掺Fe和V的金红石电子结构的第一性原理计算研究

掺Fe和V的金红石电子结构的第一性原理计算研究 ( )Vol, 43 No, 4第 43 卷 第 4 期四 川 大 学 学 报 工 程 科 学 版 JOURNAL OF SICHUAN UNIVERSITY ( ENGINEERING SCIENCE EDITION) 2011 July 2011 7 年 月 1009-3087( 2011)0 4-0052-05:文章编号 掺砾黏土蠕变性质的三轴试验 1，2 2 * 2 2 ，，，鹏詹传妮张建卫王琛何 ( 1, 四川大学 水力学与山区河流开发保护重点实验室，四川 成都 610065; 2, 四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065) 、，:摘 要为分析掺砾量围压和应力水平对掺砾黏土蠕变性质和规律的影响对以不同黏土和砾混合比备制的掺砾 。30% 、40% 、50% 70% ，黏土进行了不同围压和不同应力水平下的三轴排水蠕变试验土样掺砾量分别为 和 试验围 : 200 kPa，0, 21 : 1, 04。，50 应力水平试验结果表明掺砾黏土受荷后发生较明显的瞬时变形和蠕变变形其蠕变 压 ; ，。蠕变变形随应力水平和围压的增大而增大随掺砾量的增加而减小提出一个三参数经验 变形将趋于一稳定值 ) ) ) ) ，蠕变方程以表示掺砾黏土的应力水平 轴向应变 时间关系其中轴向应变 时间关系和应力水平 轴向应变关 。 系以双曲线方程表示 ; ; ; :关键词黏土砾蠕变双曲线方程 :TU411, 3:A中图分类号文献标志码 Ceep Popeties of Clay Mixed with Gavel in Tiaxial Testsrrrrr1，2 2* 2 2WANG Chen，HE Peng，ZHAN Chuan-ni，ZHAN Jian-wei ( 1, State Key oHfy draulics and Mountain River，Sichuan Univ, ，Chengdu61006 5，China; 2, School of Hydraulic and Hydroelectric，Sichuan Univ, ，Chengdu61006 5，China ) Abstact: In order to study the effecgrtsav eol f contents，confining pressures ansdtr ess level on creeppr operties and laws of clay mixed r with gravel，drained triaxial creep tests undeirff edrent confining pressures ansdtr ess level werec arried out forc lay-gravel mixtures with different mixture proportions, The gravel contents were 30% ，4，05%0 % and 70%， respectively, The confining pressures wereloa ded from 50 to 200 kPa and tshtere ss levels werev aried from0 , 21 to 1, 04, Testr esults indicated that instantaneous and creep edformation would take place evidently for clay mixed with gravel after being loaded, The creepst rain would prone to sata bilizing value finally, The creeps train of clay mixed with gravel decreases with the increase of gravel contents，anidn creases with the increase of confining pres- sures ansdtr ess level, An empirical creep ufnction including three parameters was presendteescdr ibtoe the stress