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结构性土中圆柱孔扩张不排水解答及结构退化影响分析

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上海交通大学学报 2023年

作者：翟张辉张亚国肖书雄李同录长安大学建筑工程学院长安大学地质工程与测绘学院黄土高原水循环与地质环境教育部野外科学观测研究站

圆孔扩张理论为桩基挤土位移预测和旁压试验结果分析等提供了理论依据，而现有解答中缺乏对土体结构影响的系统分析。基于考虑胶结作用的Cemented-CASM模型，推导了反映土体应力-应变关系的弹塑性刚度矩阵，在此基础上联立硬化法则和大... 详细信息

圆孔扩张理论为桩基挤土位移预测和旁压试验结果分析等提供了理论依据，而现有解答中缺乏对土体结构影响的系统分析。基于考虑胶结作用的Cemented-CASM模型，推导了反映土体应力-应变关系的弹塑性刚度矩阵，在此基础上联立硬化法则和大应变理论，得到了不排水条件下结构性土中圆柱孔扩张问题的弹塑性解答。在不考虑土体结构性时，将退化解答与已有修正剑桥模型解答进行比较；在考虑结构性影响时，与旁压试验数值模拟结果比较，验证了解答的可靠性。通过参数分析说明了结构性及其退化对圆柱孔扩张过程的影响，结果表明：与重塑土相比，结构性土中扩孔引起的有效应力和孔隙水压力更大，而孔周塑性范围更小；随着结构的破坏，孔周土体表现出应变软化特征，径向应力随到孔壁距离的减小呈先增后减的变化趋势；土体结构完全破坏时，其有效应力与重塑土中趋于一致；土体结构性越强，相同扩孔压力或孔径变化下结构退化越快，软化特征越明显。

关键词：圆柱孔扩张弹塑性解答结构性土胶结作用应变软化

结构性土非饱和力学特性试验及其多孔介质力学模型研究

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结构性土非饱和力学特性试验及其多孔介质力学模型研究

作者：邱泽敏湖南大学

学位级别：硕士

近年来结构性土遇水弱化诱发的地下工程灾害屡见不鲜。其主要原因在于未从根本上认清结构性土遇水弱化的机制。结构性是影响土体变形和强度等力学特性的关键因素,主要包含两个方面,即土体的组构和颗粒间联结。其中,颗粒间联结包括粒间... 详细信息

