[博士]循环荷载作用下非饱和黏土强度与变形特性的研究

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内容简介

[博士]循环荷载作用下非饱和黏土强度与变形特性的研究
  学科专业: 岩土工程
  授予学位: 博士
  学位授予单位:大连理工大学
  学位年度:2008
  作为土力学理论的重要组成部分,饱和土动力学理论已经得到很大程度的发展,并正在不断地趋于成熟,在工程实践中得到了广泛的应用。然而自然界中与工程相关的土体绝大部分以非饱和土状态存在,相比之下,地震荷载、交通荷载等动荷载作用下的非饱和土动力学的发展状况则远落后于饱和土动力学。随着我国国民经济的飞速发展,道路交通工程建设以及海洋工程建设也呈现出日新月异的变化。因此,路基和海洋基础设计理论由静力学向动力学方向、饱和土向非饱和土方向发展势成必然。在这种大背景下,对循环荷载作用下非饱和黏土动力强度与变形特性以及本构模型进行相关研究是有重大现实意义的。因此,本文基于改进的“非饱和土静力一动力液压三轴一扭转多功能剪切仪",对非饱和黏土的单调强度特性、动强度和动变形特性以及非饱和土动力本构模型进行了大量的试验研究与分析。本文的主要研究工作包括下列方面:
  (1)分析非饱和土应力状态的情况下对大连理工大学与日本诚研社株式会社联合设计与研制的“土工静力一动力液压三轴一扭转多功能剪切仪”进行了改进,使此仪器不仅能够完成饱和砂土、黏土的静力、动力三轴扭转试验功能外,还能通过精确控制和测量基质吸力和净法向固结压力来对非饱和黏土进行静力、动力条件下的变形与强度特性的研究。为深入研究静、动条件下非饱和土的强度与变形特性提供了可靠的试验技术条件。由于该设备在改进过程中综合考虑了多方面的因素和有关的限制条件,由该设备所获得的有关经验将为今后土工设备的引进与研制提供有益的参考价值,这套设备的改进完成也必将在非饱和土动力学的发展中发挥重要的作用。
  (2)基于非饱和土抗剪强度理论,采用改进的非饱和土静力一动力液压三轴一扭转多功能剪切仪试验系统对大连地区非饱和粉质黏土进行了三轴固结排水单调剪切试验研究。通过在试验中施加不同的基质吸力和固结压力,研究了固结围压和基质吸力对非饱和土黏土试样变形和强度特性的影响,结果表明:非饱和状态的黏土的应力一应变关系曲线与饱和状态下的应力一应变关系曲线具有相似的形态,均为双曲线型,各试样的初始刚度和最大偏应力均随基质吸力或净法向固结压力的增加而增大。各试样最终都发生鼓状破坏,并且无明显的破坏带,体现了非饱和粉质黏土良好的可塑性、压缩性和变形能力。由于非饱和土中基质吸力难于测量,出于利用可以容易获得的非饱和土含水
  量通过土水特征曲线来估计基质吸力大小的目的,还采用压力板仪测定了不同土质、不同干密度、不同净法向固结压力下的土水特征曲线的脱湿曲线,对比试验和分析表明:
  不同土质的土水特征曲线差别明显,粉质黏土较其他黏土具有储水系数高,持水能力差,易于脱水的特点;不同干密度和不同固结压力对非饱和土的土水特征曲线影响显著,干密度越大,固结压力越高,非饱和粉质黏土的储水系数越低,持水能力越高;相同条件下击实土样和原状样的土水特征曲线基本一致,仅仅在吸力较小时,具有各自不同的特点:击实样有明显的折点,原状样的曲线比较平滑;并对不同条件下的土水特征曲线进行分析拟合,并建议了一个简单、实用的土水特征曲线的拟合公式。