level-axial strain- time behavior of clay mixed with gravel, The axial strain-time and stress level-axial strain behavior can be denotweidth hyperbolic func- tions, Meanings of parameteinrs this model werea nalyzed and thev alues of parameters rfoocrk fill were determined, Key words: clay; gravel; creeph; yperbolic functions ，，随着设计理念和施工技术的进步黏土和砾混效应而心墙拱效应又是此类设计和运行中重,5,，合备制的掺砾黏土广泛应用于各类工程中如用作 ; ，点考虑的问对路基工程掺砾黏土的蠕变将 ,1,,2 ) 3, 、心墙堆石坝的心墙防渗料道路的路基填料; ，引起较大的工后沉降对边坡工程滑带土的流变将 ，等且很多古滑坡砾质滑带土亦属掺砾黏土范 。，引起古滑坡的长期变形甚至失稳因此掺砾黏土 ,4,。。的流变性质是土力学的重点研究课题 畴该类土的流变特性在某些情况下会引发一 ，，在掺砾黏土或与其性质相近土类的流变性质研 些工程问题如对高心墙堆石坝工程掺砾黏土用作 ,2,，心墙防渗料时其蠕变性导致心墙部位变形持续增 ，6 究方面韩世莲等进行了 种不同成分土和碎石 ，，大应力松弛效应导致应力减小二者皆增大心墙拱 ，混合料的压缩蠕变试验表明碎石土的蠕变是不容 ，忽视的尤其对于土石比较大与压实度较小的填筑 ,3, 。体更是如此严秋荣等对红层软岩土石混合料 ) 01 ) 13:2010 收稿日期的长期蠕变试验表明细粒含量是影响其长期蠕变性 ( 50909068):基金项目国家自然科学基金资助项目 :( 1977 )) ，，，, : 作者简介王 琛男副教授博士研究方向粗粒土 ,6,, E-mail: cwang@u s, cedu, cn 的本构模型与数值模拟 。能的主要因素韩爱果 等对滑带土的蠕变特性* E-mail: hepeng@sc u, edu, cn通讯联系人 。与强度亦进行了相应研究 =; 2) ε固结排水剪切试验偏应力峰值或轴向应变 掺砾黏土的流变研究较少影响掺砾黏土流变性 a ，、、、质的因素众多如矿物成分干密度围压应力水 15% 。: 1) 对应的偏应力试验设计如下对掺砾量分、，; 3 ) 平掺砾量等这方面尚缺少深入研究在掺砾黏 30% 、40%、 50% 70% ，别为 和 的掺砾黏土进行 σ 3，土的流变机理方面其流变取决于细粒抑或是 = 200 kPa ; 2 ) 下的三轴排水蠕变试验选取掺砾量，。砾石材料尚需研究探讨而随着掺砾黏土的广泛 40% 的掺砾黏土进行不同围压下的三轴排水蠕变试 ，、应用对于掺砾黏土的流变性质机理和规律等方面 ，50 、100 200 kPa。验其中 σ分别为 和 3 。的研究也尚需加强 试验仪器为应变式三轴仪自主改装的三轴流变 作者进行了不同围压和不同应力水平下饱和掺 。101 mm，200 mm，仪圆柱形试样直径 高 为保证试 ，、砾黏土的排水三轴蠕变试验以分析掺砾量围压和 5 。样均匀性分 层击实成样试样采用真空与水头联 ，应力水平对其蠕变性质及规律的影响并试图建立 ，24 h 。合法饱和固结 后进行试验蠕变试验采用分 。经验蠕变方程 ，: 1 ) 级陈氏加载法进行试验程序如下以较快的轴 D; 2) 向荷载速率加载至预定的应力水平 保持荷载 ，t ，1稳定测定随时间 变化的轴向变形和体积变形并 试验 ，; 3 ) 根据面积校正微调荷载保证应力水平恒定加 ，土料采用两河口心墙防渗料为板岩砾和黏土4 320 min ; 4 ) 载 后结束本级蠕变试验继续加载至 。2, 72; 5 mm，混合料黏土土粒比重为 最大粒径 砾 ，2) ) 3) 下一级应力水平并重复步骤 直至加载级数 8% 、47, 6% 、21% 、23, 4% ; 粒占 砂粒 粉粒 粘粒 液 。14? : 15? 。26, 2% 、14, 2% ，12, 0，完成或试样破坏试验水温 试验编号 限 塑限 塑性指数 分类定名为 ,9,CL。2, 75; 低液限黏土 板岩砾颗粒比重 最大粒 q、D 1。 P 、、和制样干密度详见表 试及其对应的 σ 5 320 mm，97% ，3% 。