近年来结构性土遇水弱化诱发的地下工程灾害屡见不鲜。其主要原因在于未从根本上认清结构性土遇水弱化的机制。结构性是影响土体变形和强度等力学特性的关键因素,主要包含两个方面,即土体的组构和颗粒间联结。其中,颗粒间联结包括粒间胶结作用和层间相互吸引作用两部分。目前,土体的组构和颗粒间联结分别对结构性土全基质吸力范围内的力学行为的影响尚无系统性研究。针对以上问题本文提出了如下研究方案,首先通过土饼干燥试验研究结构性土非饱和力学特性,然后基于混合物理论建立可描述结构性土全基质吸力范围力学特性的多孔介质力学模型,最终为模拟结构性土力学行为提供一个新思路。本研究的主要成果如下:(1)设计用于研究结构性土非饱和力学特性的土饼干燥试验平台。该平台由数字图像采集系统、湿度调节控制系统、质量监测系统和无侧限压缩系统四个系统组成。其中,湿度调节控制系统可实现目标系统相对湿度在5%～95%内的控制,因而基本可实现土体基质吸力全范围的控制。基于前三个系统可测量土饼的体积,用于绘制收缩曲线;基于后三个系统可测量土饼的应力-应变曲线,用于计算弹性模量并绘制弹性模量特征曲线。因此,该平台基本可实现结构性土在全基质吸力范围力学特性的试验研究。(2)试验研究了三种不同膨胀性的结构性土在非饱和力学特性上的初始干密度效应。通过控制土饼的初始干密度以调整土饼的结构性,并进行一系列土饼干湿循环试验。结果表明:在第一次脱湿过程中,土体初始干密度与土体的最终收缩量成负相关;在第一次干湿循环中,仅有高膨胀性的钙基膨润土的收缩曲线出现回滞圈,且回滞圈随初始干密度增大而减小,而其它土样均无回滞现象。总言之,土体的初始干密度在一定范围内增大,其形变能力减小。(3)试验研究了结构性土非饱和力学特性的颗粒间胶结效应。以花岗岩风化残积土为制样原料,通过掺入不同含量的Fe(OH)凝胶以控制土饼的胶结程度,制备具有不同结构性的土饼,并进行了微观结构观察和一系列力学特性试验。微观结构观察发现:随Fe(OH)凝胶掺入比的提高,土体氧化铁含量增加,而具有胶结效果的氧化铁的含量则是先增后降,即胶结程度先增后降。力学特性试验发现:随着Fe(OH)掺入比的逐渐增加,土饼的整体弹模曲线和和抗拉强度都是先增后降。综合来说,土体弹性模量及抗拉强度与胶结程度成正比。(4)建立了可考虑吸附作用的多孔介质力学模型。现有的非饱和多孔介质力学理论大都基于毛细作用,无法描述低自由能状态(吸附作用主导)下土体力学行为。造成以上问题的根本原因有两点:未考虑层间相互吸引作用以及对吸附所致的孔隙水压的定义不完整。本文非饱和土视为土骨架-毛细水-吸附水-孔隙气四相混合物体系,提出了可考虑吸附作用的多孔介质力学模型,并从该模型中推导出非饱和土的有效应力方程。结果表明:推导出的有效应力方程不仅可进一步推导出Zhang&Lu的统一有效应力方程,还可推导出Bishop有效应力方程与Terzaghi有效应力方程;基于现有全基质吸力范围内的实验数据,验证了该有效应力方程的正确性,进一步证实了提出的多孔介质力学模型在非饱和条件下的有效性。(5)开展了所提模型在结构性土的全基质吸力范围力学行为中的应用。基于本文推导出的有效应力方程,确定结构性土的吸应力曲线,并对比其最小吸应力与巴西劈裂试验获得的抗拉强度的变化趋势;结合结构性土的吸应力曲线和收缩曲线,预测结构性土的应力-应变关系曲线,并对比预测的应力-应变曲线与实测数据。结果表明:土饼最小吸应力的绝对值和抗拉强度具有相同的变化规律,检验了采用吸应力特征曲线表征结构性土强度的可靠性;模型预测的应力-应变关系曲线与实际测量的应力-应变数据高度吻合。

关键词：结构性土多孔介质力学有效应力基质吸力吸附作用

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结构性土一维非线性大应变固结半解析解

岩土力学 2020年第8期41卷 2583-2591页

作者：胡安峰周禹杉陈缘夏长青谢康和浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心浙江杭州310058 浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室浙江杭州310058 浙江大学建筑设计研究院有限公司浙江杭州310028

以结构性较强的天然饱和软黏土为研究对象,考虑了沉积作用对其自重应力的影响,以及压缩性和渗透性的非线性变化,推导了任意加载条件下结构性土一维大应变固结控制方程,并采用半解析的方法对方程进行求解计算。再将其退化为无结构性的饱... 详细信息

以结构性较强的天然饱和软黏土为研究对象,考虑了沉积作用对其自重应力的影响,以及压缩性和渗透性的非线性变化,推导了任意加载条件下结构性土一维大应变固结控制方程,并采用半解析的方法对方程进行求解计算。再将其退化为无结构性的饱和软黏土固结解,与已有的大应变固结解进行了对比,验证了该解的正确性。最后将该半解析解计算结果与小应变固结理论解、不考虑结构性的固结理论解计算结果进行对比分析。结果表明:大应变固结理论的沉降计算值大于小应变固结理论的计算值,且二者的差值随着荷载的增加而增加;当考虑土体的结构性时,地表沉降计算值小于不考虑土体结构性的沉降计算值。

