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黄土中存在不同规模、不同成因、不同性质和不同时期的裂隙,这些裂隙可以互相穿插、切割构成立体的裂隙网络系统。黄土裂隙面是分割黄土的结构面,是侵蚀土壤、洞穴的优势面,是孕育地质灾害的控制和分离面,是地下水的运移通道和储存场所,对于工程裂隙性黄土体,还会引起相应的工程地质和岩土工程问题。
本文通过野外调查、室内和现场试验、理论分析和数值模拟相结合的方法,对黄土裂隙(缝)的发育特征、裂隙性黄土的力学特性、变形破坏机理、本构模型以及裂隙性黄土体的工程灾害效应等进行了系统的研究,加强该方面研究工作具有重要的科学和工程实践意义。
本文的主要成果有:
(1)对黄土裂隙进行了综合分类,总结了自然营力作用下黄土裂隙的发育特征及其在黄土高原地区的分布规律;基于黄土的沉积环境,从动态过程出发,讨论了黄土垂直节理形成原因的继承性。
(2)对不同性质的裂隙性黄土进行了综合试验研究。
通过侧限压缩试验和直剪试验,对无裂隙原状黄土、裂隙性黄土和裂隙充填物的压缩性、结构强度和抗剪强度进行了对比;
改装了便携式直剪仪,量测了大尺寸裂隙性黄土在分级加载、连续加载和剪切带的分级加载方式下的抗剪强度,并对试验结果进行了对比分析;通过三轴压缩试验,研究了裂隙性黄土中母土的力学性质、含水量、原裂隙的类型及角度、裂隙充填物的性质和围压等所引起的力学效应;
对同种裂隙性土样的三轴剪切强度与莫尔-库仑强度准则进行了对比,发现多数裂隙性土样的破坏强度不符合莫尔-库仑强度准则。
(3)根据裂隙性黄土的三轴压缩试验结果,总结了裂隙性黄土的整体变形方式、破坏类型和破坏方式,概化了裂隙性黄土的变形破坏力学模式和材料类型,分析了裂隙性黄土的力学性质、含水量、原裂隙的类型及角度、裂隙充填物的性质和围压等所引起的变形破坏效应。
通过网格标记法,量测了裂隙土样中裂隙的局部变形,发现裂隙的局部变形特征决定了土样的整体变形,裂隙性黄土的变形方式决定了土样的破坏方式。
(4)根据魏汝龙-Khosla-wu模型的椭圆屈服函数,推导了黄土和裂隙性黄土二元介质模型的本构关系,利用重塑土的双曲线应力应变关系,建立了三轴压缩条件下黄土和裂隙性黄土的二元介质模型,并将模型的计算结果与试验结果进行了对比。
结果显示,裂隙性黄土的二元介质模型能模拟裂隙性黄土的不同材料类型及其应力应变特性。
(5)对黄土体的结构面进行了综合分类和分级,划分并描述了黄土体的结构类型及特征,总结了黄土结构面或结构体的灾害效应以及受结构面或结构体控制的黄土体崩塌、黄土体滑坡和黄土洞室围岩的破坏模式,分析了拉张型地裂缝的形成机理及裂缝带遇水反复开裂的原因。
(6)通过三维有限元数值模拟,分析了隧道区间通过地裂缝(带)的裂隙性黄土体一隧道衬砌结构的相互作用,探讨了地裂缝的活动性及其活动程度、地裂缝走向与隧道轴向的夹角关系、不同的地裂缝剖面形态以及地裂缝(带)的不同强度参数引起裂隙性土体和隧道衬砌变形破坏的工程效应,并据此提出了隧道区间通过裂缝带的隧道结构及其防护措施建议。