径 砾粒占 砂粒占 TC30) 201 30% 、200 kPa、验编号 表示掺砾量 围压 P、D作者主要分析掺砾量 围压 σ和应力水平 5 3 1 ，。第 级应力水平其他编号依此类推 1表 蠕变试验数据汇总表 Tab, 1 Summary of creep test data )1 /Pρ/( T ) /? ε/ε/ε/ /ε σ q / T / d 5 ai ac au 3 au 试验编号D)3 )4 )1 kPa min % kPa % % % ( gcm ) ?( 10 min ) ? TC30 ) 2012, 140, 210, 350, 070, 4211, 43, 730200118TC30 ) 202 2, 14 0, 41 0, 83 0, 20 1, 03 12, 6 8, 1 30 200 231 TC30 ) 203 30 2, 14 200 400 0, 71 2, 57 0, 39 2, 96 6, 9 42, 9 TC30 ) 204 2, 14 0, 89 5, 93 0, 91 6, 85 6, 8 101, 0 30 200 502 TC40 ) 51 2, 15 0, 25 0, 14 0, 03 0, 17 15, 0 1, 1 40 50 68 TC40 ) 52 2, 15 0, 50 0, 29 0, 08 0, 36 12, 5 2, 9 40 50 135 TC40 ) 53 2, 15 0, 75 0, 50 0, 16 0, 66 12, 8 5, 2 40 50 203 TC40 ) 54 2, 15 0, 95 0, 77 0, 40 1, 17 22, 1 5, 3 40 50 257 TC40 ) 101 2, 15 0, 25 0, 14 0, 04 0, 18 14, 2 1, 2 40 100 100 TC40 ) 102 2, 15 0, 50 0, 31 0, 08 0, 39 12, 0 3, 2 40 100 200 TC40 ) 103 2, 15 0, 75 0, 58 0, 23 0, 80 22, 4 3, 6 40 100 300 TC40 ) 104 2, 15 0, 95 1, 15 0, 43 1, 58 17, 6 9, 0 40 100 380 TC40 ) 201 40 2, 15 200 156 0, 25 0, 40 0, 09 0, 49 11, 1 4, 4 TC40 ) 202 2, 15 0, 50 1, 08 0, 19 1, 27 7, 6 16, 6 40 200 311 TC40 ) 203 2, 15 0, 75 2, 57 0, 25 2, 82 5, 3 52, 7 40 200 467 TC50 ) 201 2, 16 0, 31 0, 31 0, 07 0, 37 15, 2 2, 4 50 200 218 TC50 ) 202 50 2, 16 200 389 0, 55 0, 68 0, 13 0, 81 10, 7 7, 6 TC50 ) 203 2, 16 0, 82 2, 26 0, 38 2, 65 8, 2 32, 2 50 200 583 TC50 ) 204 2, 16 1, 04 6, 49 0, 97 7, 46 6, 6 112, 9 50 200 739 TC70 ) 201 2, 17 0, 21 0, 14 0, 01 0, 16 4, 9 3, 2 70 200 221 TC70 ) 202 2, 17 0, 41 0, 25 0, 03 0, 28 6, 7 4, 3 70 200 442 TC70 ) 203 2, 17 0, 62 0, 40 0, 07 0, 47 9, 0 5, 2 70 200 664 TC70 ) 204 70 2, 17 200 885 0, 83 0, 67 0, 26 0, 92 17, 8 5, 2 2试验结果及分析 试验采用分级加载方式得到不同围压下不同掺,10,，砾量掺砾黏土分级加载蠕变曲线采用陈氏法处 40% 理后得分别加载下 掺砾黏土在不同围压下和 200 kPa 不同掺砾量掺砾黏土在 围压下的轴向应变 =)t 1 = 40% ，2。Pε关系见图 和 掺砾黏土在 σ a 5 3 200 kPa 1( c)， ，D = 0, 95 的试验数据见图 其中下试 ，。验加载后迅速破坏未测得试验数据 2 t 图 不同掺砾量掺砾黏土轴向应变 ε与时间 关系 a strain-time relations of clay mixed withAxial Fig, 2 different gravel content ，由于本次蠕变试验加载速率较快在初始时刻 ，孔隙水压力未完全消散故需确定蠕变变形起始时 ,11,。