基于湿陷及静力特性的非饱和黄土结构强度试验研究

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土体结构性和结构强度的定量化研究是21世纪土力学及黄土力学研究的重要课题,论文以研究较少的新疆黄土为对象,分别对不同含水率的原状样和重塑样进行湿陷性试验和三轴剪切试验。在分析黄土结构性与湿陷系数的关系的基础上,建立基于湿陷系数的黄土结构强度参数模型,并探讨黄土可稳性及可变性的发展规律;通过破损力学模型、综合结构势参数模型对研究区黄土进行结构参数计算,探讨二者对新疆研究区黄土结构性研究的适用性。主要结论总结如下:(1)基于静力势能从“损伤度”角度出发,对湿陷系数与黄土结构性的关系进行分析,认为湿陷附加变形量Δhs p势能上表征了浸水饱和作用导致土体结构强度的损失量。根据湿陷曲线特征将原状黄土的结构损伤过程分为3个阶段。原状、重塑黄土的“可稳性”皆随含水率的增大而减小,原状黄土的“可变性”随含水率的增大而减小,重塑黄土一直保持较小的“可变性”。(2)提出“表观结构强度”的概念:即在水和压力的共同作用下浸水饱和后结构强度损失的大小程度;建立基于湿陷系数的黄土结构强度模型,单位体积土体的表观结构强度大小应为湿陷曲线与P=Pi和δ=0所夹阴影面积;根据模型计算显示黄土表观结构强度随含水率的增大呈线性降低;提出不同干密度的土体的计算方法,得出表观结构强度与上覆荷载呈开口向上的二次函数状,系数越大,土体结构对荷载的敏感性越强。(3)研究区原状黄土应力-应变曲线初期小幅上升随后出现平缓段,而重塑黄土中的初期上升段微弱,表明原状黄土大孔隙结构多于重塑黄土。随含水率、围压的增大,原状黄土应力-应变曲线逐渐由应变软化型向硬化型发展;处于相同工况的重塑黄土应力-应变关系曲线多呈“塑性硬化型”,随围压增大,应力应变曲线从“弱硬化型”向“强硬化型”转变,部分曲线呈理想塑性型。(4)破损模型可以有效地描述研究区黄土结构性的转变,但破损参数的计算对应力-应变曲线要求严格。本次试验所得破损参数曲线会出现波动、下凹等异常情况,且曲线离散分布,其根本原因在于黄土结构的损伤并非渐变过程,波动、下凹中的下降段正是土体结构突变后重组的直观体现。综合结构势参数模型对研究区黄土有着良好的适用性,但综合结构势参数法的压缩试验精度要求较高,尤其在加荷初期,需要较多的试验组数以消除试验误差。
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