交通荷载作用下安宁地区超固结重塑红黏土的动力特性试验研究

针对中石油云南石化铁路专用线高填路基填料红黏土,通过GDS振动三轴仪进行了一系列不同超固结比、围压、动应力幅值条件下重塑红黏土的循环加载动三轴试验,重点分析了不同因素对该地区超固结重塑红黏土的临界动应力、累积轴向动应变、动弹性模量以及动强度的影响规律。试验结果表明:超固结重塑红黏土在交通荷载作用下的临界动应力随超固结比、围压的增大而线性增大;超固结重塑红黏土的动强度与超固结比、围压成正比关系,循环振动次数对超固结红黏土的动内摩擦角影响较小,而对动黏聚力影响较大。上述试验结果可为该地区超固结重塑红黏土作为路基填料的工程提供一定实用价值。     

K0超固结结构性黏土的本构模型

K₀固结黏土在自然界广泛分布, 其通常同时具有超固结性与天然结构性, 而K₀超固结性又与K₀正常固结性质存在很大差异. 为了有效的描述K₀超固结性质, 在结构性模型基础上, 做了如下三点改进, 使得原模型拓展为同时考虑K₀超固结特性与天然结构性影响的本构模型. (1)引入相对应力比来描述屈服面, 并引入初始各向异性转轴参量ξ来表达初始各向异性对屈服面在p-q空间的位置影响. (2)基于给定的屈服面方程, 推导得到变相应力比参量, 并将变相应力比引入到统一硬化参数中, 利用统一硬化参数可以有效描述初始各向异性固结黏土在剪切加载下的剪缩与剪胀, 应变硬化及软化现象. (3)引入反映结构性胶结强度性质的胶结参量p_e, 并给出p_e随塑性偏应变的衰减演化方程, 利用胶结参量可描述结构性黏土的剪胀特性. 预测与试验结果对比表明, 所提的K₀超固结结构性模型可有效描述K₀超固结黏土的刚度提高效应, 黏土的包辛格效应, 结构性黏土胶结强度的损失现象以及结构性黏土的应变软化现象. 证明了所提模型的适用性以及合理性.      

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。     

岩石的记忆功能及对岩体变形的影响

岩石的记忆功能包括残余应力对材料力学性质的影响, 应力的“冻结”特性和对固结应力的记忆。本文叙述这三类应力的理论基础、力学特性和计算方法, 通过一些工程算例指明其对岩体变形及岩体稳定性分析的重要性。     

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。     

城市“热岛”效应对土体工程性质的影响及其关键科学问题

随着全球气候变暖、城市化进程加快,世界各地大城市的“热岛”效应及其带来的各种环境和生态问题越来越严重。本文从地质环境保护的角度,分析了城市“热岛”效应的成因、特点及其对地质环境的影响,重点讨论了城市“热岛”效应环境中土体工程性质的变化及其带来的各种灾害效应,在此基础上,凝练出了4个关键科学问题,即城市“热岛”效应环境中土体温度场变化规律、土体中水分迁移规律、土体工程性质变化规律以及土体地质灾害效应,并对它们的具体研究内容进行了详细的分析。论文的分析成果对于掌握城市“热岛”效应对土体工程性质的影响,保护城市地质环境和防灾减灾,实现城市的可持续发展具有重要的理论和现实意义。
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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。     

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.     

超固结土的一维固结理论及其试验研究

基于超固结饱和土固结理论,针对变荷载、自重应力分布等条件下提出3了相应的一维超固结土问题的控制方程,总结出六个超固结土的一维线性固结计算参数.并采用半解析法编制了求解该问题的Fortran计算程序.利用GDS高级固结仪对萧山黏土进行超固结土的一维固结渗透联合试验以及一维固结压缩试验,将测定的一维超固结土计算参数引入理论程序中,分别对比了位移、平均固结度、底部孔压这三者随时间变化的理论和试验曲线.结果表明:超固结土的一维线性固结理论比正常固结土的一维线性固结理论更接近试验结果,验证了超固结土的固结理论,表明了考虑土体应力历史对固结计算的重要性.     