min 60 间于浩等对堆石料选取 作为蠕变变形 ，。，起始时间但缺乏理论依据对固结排水剪切试验 ,9, 吉甫逊建议剪切破坏历时的理论公式为 2 ( 1)U= 1 )h / Ctη f v f U; h ; C，式中为试样的平均消散度为排水距离为 f v ; t，消 散系数为破坏历时即达到相应消散度所需 f ; ，时间η 为取决于排水条件的系数两端排水时取 2 3, 0。U/ s，h = 10 cm，若取 = 0, 97，C= 0, 3 cm得 fv 1 40%t 图 不同围压下 掺砾黏土轴向应变 ε与时间 关系 a t= 61min。，( )鉴于此定义瞬时应变 弹塑性应变 f strain-time relations of clay mixed withAxial Fig, 1 min ，60 为加载起始时刻至荷载稳定 内的应变其后gave content o f 40 pecent unde dffeent rlrrir 4 320 min 。至 产生的为试验条件下得到的蠕应变confining pressures 1。各试验条件下的和详见表 、。形阶段衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段衰减蠕变1。。可知 ε随应力水平的增大逐渐增大见表 au ，，阶段蠕应变增长迅速但其增长速率逐渐衰减约在 240 min 。后进入稳定蠕变阶段并渐渐趋于一稳定值 ，对任一掺砾量的掺砾黏土瞬时应变和蠕应变 。，受围压和应力水平影响明显相同围压时瞬时应 ，变和蠕应变随应力水平的增大而增大相同应力水 ，。平时随围压的增大而增大 ，在相同围压和应力水平条件下随掺砾量的增 ，。加瞬时应变和蠕应变皆减小掺砾黏土属宽级配 ,12,，30% :5 0% ，砾石土对 掺砾量掺砾黏土砾石颗 ，，粒形成骨架细粒黏土能够密实充填孔隙形成骨架 ,1 3, ) ， = 50 kPa)密实结构此时砾石和细粒黏土共同对掺砾 40%t / ) t 3(图 掺砾黏土 ε关系σ a 3 ,14,。，黏土的蠕变起作用随掺砾量的增加瞬时应变 Fig, 3 t / ) t eations of cay mixed with gave con-rllrlε a ，。70% tent of 40 percent under the confining pressure 和蠕应变逐渐减小但减幅较小当掺砾量达 of 50 kPa ，，) 时细粒黏土不再能够密实充填孔隙形成骨架 空 ,13,。隙结构此时对掺砾黏土力学性质起决定作用 ( 4) :由式得 ,14,。的是形成骨架的砾因砾类无粘性颗粒材料流 ε ε T au a，，变机理主要为颗粒破碎且本次试验围压较小砾石 ( 6) == ε au t02t0? ? T ( T + t) t ，/ T )t ，可知ε表示 ε曲线的初始斜率为初始时 au a ，，刻轴向蠕应变增长的速率即初始蠕应变率其值见 :，30%颗粒破碎理应不明显故其蠕变量相对于 50% 。掺砾黏土迅速减小 1。。D表 可知初始蠕应变率随应力水平增大而增大 ) ，ε关系可用双曲线方程表示有 au 3 经验蠕变方程 aD = ( 7)ε au 1 )b D，t D一般认为轴向应变 ε是时间 和应力水平 a ,1 5 ) 1 6, 或，:的函数可表示为 / D = a + b( 8)εε au au = f( D) Gt() ( 2)ε ab / D ) ，a ，式中和 为方程参数分别表示 εε曲线 au au f( D) G( t) ，D t 。和 分别为 和 的函数式中。4 / D ) 的截距和斜率图 给出了各条件下的 εεau au G( t) )t ，时间函数 表示 ε关系可以选用不同 a ) ，D 曲线表明以双曲线方程表示 ε关系是合理 ，、au 的函数形式包括幂函数对数函数和双曲线函数 。4 ，b ，。， 的由图 可知各曲线斜率 值相差不大取值范 等因掺砾黏土的蠕变曲线最终将趋于一稳定值 ，而幂函数和对数函数所得变形随时间增大较快与 0, 52 : 0, 89，0, 72。围 平均值 ,1 0,，，试验结果不符故选用双曲线函数即 t = f( D)( 3)ε a T + t ，T ，min。