德州地区土体固结过程微观结构的显微观测分析

土体的宏观工程力学性质受土体微细结构状态和变化规律的影响,其复杂的物理力学特性是微细结构特性的本质体现。为探明宏观土体沉降现象背后的本质机理,对德州地区沉降中心附近土体进行钻孔取芯,对五组不同深度土体试样进行不同荷载下的固结试验与SEM电镜扫描试验,探讨不同深度粘性土随着固结压力变化,土体压缩性及其微观结构的变化规律,总结土体微结构特征与微观参数变化特征,以期从细观本质机理上解释德州地区地面沉降的宏观现象。结果表明,随着固结压力的变化,土体的平均颗粒面积呈增大趋势,土体颗粒扁圆度提高。单元体排列概率熵均呈明显下降趋势,土体颗粒与土内孔隙分布定向性提高。不同深度的五组土体孔隙分布分维数均呈下降趋势且最终趋于稳定,颗粒分布分维数则明显上升,土体密实程度提高。     

基于微结构指标主成分分析的沉桩挤土效应研究

前期研究已认识到,土的宏观力学性质及其表现从本质上应取决于土的微观结构。在结构性较强的软土中沉桩,桩周土体内部结构会发生显著变化,土体的强度与变形性质是这种内在变化的宏观表现,研究土体微观结构与宏观力学行为变化之间的关系,对认知土体的力学性质,从微观出发去认识沉桩挤土效应的机理,指导工程实践具有重要地理论和现实意义。本文基于天津滨海地基土实际静压桩工程,在沉桩的不同时刻、沿桩身的不同位置取桩周土体原状土样进行室内三轴固结不排水剪切试验,得到土体强度指标参数,同时进行对应的微观结构试验,得到垂直与水平方向的10个微结构指标。采用主成分分析方法,在微结构指标中提取3个主成分,较好地分析了土体微结构特征。研究表明: 3个主成分与黏聚力之间存在较好的相关关系,而与内摩擦角之间的相关性相对较弱; 第一主成分对各微结构信息的提取比较充分,第二、第三主成分是对第一主成分未反映信息的进一步补充。同时主成分分析表明,土体微结构性质对强度性质起控制作用,在沉桩过程中,近地表和下部土层宏观力学指标表现出了相反的变化规律。主成分分析方法较好地表述了土体的微结构性质,为进一步从微观入手解释沉桩挤土效应机理提供了有力依据。     

上海软粘土微观特性及在土体变形与地面沉降中的作用研究

对上海软粘土的颗粒及集合体成分、孔径分布、微结构、孔隙溶液与阳离子交换性作了分析 ,对固结前后的孔径变化与人工回灌对土体性质可能带来的影响作了探讨 ,从物理化学角度阐述了软粘土微观特性对土体固结变形及地面沉降的影响.     

饱和超固结黏性土的三剪弹塑性本构模型研究

针对饱和超固结黏性土现有下加载面修正剑桥模型中破坏应力比为定值、土体黏聚力为零,以及不能准确反映不同应力状态下土的强度差异这些问题,基于三剪统一强度准则以及应力坐标平移法得到了扩展破坏应力比,其特点是能更好地反映应力状态变化以及土体黏聚力的影响。在此基础上提出了饱和超固结黏性土的三剪弹塑性本构模型,该模型的特点是能描述土体受力时的中间主应力效应,应力区间效应和拉压差影响,同时也能更好地考虑土体黏聚力的影响。基于该模型对ABAQUS软件进行了二次开发,并利用其模拟了饱和超固结黏性土在排水和不排水条件下的真三轴和常规三轴压缩试验特性。对常规三轴压缩条件下土体力学特性作了模拟和试验结果对比。结果表明所提模型能很好地反映不同超固结比下土体的变形、剪胀、孔隙水压力变化特性。     