工程地质新拓展──地质工程论评

工程地质已进入预测和改造阶段。地质工程是对山体稳定性和区域地壳稳定性进行评价、改造与控制的技术。它的工程对象是复杂地质体。这种地质体处于不断变化过程中。岩体结构控制论、工程地质体控制论和工程地质过程改造与控制论是地质工程的基本理论。地质工程要求地质勘察、设计与施工融为一体，而“设计”是沟通“勘察”与“施工”的桥梁。作者认为，必须尽快开发一套适用性强的地质工程设计支持系统，以弥补在地质工程中，知识偏窄和设计周期过长的缺陷。     

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。     

陕北晋西黄土滑塌灾害的初步研究——以西气东输工程为例

黄土滑塌灾害是黄土高原北部地区的-种特殊斜坡变形破坏类型。由于其突发性和频繁发生的特点, 常造成大批窑洞、房屋倒塌和人员伤亡, 并给该区铁路、公路和长输管道建设造成严重危害。由于黄土滑塌灾害具有“滑坡”和“崩塌”两种机制和“先滑后塌”的变形破坏过程, 以往常把它们作为“滑坡”或“崩塌”来研究。作者通过陕西靖边县至山西蒲县间 30 0km黄土地质灾害的野外调查和室内的微观分析, 发现黄土滑塌灾害的发生主要受黄土粘粒含量的控制, 因此在空间上具有鲜明的地域性:<0.0 0 5mm粘粒含量 <10 %的砂黄土区是滑塌灾害严重发育区; <0.0 0 5mm粘粒含量在 10 %～ 2 0 %之间的典型黄土区是滑塌灾害弱发育区; <0.0 0 5mm粘粒含量≥ 2 0 %的粘黄土区是滑塌灾害不发育区。作者在黄土滑塌灾害产生机理和形成条件研究的基础上提出了相应的工程对策。     

西昌昔格达组粉砂岩动力特性研究

为西昌昔格达组地层场地地震安全性评价提供基础性数据,对西昌经久乡昔格达组粉砂岩进行了一系列动三轴试验.研究结果表明:西昌昔格达组粉砂岩在一定条件下(σ3c=100、200、400 kPa,kc=1.0、1.5、2.0)的骨干曲线符合幂函数模型;动剪应力随着固结围压σ3c或固结主压力比kc增大而增大;在偏压状态下产生相同动剪应变所需要的动剪应力比均压状态所需要的动剪应力大.不同固结应力条件下,动剪切模量随固结压力或固结主压力比增大而增大,随动剪应变增加而减小并趋于稳定;最大动剪切模量Gd0与σ3c/Pa、kc均有良好的幂函数关系.阻尼比随动剪应变增大而增大,但增大幅值随动剪应变增大而迅速减小;阻尼比随围压或固结主压力比增大而减小;不同固结应力条件下(λ/λmax)与(1-Gd/Gdo)有良好的幂函数关系并可归一化处理.西昌昔格达组饱和粉砂岩的动剪应力τd随固结围压σ3c或固结主压力比kc增大而增大,随振动次数增加而减小;τd/σm随固结围压σ3c增大而减小,随固结主压力比kc增大而增大;动剪应力τd与平均压力σm、固结主压力比kc有较好的线性关系.     

考虑Hansbo渗流的砂井地基大变形固结问题

基于Gibson大变形固结理论,通过引入Hansbo渗流模型和软黏土非线性变形特性,同时考虑土层的沉积效应,分别建立了以孔隙比e和超孔压u表示的砂井地基大变形固结方程。通过与已有研究成果的对比,验证了本文方法的可靠性和砂井地基大变形固结方程两种描述方式的等效性。通过FlexPDE得到方程的数值解,在此基础上,研究了砂井地基大、小应变固结理论与Barron固结解的差异性,探讨了Hansbo渗流参数m和I1对砂井地基固结的影响,最后对比分析了砂井地基轴对称固结、径向固结和竖向一维固结的关系。研究结果表明:考虑Hansbo渗流的砂井地基非线性大变形固结模型的固结速率最慢,且在固结后期,Hansbo渗流时大、小应变固结与Barron固结的平均固结度基本趋近;随着Hansbo渗流参数m和I1的逐渐增大,砂井地基的固结速率逐渐降低;随着砂井影响半径的增大,砂井地基轴对称固结与径向固结的差异性也越来越大,且在固结早期会出现一维竖向固结速率高于轴对称固结和径向固结的现象。     

超固结土的一维固结计算参数及其测定

基于超固结饱和土固结理论,针对变荷载、自重应力分布等条件下提出了相应的一维超固结土问题的控制方程,总结出六个超固结土的一维线性固结计算参数.鉴于国内通用的固结渗透试验设备的种种弊端,提出利用GDS高级固结仪对萧山黏土进行一维固结和渗透联合试验,根据对试验数据的整理分析,确定了基于GDS高级固结仪系统的超固结土的一维固结计算参数,为验证超固结土理论奠定基础.     