关键词：结构性土大应变非线性固结半解析解

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结构性土压缩曲线的数学模拟

岩土力学 2006年第4期27卷 615-620页

作者：刘恩龙沈珠江清华大学水利水电工程系北京100084

在总结结构性土压缩特点的基础上,以岩土破损力学理论中的弹塑性元(软弱带)为参照状态,通过引入一个可以表征土体结构影响的结构状态参数ψ,建立了结构性土压缩曲线的数学表达式。通过结构性土的单轴压缩试验和等向压缩试验,验证了建议... 详细信息

在总结结构性土压缩特点的基础上,以岩土破损力学理论中的弹塑性元(软弱带)为参照状态,通过引入一个可以表征土体结构影响的结构状态参数ψ,建立了结构性土压缩曲线的数学表达式。通过结构性土的单轴压缩试验和等向压缩试验,验证了建议的模型可以较好地模拟结构性土的压缩变形特性。由于建议的表达式可以反映结构性土的压缩曲线在e-ln p′坐标中的非线性,对于结构性土的沉降计算有一定的理论意义。

关键词：结构性土破损力学压缩性

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结构性土UH模型

岩土力学 2015年第11期36卷 3101-3110,3228页

作者：祝恩阳姚仰平北方工业大学土木工程学院北京100144 北京航空航天大学交通科学与工程学院北京100191

在描述重塑土的统一硬化模型(UH模型)基础上,以动态地移动正常固结线(MNCL)代替静态的正常固结线(NCL)作为参考线来确定参考应力,将土的结构性衰减体现在MNCL的演化中,从而把UH模型扩展为可考虑土结构性的结构性土UH模型。结构性土UH模... 详细信息

在描述重塑土的统一硬化模型(UH模型)基础上,以动态地移动正常固结线(MNCL)代替静态的正常固结线(NCL)作为参考线来确定参考应力,将土的结构性衰减体现在MNCL的演化中,从而把UH模型扩展为可考虑土结构性的结构性土UH模型。结构性土UH模型可以合理地并连续光滑地描述结构性土的等向压缩规律、应变硬化、应变软化、剪切体积收缩、剪切体积膨胀、不排水剪切减压软化以及结构性和密度耦合影响等力学特性。相比于UH模型,结构性土UH模型新增3个参数,分别用于描述结构性的程度、衰减速度、以及塑性流动规律。通过3种天然土的试验结果与模型预测对比验证了结构性土UH模型的合理性。

关键词：结构性土移动正常固结线本构模型结构性衰减 UH模型

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结构性土的微观破损机理研究

岩土力学 2007年第8期28卷 1525-1532,1550页

作者：李建红沈珠江清华大学水利水电工程系/水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084

在前人研究的基础上,针对凸多面体相互接触的性质,推导了三维状态下的微观接触力和宏观应力的关系,并应用于结构性土的研究中。对结构性土,采用以土颗粒之间的胶结和组构为基本研究对象的研究方法,在二元介质理论框架内推导出结构性土... 详细信息

在前人研究的基础上,针对凸多面体相互接触的性质,推导了三维状态下的微观接触力和宏观应力的关系,并应用于结构性土的研究中。对结构性土,采用以土颗粒之间的胶结和组构为基本研究对象的研究方法,在二元介质理论框架内推导出结构性土破损规律及迭代公式,提出3种破损方式(剪碎、压碎、混合型),同时推导了宏观的柔度张量;对各向同性的结构性土,在球应力加载条件下的破损规律以及变形规律进行了研究,得到了解析解,简单分析的结果与实际相符。