t ，令 式中为方程参数单位取用 $ 则 ? = f( D)f( D) ，，表示 ε的渐进值以 ε表即 ε a au ta$ ? ( 3) ，示则可将式改写为 t = ( 4)εε au a T + t 或 ( 5)t / = T / + t / εεε a au au / D ) 4 图 掺砾黏土 εε关系曲线 au au T / 1 / t / )t ，可知ε和ε分别为 ε关系曲线的截距和 au au a Fig, 4 / D ) relations of clay mixed with gravelεε au au 。3 40% = 50 kPa 斜率图 给出了 掺砾黏土在 σ时的3 2004，25( 11: )184 9 ) 1854, , ( 7) ( 4) ，将式代入式得三参数经验蠕变方程表,5,ZhangJ ibao，Chen Wuyi，LI Yonghong, Analysis of core arc- ) ) :示轴向应变 应力水平 时间关系如下 hing effect ofh uSangjiangkou earth-rockfill dam,J,, Rock aDtand Soil Mechanics，2008，29( Supp) : 18)5 18 8, ,， 张继宝 ( 9)= ?ε a 1 )b DT + t，，, ,J,, 陈五一李永红等双江口土石坝心墙拱效应分析岩 ) )，2008，29( ) : 185) 188, ,该方程应力水平 轴向应变关系和轴向应变 增 土力学 ，a、b、T 3 ，时间关系皆采用双曲线函数仅有 个参数 ,6,Han Aiguo，Nie Dexin，Ren Guangming，et al, Study ons hear rheologic behaviors of soil in slip zone of laa rge-scale land- 。应用简便 slide,J,, Journal of Engineering Geology，2001，9( 4) : 345) 348,,，，，, 韩爱果聂德新任光明等大型滑坡滑带土剪切流 4结语,J,, ，2001，9( 4) : 345 ) 348,, 工程地质学报变特性研究 ,7,, ,M,, : 孙钧岩土材料流变及其工程应用北京中国建筑 1) ，荷载施加后掺砾黏土发生明显的瞬时变形，1999, 工业出版社，。和蠕变变形且蠕变变形将趋于一稳定值可将轴 ,8,AugustesenA ，Liingaard M，Lade P V, Evaluation of time- 、3 。向变形分为瞬时变形衰减蠕变和稳定蠕变 阶段 dependent ebhaviour of soils,J,, International Journal of 2) ， 给出了各试验条件下的瞬时应变和蠕应变Geomechanics，2004，4( 3) : 137) 156, ; 在相同围压下二者随应力水平的提高而增大相同 ,9,, SL237—1999 ,S,,南京水利科学研究院土工试验规程 。应力水平时随围压的增大而增大 : ，1999,北京中国水利水电出版社 3) : 50% 30% ，对 掺砾量掺砾黏土砾石和黏土 ,10,Lu Pingzhen，Zeng Jing，Sheng Qian, Creep tests soonft ，共同对掺砾黏土的蠕变起作用瞬时应变和蠕应变 clay and its empirical models,J,, Rock andS oil Mechanics， ，。随掺砾量的增加逐渐减小但减幅较小当掺砾量 2008，29( 4) : 104)1104 5, ,，，, 卢萍珍曾静盛谦软黏土 70% ，达 时对掺砾黏土力学性质起决定作用的是形 ,J,, ，2008，29 蠕变试验及其经验模型研 究岩 土 力 学，30% :5 0% 成骨架的砾其蠕变量相对于 掺砾黏土 ( 4) : 104)1 104 5, , ,11,Yu Hao，Li Haifang，Wen Yanfeng，eat l, Study ont riaxial 。迅速减小 creep test foJriu dianxia rockfill materials,J,, Rock andS oil 4) 提出一个三参数经验蠕变方程以表示掺砾 Mechanics，2007，28( Supp) : 10)310 6, ,，，于浩李海芳温 ) ) ，黏土的应力水平 轴向应变 时间关系其中轴向 ，, ,J,, 等九甸峡堆石料三轴蠕变试验初探岩土力 彦锋) ) 应变 时间关系和应力水平 轴向应变关系皆用双 ，2007，28( ) : 103) 106, ,增 学。