正常固结原状饱和黏性土的本构模型研究

基于扰动状态概念研究了正常固结饱和原状黏性土的本构模型。其中,相对完整状态采用基于原状黏性土的理想非线性弹性本构模型来表征;完全调整状态则是基于临界状态土力学框架,将修正剑桥模型与三剪强度准则相结合而建立的弹塑性本构模型来表征。为了更好地反映黏性土的黏聚力影响,提出了等量代换法和坐标平移法两种处理方法,并作了对比研究。针对基于临界状态土力学框架和扰动状态概念建立的原状土本构模型为平均应力、广义剪应力与体应变、广义剪应变间的关系且无屈服函数显式表达式,提出了一个将其三维化的方法。三维化后的原状黏性土本构模型为空间内6个应力分量和6个应变分量之间的关系,更便于复杂应力状态下的土体变形分析及有限元编程。为验证模型的正确性,对正常固结江西原状饱和红黏土土样作了固结排水和固结不排水条件下的常规三轴压缩试验和K0固结试验,并与模型计算结果作了对比,结果表明:所提模型能够较好地反映江西原状饱和红黏土的力学和变形特性。另外,用所提模型对江西原状饱和红黏土进行了真三轴压缩数值模拟实验,探讨了中间主应力对其力学和变形特性的影响,结果表明:中间主应力及其影响系数对土的变形、孔隙水压力、强度均有影响;固结不排水条件下,在相同剪应力的作用下,土体剪应变随中间主应力影响系数的增大而减小,在相同轴向应变条件下,孔隙水压力随中间主应力影响系数的增大而增大;固结排水条件下,在相同平均正应力作用下,土体体应变随中间主应力影响系数的增大而减小,在相同轴向应变条件下,土体体应变随中主应力影响系数的增大而增大。     

超固结饱和黏性土的弹塑性本构模型及三轴试验模拟

针对饱和超固结黏性土现有的下加载面修正剑桥模型破坏应力比为定值,不能反映土体在不同应力状态下强度特性存在差异这一问题,为了更好地反映应力状态变化对破坏应力比的影响,基于三剪统一强度准则确定超固结土的破坏应力比。在此基础上得到了超固结土的弹塑性本构模型,该模型的特点是能够描述土体受力时的中间主应力效应、应力区间效应、拉压差影响。基于该本构模型作了常规三轴压缩条件下超固结饱和黏性土的模拟结果与试验结果对比,结果表明:该模型能够反映不同超固结比下土的变形、剪胀、孔隙水压力变化特性和规律。利用该本构模型模拟了排水和不排水条件下的真三轴压缩试验,得到了相应的应力-应变特性曲线。     

原状土e-lgp曲线的S形函数表达及简化加载固结试验方法

为能够较为合理地确定土体压缩参数并简化固结试验加载过程,结合京沪高铁李窑试验段地基原状细粒土样标准固结试验数据,对比分析了多项式和三种S形曲线函数在描述原状土e-lgp曲线发展规律时的差异性,探讨了先期固结压力的合理计算原则,提出了简化加载级数的固结试验方法。结果表明,多项式函数易受数据波动而导致整体拟合偏差,S形曲线函数的待定参数可良好稳定地反映曲线最小曲率半径点和直线段斜率,为较理想的e-lgp曲线数学函数表达式;通过分析Arvidsson法、Gregory法和Casagrande法,确定先期固结压力时的不同取值原则,获得了先期固结压力值的变化区间,提出土体由超固结过渡到欠固结状态时存在正常固结状态带的概念,用于判断土体固结特性较为客观合理;利用土体初始孔隙比和两级或三级荷载下的变形值可确定S形曲线函数待定参数,据此建立了简化加载级数的固结试验方法。上述研究成果可为准确判定土体固结特性、快速获取土体压缩参数提供理论指导。     