关键词：结构性土微观接触力组构破损规律

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结构性土固结不排水剪特性的一种描述方法

岩土力学 2010年第7期31卷 2035-2039页

作者：王常明匡少华王钢城邢玉东吉林大学建设工程学院长春130026 辽宁省交通规划设计院沈阳110005

针对结构性土的固结不排水剪性状,提出一种基于扰动状态概念的描述方法。通过三轴固结不排水剪试验,分析了结构性土固结不排水剪切过程中的剪应力、孔隙水压力与轴向应变的关系特点。根据扰动状态概念的原理,采用邓肯-张的非线性弹性模... 详细信息

针对结构性土的固结不排水剪性状,提出一种基于扰动状态概念的描述方法。通过三轴固结不排水剪试验,分析了结构性土固结不排水剪切过程中的剪应力、孔隙水压力与轴向应变的关系特点。根据扰动状态概念的原理,采用邓肯-张的非线性弹性模型描述相对完整状态的应力-应变关系,用孔隙水压力作为参量定义了一个新的扰动函数,构建了一种描述结构性土固结不排水剪性状的本构关系。经验证,模型计算结果与试验数据吻合较好,可统一描述应变软化型和应变硬化型应力-应变关系。

关键词：结构性土固结不排水剪试验扰动状态本构模型

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结构性土压缩变形本构描述

岩土力学 2015年第7期36卷 1915-1922页

作者：祝恩阳姚仰平北京航空航天大学交通科学与工程学院北京100191

在孔隙比与应力半对数坐标中,重塑土等向压缩线通常从正常固结线(NCL)下方逐渐趋近于NCL,整个过程中压缩线切线斜率大小单调增大。而对结构性土进行等向压缩时,因结构性的存在,压缩线会首先越至NCL之上,而后再从上方逐渐趋近于NCL,整个... 详细信息

在孔隙比与应力半对数坐标中,重塑土等向压缩线通常从正常固结线(NCL)下方逐渐趋近于NCL,整个过程中压缩线切线斜率大小单调增大。而对结构性土进行等向压缩时,因结构性的存在,压缩线会首先越至NCL之上,而后再从上方逐渐趋近于NCL,整个过程中压缩线切线斜率先增大后减小。重塑土与结构性土压缩线切线斜率演化在单调性方面的差异,可通过数学上增量函数构造的方法加以实现。如果在平面直角坐标系中以一水平线作为参考线,描述一过原点的函数曲线,使其上任意一处的切线斜率由该处函数值与参考线函数值的差决定,则参考线是否移动决定了所描述函数切线斜率演化的单调性。受此启发,在孔隙比与应力半对数坐标中提出移动正常固结线(MNCL)的概念。用MNCL代替NCL作为参考线,结合统一硬化模型(UH模型)的理论框架,建立了结构性土压缩变形的本构描述。

关键词：结构性土压缩移动正常固结线增量曲线本构模型

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结构性土强度准则探讨

工程力学 2007年第2期24卷 50-55页

作者：刘恩龙沈珠江清华大学水利水电工程系北京100084

基于岩土二元介质模型思想,建议了一个适用于结构性土的强度准则。结构性土的土工特性与重塑土的有很大的区别,强度变化规律方面也不例外。已有的强度准则是建立在重塑土或扰动土的基础上的,它们不能很好的反映结构性土的强度变化规律... 详细信息

基于岩土二元介质模型思想,建议了一个适用于结构性土的强度准则。结构性土的土工特性与重塑土的有很大的区别,强度变化规律方面也不例外。已有的强度准则是建立在重塑土或扰动土的基础上的,它们不能很好的反映结构性土的强度变化规律。在大量的结构性土强度试验资料的基础上,分析了结构性土的强度变化规律和机理,基于考虑结构性岩土材料破损机理的二元介质模型概念,通过引入随应力状态变化的剪切抗力分担率参数,建立了结构性土的强度准则,并对准则中参数的变化对强度规律的影响进行了分析。最后,通过两种结构性土Lacustrine clay和Louis clay的固结不排水强度试验进行了验证,验证表明所建议的准则具有较好的适用性。

关键词：岩土工程强度准则二元介质模型结构性土剪切抗力分担率