康定机场地基土特征及其形成机制

拟建的康定机场位于青藏高原东缘、北西向展部的折多山的南西麓,控制标高4232.5m,是仅次于西藏邦达的世界 第二高机场。折多山由一花岗岩基组成,两侧被宽4～5km的巨型第四系坡积裙包围,康定机场位于其南西侧坡积裙上。坡 积裙的岩屑主要是通过崩滑脱离山体的,其演化趋势是完全覆盖折多山。除块石土、碎石土、角砾土及砂土外,地基土中还存 在一种由粒径30～100cm、次圆～次棱角状、表面粗糙的块石组成的特殊块石土,它在平面上有“石窝”、“石窝群”、“石河”及 “石海”等分布形式,垂向分布深度小于2m,其显著的自沉降现象对跑道稳定具有重要影响。特殊块石土是演化到一定程度 的坡积物经潜蚀作用形成的。四类正常土体及特殊块石土均属良好地基,潜蚀是导致其工程特性劣化及沉降的主要因素,地 基排水是今后工程施工的重点。     

基于8节点平面单元的RC梁柱节点单元

为了分析RC框架结构的非线性滞回性能,基于平面8节点单元,本文提出了一个新的针对受循环荷载作用钢筋混凝土的梁柱节点单元．单元中梁与节点交界面和柱与节点交界面被划分成“节点截面”和“梁柱截面”,节点核心区的力学性能由8节点单元描述,而梁柱受力钢筋与节点核心区的粘结滑移由存在于“节点截面”和“梁柱截面”之间的8根弹簧控制,梁柱与节点之间的剪切由4根剪切弹簧表示．单元具有4个外节点和8个内节点,每个内节点具有2个自由度,每个外节点具有3个自由度,该3个自由度与普通梁单元一致,从而确保本单元能够同普通一维梁柱单元一起进行钢筋混凝土结构平面非线性分析．通过将内节点上的自由度依附到外节点上,单元在数值表现上具有4个节点和28个自由度．通过对比试验和模拟分析结果,验证了本模型适合于循环荷载作用下平面框架结构的非线性响应分析．     

土体的本构模型和超重力物理模拟

数值模拟和物理模拟是分析土体沉降和稳定性的主要手段. 本构模型作为描述土体应力应变关系的数学表达式, 是数值模拟的基础. 土体具有碎散性, 这一基本物理特性导致了其具有压硬性、摩擦性和剪胀性, 这是土的力学特性区别于金属的主要特征, 在土体的本构模型中必须反映这3个基本特性. 传统土力学将土体的变形和强度分离考虑, 分别采用弹性理论和基于刚塑性模型的极限平衡理论分析, 虽然应用广泛, 但由于不能全面地反映土的基本力学特性, 计算结果的精度常常难以满足定量分析的需要. 剑桥模型作为第一个全面反映压硬性、摩擦性和剪胀性的弹塑性本构模型, 实现了变形和强度的统一, 能较好地描述饱和正常固结黏土的应力应变关系, 被视为是现代土力学的开端; 统一硬化模型通过引入一个独特的硬化参数进一步发展了剑桥模型, 将适用范围扩大到超固结黏土. 作者认为, 未来岩土体本构模型研究的挑战是: 如何考虑岩土体在受力过程中土骨架相变与多场耦合, 以解决目前本构模型尚无法定量分析的能源、交通、环境和水利相关的重大岩土工程问题. 超重力物理模拟具有缩尺效应和缩时效应, 克服了常重力物理模拟中模型的应力水平低于原型的缺点, 特别适用于大尺度、长历时问题的模拟. 相较数值模拟, 超重力物理模拟的优势在于能够检验本构模型的合理性, 揭示本构模型无法描述的未知特性. 最后, 介绍了采用数值模拟和物理模拟联合分析大直径钢管桩水平受荷特性的工程案例.      

广西靖西红粘土的变形和强度特性研究

对广西靖西取得的3种红粘土原状土样以及室内制备的重塑土样进行单轴压缩试验和三轴剪切试验（包括浸水饱和后的试验）,其目的是研究静力荷载作用下红粘土的固结变形和强度特征。研究表明,在较大的压缩应力作用下,土样仍有较大的孔隙比;红粘土的破坏面为一个曲面变化形态,试样首先沿较为软弱的不规则面发生,然后才形成贯通的滑动面;尽管土样在破坏时出现明显的剪切破坏面（表现为一定的脆性破坏特征）,但其应力应变关系呈现应变硬化的特点,表明红粘土有很强的粘滞特性。