循环剪切荷载作用下软土的力学性状研究

利用从现场取得的原状土样,通过室内动三轴试验对循环荷载作用下的变形、孔压和强度特性进行研究。试验研究主要考虑了周围固结压力、循环剪切应力比、荷载频率和循环次数等因素的影响。研究表明,在循环荷载作用下,孔隙水压力和轴向应变均是一个波动上升的过程。当循环应力比增大时,动孔隙水压力变化幅值显著增加,而残余孔压也较大。同时,孔隙水压力值也随着周围压力的增大而明显增大。当作用荷载频率比较大时,需要更多的循环次数才能达到小频率作用荷载能达到的孔隙水压力值。但是,随着循环荷载作用次数的增加,频率对孔隙水压力的影响有减小的趋势。     

制样含水量对软黏土力学特性影响的试验研究

为分析制样含水量对重塑软黏土的力学特性影响,用单向固结仪和三轴仪分别对不同泥浆含水量固结而成的重塑样开展了单向压缩试验和固结不排水剪切三轴试验。试验结果表明,重塑样的初始孔隙比随制样含水量的增大而增大,从而引起压缩曲线的上移以及压缩指数的增大,土体的抗剪强度减小,孔隙水压力增大;但初始含水量对土体的有效应力比和临界状态影响不大;制样含水量对重塑样力学特性的影响的界限含水量约为2.0倍液限含水量。最后,用孔隙指数对试验结果归一化,得到不同初始孔隙比重塑样的压缩曲线和剪切强度可基本归一化为土的固有压缩曲线和固有强度曲线。     

主应力轴旋转对压实黄土动变形特性的影响

实际工程中的地基或路基的土体往往处于复杂初始应力状态,在地震或其他动荷载的作用下会出现变形和沉降,而常规的室内土工试验无法真实再现这种固结应力条件下土的动力特性。通过对原有的DTC 199型周期扭转荷载三轴仪进行简单的改造后可进行土体在主应力轴发生旋转时的压实黄土动变形的试验研究。结果表明,在其他固结条件不变的情况下,初始主应力方向角α对压实黄土的动剪切模量有一定的影响,随着α的增加,动剪切模量有减小的趋势,最大动剪应力也逐渐减小,但是α对最大动剪切模量的影响不太显著。初始主应力方向角α对压实黄土的阻尼比基本没有影响,在λ-lgγd的半对数坐标图中,阻尼比随动剪应变的增加有逐渐增大的趋势,并且表现出较好的相关性。     

正常固结饱和黏性土三剪有限变形弹塑性本构模型研究

基于三剪统一强度准则,利用等量代换法和坐标平移法分别推导出正常固结饱和黏性土的三剪破坏应力比,并将其与修正剑桥模型相结合,得到三剪统一屈服面方程。为反映饱和黏性土的变形非线性及大变形特性,基于有限变形理论,建立了正常固结饱和黏性土的三剪统一有限变形等量代换法和坐标平移法2种弹塑性本构模型。为验证模型的适用性,取江西红黏土制备三种不同压实度的试样,在不同围压下进行常规三轴固结不排水和固结排水压缩试验。将试验数据与本文所提2种有限变形模型及相应的2种小变形模型计算结果进行了对比分析,结果表明,随着变形的发展,有限变形模型相对于小变形模型更接近试验结果,能较好地反映黏性土因高孔隙率（低初始压实度、小围压及压缩变形前期）而产生的大变形特性,虽然小变形模型的计算偏差会随着土样初始压实度和所施加围压的增大而减小,但有限变形模型对不同压实度和围压的计算偏差均相对较小,其中,等量代换法有限变形模型在初始压实度较大或者围压较高时所得计算偏差相对最小。对所提本构模型所做真三轴分析表明,中间主应力影响系数b和初始压实度对土体的强度和变形特性具有一定的影响。主应力差、孔隙水压力和体应变与b值呈正相关性,主应力差与初始压实度呈正相关性,孔隙水压力和体应变与初始压实度呈负相关性。     