  (3)运用分步加载的方法针对大连地区典型粉质黏土在多种压力的初始固结条件下,分别进行了多种基质吸力下的循环三轴试验,系统研究了固结压力和基质吸力对非饱和土循环荷载作用下的应力一应变滞回曲线和骨干曲线的影响规律,着重探讨了非饱和黏土动模量和阻尼比特性。结果表明:改进后的非饱和土静力一动力液压三轴一扭转多功能剪切仪能精确控制和测量非饱和土的净法向固结应力和基质吸力,除了能够完成饱和土的三轴和扭剪的试验功能外,还可以通过对基质吸力的控制实现多种固结条件下非饱和土的强度与变形特性的试验功能,具有广泛的适用性。
   (4)基于利用改进的非饱和土静力一动力液压三轴一扭转多功能剪切仪通过基质吸力控制进行的应力控制式分级加载的循环三轴试验获得的不同的应力一应变骨干曲线关系特性,建议了考虑基质吸力影响的非饱和黏土应力一应变骨干曲线的等价粘弹性模型和滞回曲线的Masing加卸载准则。对比试验与分析表明:采用所建议的非饱和土应力一应变骨干曲线的等价粘弹性模型,对循环荷载条件下不同基质吸力和不同固结压力的非饱和土的应力一应变关系进行了模拟预测。预测结果基本上能反映出应力一应变骨干曲线的变化规律,与实测数据尽管存在一定的差异,但从预测结果与实测结果比较来看,差异并不是很大,尤其对于应变较小的情况预测与实测结果还是比较一致的。因此上述所发展的双曲线模型能够考虑基质吸力的影响,能够模拟循环荷载作用固结排水条件下非饱和黏土的应力一应变特性,是相对简单且符合实际的;并采用Masing加卸载准则对循环荷载条件下某一特定基质吸力和特定固结压力的非饱和土不同应力幅值时的应力一应变滞回曲线进行了模拟预测,可以看出预测结果能很好地反映出应力一应变滞回曲线的变化规律,与实测数据基本符合。
  (5)系统地研究循环荷载作用下非饱和土中孔隙气(水)压力和基质吸力的变化以及基质吸力和净法向固结压力对非饱和土动强度的影响,结果表明:试样固结稳定且吸力平衡后,试样为中饱和度(双开敞系统)非饱和土试样,试样内部气体和水体形成固有的通路,处于连通状态,此时孔隙气压力、孔隙水压力以及基质吸力均为一定值。施加动应力后,试样开始发生轴向变形,试样体积缩小,土体中的空气与试样上部仪器外加压力系统相连通并一直保持孔隙气压力恒定;孔隙水压力逐渐上升,这是由于三轴过程中试样体积变化引起的,但是当孔隙水压力上升到一定程度后趋于一恒值; 基质吸力正好和孔隙水压力发展趋势相反,逐渐降低于一稳定值。基质吸力和固结压力的增加明显提高非饱和土的动强度。通过不同围压下、不同基质吸力条件下静三轴试验获得的单调强度对相同条件下的动强度曲线进行归一化处理,以此为基础,对非饱和土循环强度的简便确定方法进行了初步探讨,目的是通过少量的非饱和土单调剪切试验和饱和土的循环强度试验对待定参数确定之后,就可以在循环应力给定的条件下估算破坏次数N,又能够在破坏次数N,给定条件下估算破坏时的循环强度,进而确定非饱和土地基土体的循环承载力。
  (6)利用改进的非饱和土静力一动力液压三轴一扭转多功能剪切仪进行不同固结应力和基质吸力条件下非饱和土的变形特性试验,探讨了基质吸力和固结压力对非饱和土循环蠕变类型以及残余应变发展的影响。得出如下结论:非饱和黏土循环蠕变随循环次数的增加而累积增大,蠕变特性可分为“衰减型蠕变”、“非衰减型蠕变”两种情况;非饱和黏土残余应变的影响因素有很多,其中固结应力和基质吸力对残余应变的影响显著:基质吸力相同时,固结应力愈大,残余应变也愈小;固结应力相同时,残余应变随基质吸力的增加显著减小。
  

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