,且呈较好的指数关系;黄土的脱湿变形分为裂纹变形和收缩变形,利用PCAS软件分析干湿循环下土样表面裂隙规律,前三次循环试样边缘出现裂隙,到五次循环时,裂纹和收缩变形明显,第7次循环结束后,收缩变形进入稳定状态。     

延安Q3黄土应力应变特性及其归一化性状研究

为研究延安原状Q3黄土应力应变关系特性,并总结其在不同含水率不同围压下的归一化性状,进行了一系列固结不排水三轴剪切试验。试验结果表明:延安原状Q3黄土的应力应变关系整体上随围压增大由弱硬化型向强硬化型转变,但在含水率极低且低围压条件下会呈现出一定的软化特性;基于Kondner双曲线模型,对原状Q3黄土进行应力应变归一化分析,含水率为5%和10.2%的Q3黄土在400 kPa以下的围压下不存在归一化性状,含水率为17%的Q3黄土在300 kPa以上的围压下存在归一化性状,含水率为22%、27%和32%的Q3黄土在200 kPa以上的围压下归一化性状较显著;通过比较,选用初始切线模量或极限偏应力作为延安原状Q3黄土的归一化因子,归一化效果较好;建立了不同含水率下延安原状Q3黄土应力应变关系的归一化方程,其预测值与试验值较接近。该方程对延安Q3黄土相关工程设计及工程经验的验证有一定参考价值。     

路用红砂岩碎石土湿化变形特性试验

针对湿热地区红砂岩碎石土用作路基填料易发生湿化崩解,导致路基刚度软化及其耐久性能降低的问题,采用自行研制的大型干湿循环压缩剪切仪,开展不浸水条件与反复浸水下红砂岩碎石土的一维大型压缩试验,揭示红砂岩填料在干湿循环条件下的湿化压缩变形规律。研究结果表明:湿化变形量随浸水次数增加而增加,压缩模量在前2次干湿循环过程中衰减幅度较大,第3次后逐渐趋于稳定;地基土附加湿化变形量随浸水时间增加而增大,变形模量随含水率增加而减小。试验结果可为红砂岩填筑路基的安全施工及其长期沉降预测提供依据。     

震后击实黄土和原状黄土的液化试验研究

在饱和黄土动三轴试验的基础上,结合黄土微观结构特征研究和粒度组成分析,讨论了等效循环荷载作用下震后击实黄土和原状黄土的孔压比一应变关系,并从微观结构特征参数和粒度组成方面阐述了黄土孔压发展规律差异的原因．试验结果表明：击实黄土在液化过程中孔压发展较原状黄土慢,主要原因在于原状黄土大中孔隙较击实黄土含量多;震后黄土的粘粒含量较震前均有一定程度的增加,粉粒相应减少,砂粒变化较小,液化应力比随着粘粒含量的增加而增大,抗液化能力降低．     

干湿循环下红黏土回弹模量对路面结构影响

利用室内承载板法分析干湿循环作用下压实红黏土回弹模量变化规律,以壳牌设计软件BISAR3.0为计算工具,计算了干湿循环下红黏土回弹模量对路面结构的力学特性影响。结果表明:压实红黏土回弹模量值随干湿循环次数的增加而衰减,其中第1次衰减很大,经过3~5次干湿循环作用后,回弹模量基本都在10~15 MPa。面层层底弯拉应力、应变随红黏土土基回弹模量的减小而减小,基层、底基层层底拉应力、应变随红黏土土基回弹模量的减小而增加。底基层层底弯拉应力、应变与红黏土土基回弹模量的关系可用对数来拟合。结构层厚度随红黏土土基回弹模量的减小而增大,经第1次干湿循环其结构层厚度增加19.32%,当回弹模量稳定后其厚度增加21.59%。     

剪切速率对黄土力学性质及邓肯 张参数的影响

为探究加载速率对原状黄土强度和变形特性及其邓肯-张模型参数的影响,采用SLB-1型三轴剪切渗透试验仪,开展原状黄土在不同围压和剪切速率下的不固结不排水三轴剪切试验,并通过微观试验验证其宏观力学性质。结果表明：在试验参数设定范围内,剪切速率对原状黄土的力学性能有显著影响,不同剪切速率下原状黄土的偏应力－应变关系基本符合双曲线关系;初始变形模量随围压的增大而增大,随剪切速率的增大呈现先增大后减小的规律,原状黄土的黏聚力c、无因次基数K、应力破坏比Rf和破坏强度与剪切速率之间存在明显的临界剪切速率转折点1.7 mm?min-1,此时各参数均达到最大值,无因次指数n无明显规律可循;当剪切速率小于此临界值时,黏聚力c、无因次基数K、应力破坏比Rf和破坏强度随着剪切速率的增大而增大,当超过剪切速率临界值时又有一定程度的降低,总体上呈现先增大后减小的规律,而内摩擦角随着剪切速率的增大而逐渐增大且增大幅度甚微;试样的偏应力－应变曲线无明显的峰值点,呈应变硬化型;通过拟合曲线,得到了原状黄土试样的抗剪强度指标和破坏强度与不同剪切速率之间的拟合公式,以期更好地研究剪切速率的变化对西宁原状黄土力学性能的影响。     