动力排水固结法加固吹填黏性土的模型试验研究

为了研究动力排水固结法加固吹填土地基的效果,研发了大比例尺的室内模拟试验装置并开展了试验。重点对夯沉量、土体内孔隙水压力的瞬时和长期变化进行了监测和分析,得到如下结论:夯击产生的能量以波的形式向土体内部传播,由于波的作用造成土体拉伸形成裂隙,这些裂隙成为初期的排水通道; 孔隙水压力的动态变化具有明显的脉动特性,夯击瞬间出现负增长,然后再累积增长; 不同深度土体的孔隙水压力增幅不一样; 土体表面铺设的砂垫层不仅可以用做排水,还可以作为静力荷载,有助于土体的排水固结。     

河北平原地裂缝产生的微观机理研究

分析了降雨和微结构失稳诱发的河北平原地裂缝机制。根据研究发现:(1) 根据近40a来华北平原的降雨量曲线图与地裂缝发生的时间图对比发现地裂缝多干旱年份的6-8月,地裂缝与农业灌溉用水密切相关。 (2)通过微结构突变失稳理论发现当应力状态满足孔隙微结构失稳判别式时,微结构元的变形状态将产生一个"跳跃",即会诱发微结构失稳崩塌。(3)地下水的抽取造成原饱和带土体颗粒之间有效接触力的增加,同时造成地下隐裂隙和空洞的形成。同时灌溉入渗引起的非饱和带土体含水量增加,不仅改变了颗粒的受力情况,更重要的是导致了颗粒间连接刚度的降低,导致微结构的失稳。     

原状黄土显微结构特征与湿陷性状分析

基于原状黄土的显微结构扫描电镜及室内湿陷性试验,分析了黄土的微结构特性和不同压力不同含水量下黄土的湿陷性状及其之间的内在联系,结果表明:随着埋藏深度的增加,由支架大孔微胶结结构逐渐变为镶嵌微孔半胶结结构,支架大孔孔隙发育逐渐变为粒间孔隙发育,再为微孔孔隙发育;黄土在增湿情况下其湿陷系数-压力关系曲线由三部分组成,初始压缩变形阶段,是结构强度发挥阶段,变形较小,黄土微结构没有遭到破坏;曲线第一转折点δs=0.015后,原有结构破坏,微结构发生变化,颗粒重新排列,湿陷速率增大,是湿陷变形主要阶段;达到峰值后,颗粒间形成了新的结构,湿陷变形幅度减小;随着骨架颗粒连接逐渐变为非架空的镶嵌排列,湿陷起始压力及峰值湿陷压力值随着埋藏深度的增加而增加,而峰值湿陷系数和湿陷变形量的压力范围随着埋藏深度的增加而变小;骨架颗粒特征和孔隙特征是黄土湿陷性的内在影响因素,而胶结物的多寡及胶结状态是黄土湿陷性强弱的主要影响因素之一。     

岩土介质参数对圆形衬砌隧道三维瞬态动力响应的影响

研究内源爆炸荷载作用下各参数对"地下生命线"工程动力特性的影响,对其抗爆防爆设计具有重要意义。本文基于已有的饱和多孔介质中圆形衬砌隧道的三维瞬态动力响应解答,利用Fourier和Lαplαce逆变换数值方法,编写计算程序分析了内爆荷载作用下的Biot参数和衬砌参数对动力响应的影响。结果表明:①饱和土环向应力幅值对Biot参数α的改变较为敏感,最大环向应力幅值(α=1.0)约是最小环向应力幅值(α=0.4)的2.4倍;②当M~*0.1时,饱和土体受力状态近似于干孔状态,孔隙水压力趋于0,土体动力响应不再受孔隙水的影响;③黏性耦合参数b~*对动力响应的幅值有较明显的影响,对衰减速度影响不大,但当b~*100时,饱和土的动力响应基本不再受b~*的影响;④衬砌厚度、衬砌与土体的相对刚度对衬砌动力响应影响显著。     

