考虑结构性及干湿循环作用的压实黄土力学特性研究

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黄土高原沟壑纵横,填方工程量很大。黄土作为填方应用最广泛的材料,在最优含水率条件下充分压实(夯实)后其强度显著提高,湿陷性降低。由于施工现场条件限制,土在压实时其含水率变化范围往往很大,由此导致的土体结构性及工程性质变化还难以控制。大范围填方工程存在压实度未达到设计要求,再加上降雨入渗和蒸发引起土体受干湿循环的影响,填方工程病害较多,在填方场地浅层工程多发。因此,有必要研究考虑各种不利因素影响的填方土体的工程性质。基于此,本文考虑结构性及干湿循环影响就填方黄土的力学特性开展研究工作。通过土-水特征曲线试验、三轴剪切试验和动三轴试验,研究了不同制样含水率引起的结构性变化对压实黄土土-水特征曲线和力学特性的影响。结果表明:不同制样含水率所导致的结构性差异对压实黄土的土-水特征曲线有显著影响;结构性使压实黄土的力学特性表现出明显的差异性;基于不同结构性压实黄土力学特性定义的三轴剪切结构性参数mεr和动结构性参数mdr反映了压实时黄土含水率不同导致的结构性差异。通过扫描电镜试验研究了不同制样含水率和不同干湿循环条件下压实黄土的微观结构演化特征。在制样含水率相同条件下,随着干密度的减小,压实黄土的孔隙结构由小、微孔隙向大、中孔隙演化。在干密度相同条件下,随着制样含水率的增大,孔隙结构由大、中孔隙向中、小孔隙再到大、中孔隙演化。干湿循环作用下压实黄土中的一些大、中孔隙逐渐向中、小孔隙演化;土颗粒棱边、棱角逐渐减少;干湿循环过程中压实黄土结构损伤和结构压实强化同时发生,临界干湿循环次数是压实黄土整体结构损伤和整体结构压实强化的界限。随着干湿循环次数的增加,压实黄土的三轴剪切强度逐渐减小,再逐渐缓慢增大,最终趋于稳定。临界干湿循环次数nc是强度指标减小和强度指标逐渐增大的分界;建立的分段函数能较好反映强度指标的劣化过程和劣化规律。定义了最劣含水率来评价压实黄土的强度劣化程度,提出了应根据干湿循环作用下土的三轴剪切强度趋于的稳定值来评价填方土体长期运营中的强度问题。干湿循环过程中裂隙的发育是压实黄土强度劣化的主要原因,干缩导致的密实度提高是其强度缓慢增大的主要原因。基于土动三轴试验,研究了干湿循环作用下压实黄土动力特性的变化规律。结果表明:干湿循环作用下压实黄土的动应力-动应变关系符合双曲线模型;动剪切模量随干湿循环次数的增大逐渐减小;阻尼比λ随动应变εd的增大在半对数坐标中呈线性增大;动强度随干湿循环次数的增加先减小再逐渐增大,受干湿循环幅度影响明显。在分析干湿循环作用下压实黄土三轴剪切应力-应变关系和动应力-动应变关系的基础上,定义了干湿循环三轴剪切结构性参数和干湿循环动结构性参数,并验证了其合理性;建立了干湿循环三轴剪切结构性本构关系和干湿循环结构性动本构关系。不同干湿循环条件下利用建立的本构关系得到的计算值和试验值较为一致。进一步利用本文结构性本构关系及参数,对黄土填方工程实例进行了计算分析,揭示出干湿循环影响下填方地基的最终变形量是不考虑干湿循环影响时的两倍左右。
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