剪切速率对黄土力学性质及邓肯-张模型参数的影响

为探究加载速率对原状黄土强度和变形特性及其邓肯-张模型参数的影响,采用SLB-1型三轴剪切渗透试验仪,开展原状黄土在不同围压和剪切速率下的不固结不排水三轴剪切试验,并通过微观试验验证其宏观力学性质。结果表明:在试验参数设定范围内,剪切速率对原状黄土的力学性能有显著影响,不同剪切速率下原状黄土的偏应力-应变关系基本符合双曲线关系;初始变形模量随围压的增大而增大,随剪切速率的增大呈现先增大后减小的规律,原状黄土的黏聚力c、无因次基数K、应力破坏比R_f和破坏强度与剪切速率之间存在明显的临界剪切速率转折点1.7 mm/min,此时各参数均达到最大值,无因次指数n无明显规律可循;当剪切速率小于此临界值时,黏聚力c、无因次基数K、应力破坏比R_f和破坏强度随着剪切速率的增大而增大,当超过剪切速率临界值时又有一定程度的降低,总体上呈现先增大后减小的规律,而内摩擦角随着剪切速率的增大而逐渐增大且增大幅度甚微;试样的偏应力-应变曲线无明显的峰值点,呈应变硬化型;通过拟合曲线,得到了原状黄土试样的抗剪强度指标和破坏强度与不同剪切速率之间的拟合公式,以期更好地研究剪切速率的变化对西宁原状黄土力学性能的影响。     

离散元对加固尾砂在干湿循环作用下的细观力学分析

为探究加固尾砂在干湿循环作用影响下力学性能、力链和尾砂颗粒运动的变化,通过对加固尾砂进行三轴试验和离散元颗粒流(PFC2D)模拟试验,分析其力学性能变化趋势,并且探究尾砂颗粒间受力传力和颗粒运动的演变。试验结果表明:加固尾砂峰值应力随着干湿循环次数增加而逐渐递减,但是其峰值应力相较于原状尾砂至少提升2.13倍;在干湿循环作用下,加固尾砂内部力链逐渐加粗,网状粗力链区域增多,且网状粗力链区域发生位置变化;试样破坏碎片数量随循环次数增加而增加,碎片集中区随着循环进行,从试样下部向上部移动;干湿循环造成尾砂颗粒位移情况发生改变,颗粒不同位移区域增加,并在试样上端产生大量不同位移区域,造成试样上端更容易被破坏。     

固结应力比对不同应力路径下饱和原状黄土孔压特性的影响

对杨凌饱和原状黄土在均压固结和K0固结条件下进行了不同应力路径饱和固结不排水三轴剪切试验,探讨了固结应力比对不同应力路径饱和原状黄土孔压发展特性的影响,提出了饱和黄土的孔压方程。研究结果表明：①当忽略被动压缩应力路径在较小围压开始阶段所产生的极小负孔压值时,均压固结和K0固结饱和原状黄土在不同应力路径下随轴向应变（压缩或挤伸）的增大,孔压均为正值;②应力路径对饱和原状黄土的孔压发展特性有很大的影响,但均压固结时应力路径对孔压特性的影响规律与K0固结时明显不同;③固结围压相同时,固结应力比对孔压发展有显著的影响,且固结应力比对不同应力路径下孔压发展的影响是不同的;④孔压方程的参数随固结应力比及应力路径的变化而变化。     

基于吸应力的非饱和黄土抗剪强度研究

文章通过滤纸法与直剪试验相结合的方法,得到了非饱和原状黄土土水特征曲线和抗剪强度,分析了基于吸应力下的非饱和原状黄土的抗剪强度。试验结果表明:非饱和原状黄土的抗剪强度随基质吸力的增大表现为非线性增大,并逐渐趋于稳定,与土水特征曲线的变化规律基本一致;表观黏聚力随基质吸力的增大表现为非线性增大,尤其在毛细发挥段和水膜吸附段该趋势变得非常明显;表观内摩擦角随基质吸力的增大呈稍微增大的趋势;与表观内摩擦角相比,表观黏聚力的增加幅度较大,因此基质吸力对抗剪强度的贡献更多地体现在表观黏聚力上。通过吸应力概念得到了非饱和原状黄土的表观黏聚力;当土体含水率大于塑限时,基于吸应力公式计算的表观黏聚力与试验结果基本一致;当土体含水率小于塑限时,运用吸应力公式计算的表观黏聚力远远大于试验结果。因此,在含水率较高时,可用吸应力下的抗剪强度公式预测非饱和原状土抗剪强度;在含水率较低时,基于吸应力下的抗剪强度公式是不适用的。     

不同干湿循环路径下盐渍化黄土侧限变形特性研究

针对干湿循环作用下盐渍化黄土侧限变形问题,系统开展了侧限压缩试验及溶陷试验,研究了氯盐盐渍化黄土在不同干湿循环路径、不同干湿循环次数及不同初始干密度下的一维固结压缩特性和溶陷变形特性。结果表明：压实盐渍化黄土的压缩变形随初始干密度的降低而增大,随干湿循环次数和增湿饱和度的增加而增大;土样e-lgp(e为孔隙比,p垂直压力)曲线变化幅度及压缩系数随初始干密度的减小和干湿循环次数的增多而增大;不同干湿循环路径下土样的e-lgp曲线在干湿循环次数低于5次时差异较大,在干湿循环次数达到10次时趋于一致;盐渍化黄土溶陷特性对各类条件的敏感程度依次为增湿饱和度、干湿循环次数、初始干密度。针对不同条件下盐渍化黄土溶陷系数曲线的不同表现形式,建立简易3参数模型,并与试验数据对比,表明该模型能够表征初始干密度及干湿循环次数对溶陷系数的影响规律。研究成果可为盐渍化黄土的干湿循环效应认知提供参考。