武（汉）广（州）客专武汉-韶关段红黏土工程特性研究

通过对武（汉）广（州）客运专线武汉—韶关段红黏土的工程特性研究,认为该地区红黏土液塑限高,饱和度和孔隙比大;具有较好的力学性能,压实性较低;先期固结压力远大于上覆土层自重压力,具有超固结性,具有“固而不密”特征;红黏土呈现出特殊的“上硬下软”的工程特性,超固结比和先期固结压力随深度增加而减小。这些研究成果为客运专线实体工程的修建提供了重要的指导和依据。     

辽西风积土动应力试验研究

通过对辽西地区风积土动三轴试验, 研究了动荷载作用下辽西风积土的动强度特性和抗液化特性.通过控制不同的动荷幅值、固结比和固结围压等试验条件, 获得了抗震设防烈度为7 度时, 辽西风积土的动应力值和抗液化剪应力比. 利用Excel 软件, 对试验数据进行回归处理, 得到了该土试样的动应力与固结比和固结围压两种因素的经验关系式. 试验和回归分析结果表明, 风积土的动应力与固结比和固结围压成正比. 试验研究了不同固结比条件下辽西地区风积土的液化强度特性, 获得了不同固结比条件下的抗液化剪应力比. 试验结果表明, 风积土的抗液化剪应力随着固结比的增加而增大. 上述试验结果对于辽西地区工程的抗震设计具有重要的指导意义和工程实用价值.     

饱和轴对称黏弹性体的求解

应用Laplace变换和Hankel变换求解Blot固结方程,得出了饱和半无限空间黏弹性体在均布荷载作用下的应力、位移和超孔隙水压力的显式解答。进行Kelvin模型黏弹性算例分析,从而验证了本文理论的准确性和有效性。计算表明：超孔隙水压力随着深度的增长先增加后减小,体积应变在荷载作用初期有明显的增加;随着时间的增长,体积应变的增加速度放缓。     

深埋圆柱形隧洞黏弹性衬砌-土系统稳态振动的解析解

衬砌和土体具有黏弹性性质.将土骨架和衬砌结构视为具有分数阶导数本构的黏弹性体,在频率域内研究了深埋圆柱形隧洞衬砌和土体系统的动力特性.基于黏弹性理论,根据界面连续性条件,分别得到了黏弹性土体和衬砌结构的径向位移、应力等的解析表达式.在此基础上,对比分析了经典弹性土和弹性衬砌系统、分数导数黏弹性衬砌和土体系统的动力特性.考察了土体和衬砌的模量比、衬砌厚度、分数导数阶数、材料参数比对系统动力响应的影响.结果表明:经典弹性土和弹性衬砌系统与分数导数黏弹性衬砌和土体系统的动力特性存在较大差异.随着分数导数阶数的增加,衬砌的径向位移和环向应力幅值明显减小;土体的黏性对系统动力特性的影响大于衬砌黏性的影响.     

不同湿化状态下压实红黏土的压缩特征

为模拟路基土体在不同湿度状态下的压缩特征,以湖南长沙－韶山－娄底高速公路的红黏土路基填料为研究对象,开展吸水自由膨胀、吸水限制膨胀和不浸水等三种湿化状态下的压缩实验研究。本文根据实际应力与固结屈服应力的关系提出确定土体压缩系数的改进方法,并与目前规范中推荐的压缩系数(a_1-2)进行了比较,验证了改进方法更加合理。然后,对比分析不同湿化状态下的压缩指标。结果表明：吸湿后的土体压缩性均大于不浸水土的压缩性;但浸水吸湿限制膨胀和浸水吸湿自由膨胀后再压缩,前者的压缩性要大于后者的压缩性。最后,从孔隙结构的细观角度探讨了固结应力对土体孔隙结构的作用模式,发现固结作用主要影响孔径d>10μm范围内的孔隙分布。