曲线函数表示 ,12,Chen Zihbo，Zhu Jungao，WanQg iang, Compaction property :参考文献 of wide grading gravely soil,J,, Chinese Journal of Geotech- ,1,Zhang Kunyong，Zhu Jungao，XWiauo ming，et al, True rtiax- nical Engineering，2008，30( 3 ) : 446 ) 44 9, ,，陈至波朱俊 ial test on lacy mixed with gravel underc omplex stress state ，, ,J,, 王强宽级配砾质土压实特性试验研究岩土工 高,J,, Rock andS oil Mechanics，2010，31( 9) : 279)9 2804, ，2008，30( 3) : 446) 449, , 程学报,，，，, 张坤勇朱俊高吴晓铭等复杂应力条件下掺砾黏土 ,13,DongY un，Chai Hejun, Study one ngineering synthetical ,J,, ，2010，31( 9) : 2799 ) 280 4, ,岩土力学 真三轴试验classification of r ock-soil aggregate mixture,J,, Rock and ,2,Han Shilian，Zhou Huxin，Chen Rongsheng, The creepte sts Soil Mechanics，2007，28 ( 1 ) :17 9 )18 4, ,，, 董云柴贺军土of soil and crushed stonmixet ure,J,, Chinese Journal of ,J,, ，石混合料的工程综合分类法研 究岩 土 力 学 Geotechnical Engineering，1999，21 ( 2 ) : 19 6 )19 9, ,韩世 2007，28( 1:) 17 9) 184, , ，，, 周虎鑫陈荣生土和碎石混合料的蠕变试验研究 莲,14,Vallejo L E，Mawby R, Porosity influence on the s hear ,J,, ，1999，21( 2) : 196) 199, ,岩土工程学报 shrength ogrfa nular material-clay mixtures,J,, Engineering ,3,Yan Qiurong，Deng Weidong, Long-term creep eh abviour Geology，2000，58( 2) : 125) 136, simulating test and research for red bedsoil-sro ck fillings ,15,Lin H D，Wang C C, Stress-strain-time function of clay ,J,, Journal of Chongqing Jiaotong University，2006，25 ,J,, Journal of G eotechnical and Geoenvironmental Engi- ( 4) 4: 0 ) 43, ,，, 严秋荣邓卫东红层软岩土石混合料的 neering，1998，124( 4) : 289) 296, ,J,, ，重庆交通学院学报 长期蠕变性能模拟试验研究,16,Liingaard M，Augustesen A，LadPe V, Characterization of 2006，25( 4:) 4 0 ) 43, , models for time-dependentbehaviour of soils,J,, Internation- ,4,Liu Xiaoli，Deng Jianhui，Li Guangtao, Shear strengthr opp- al Journal of Geomechanics，2004，4( 3) : 157) 177, erties of slip soils of landslides: an overview,J,, Rock and ()编辑 陈晓红 Soi Mechanics，2004，25( 11) : 1849 ) 1854, ,，l刘小丽邓建 ，, ,J,, ，李广涛滑带土强度特性研究现状岩土力学 辉