土石混填体变形力学特性及其地基稳定性分析方法

发布时间：2019-11-16 15:07

【摘要】：随着国家的发展重心逐步向西南山区转移,需要进行大量的基础设施建设,出于因地制宜、节省投资及环境保护的需要,土石混填体作为一种填料被大量用于各种工程建设。然而,由于土石混填体颗粒粒径变化较大且难以控制,致使其力学性质比较复杂,加之我国南方雨量丰沛,势必对其工程特性产生进一步影响,从而对有关的设计与施工造成了诸多困难。因此,本文在国家自然科学基金《南方山区土石混填体力学性能及其高填地基稳定性分析方法》(51078137)的支持下对土石混填体的变形力学特性及其地基稳定性分析方法展开了研究,以期为相关理论分析与工程建设提供一定指导和帮助。首先,综合考虑含水率、浸泡时间、干湿循环、含石量、岩性与土性等因素,并基于正交设计方法开展了土石混填体大型直剪试验研究。试验结果表明：土石混填体抗剪强度主要源于内部石料间的相互嵌入、咬合及摩擦等作用；含石量是影响土石混填体强度特性最主要的因素,随着试样中含石量的增加其内摩擦角近似呈线性增加；对于试验中所涉及的3种水作用环境,含水率对土石混填体抗剪强度的影响最为显著,且含水率对其剪应力-剪切位移关系曲线亦存在非常重要的影响；试样在浸泡48h或干湿循环4次后其抗剪强度基本不会再继续弱化；当试样中含石量≥55%时,其抗剪强度受岩性影响较为明显。其次,分别在常规路径、等应力比路径与等p路径下开展了土石混填体大型三轴试验。发现含石量同样是影响土石混填体抗剪强度最为主要的因素,而应力路径的变化对其强度影响不大；围压和应力路径是影响土石混填体体变特性的两个外部因素,即试样会呈现出低压剪胀性与高压剪缩性,不同应力路径下的εv～ε1关系曲线各不相同；含石量与压实度是影响试样体变特性的两个内在因素,随含石量或压实度提高,其剪胀性会比较明显,反之则剪缩性更为显著。再次,在特制的地槽内填筑了多组土石混填地基模型,分别在最佳含水率、饱水浸泡和干湿循环下对其进行了水平推剪和竖向压剪试验研究。正常工作环境中,土石混填地基在推剪和压剪作用下均可表现出较好的结构性；干湿循环对试样的破裂面形状、抗剪强度影响相对不大；在浸水环境下,试样的破裂面形状、抗剪强度、p-s曲线、破坏模式与极限荷载均会受到显著影响,尤其是c、φ值会发生较大幅度的降低。此外,在深入探讨土石混填体剪切变形机理与特征的基础上,从其剪切单元微观受力入手,将剪切单元抽象为未损伤和损伤两部分,剪切荷载由这两部分共同承担,且损伤部分所受应力即为残余强度,建立出了可反映土石混填体破坏后仍具有残余强度的新型损伤模型；引入统计损伤理论,假定剪切微元破坏服从Weibull分布,在探讨剪切微元强度度量方法的基础上,建立出了可模拟土石混填体剪切变形全过程的统计损伤本构模型。该模型不仅可反映土石混填体的应变软化特性,还能够体现出法向应力的影响及其残余强度变形特征。然后,针对土石混填地基的沉降变形机理,将其所承受的附加应力视为由体积应力与偏应力所组成,引入分级加载与沉降分层总和计算的思想,采用增量广义Hooke定律与Duncan-Chang模型,建立出以土石混填体初始孔隙率、泊松比、粘聚力及内摩擦角等为参数的沉降计算模型；并基于反演分析法及自适应遗传模拟退火算法,对模型参数确定方法进行了探讨。通过与现场实测结果及其他方法进行对比,表明本文方法是可行的,能够满足工程建设的相关需要。最后,通过深入研究土石混填地基的承载机理与破坏模式,引进滑移线场理论与方法,构建出了地基单侧滑移破坏模式,利用极限分析上限法有关内容,通过构建出机动允许的速度场,导出了地基极限承载力的表达式,并结合序列二次规划优化算法,从而建立出了土石混填地基的极限承载力计算方法。通过针对不同坡比的土石混填地基进行计算,并与非线性规划的上限有限单元法及其它相类似方法的计算结果进行对比分析,表明了本文方法的合理性与优越性。
【图文】：

示意图,混填,类型,示意图

c)骨架-空隙结构图1.1 土石混填体结构类型示意图1.2.1 土石混填体大型直剪试验研究直剪试验[49]因为仪器构造简单、操作方法简便，并且可以满足某些特定的试验条件，至今仍在实验室和工程现场应用广泛。而具体到土石混填体，由于其内部含有粒径较大的石块，普通的土体直剪仪在尺寸构造上无法达到要求，于是，国内外一些专家先后研发了可用于土石混填体的大型直剪仪而根据试验原理和现场条件的不同，在工程中常用的土石混填体剪切试验可分为现场水平推剪试验和室内大型直剪试验。1.2.1.1现场水平推剪试验水平推剪试验的主要目的之一是比较准确的获得岩土体的抗剪强度指标（即：C、值），目前国内所普遍采用的多是《岩土工程试验监测手册》[iiG]中所记录的试验方法：首先，在现场选用未受开挖扰动影响的岩土体制作试样，试样的高度//至少为岩土颗粒最大粒径5倍且不宜低于20cm，，试样的宽度B通常为高度的3~5倍

剪切仪,重量,强度,侧摩擦力

土石混填体变形力学特性及其地基稳定性分析方法制，通过恒压微调阀实现应变率的无级变化，不仅可以进行剪切、摩擦试验，能够通过设定液压缸的压力进行固结试验、长期Zf变试验。在竖向设置有4个荷传感器可测量法向荷载；而悬浮在剪切盒上半部分的荷载传感器通过螺栓测侧摩擦力，减去所施加的法向荷载中的侧摩擦力，可精确计算出剪切、摩擦区的应力，除去移动部分所有的摩擦力，进而得到真实的力；通过带数据输出功的数字式针盘仪测量竖向及水平方向的位移，法向载荷和剪切力能够在仪表盘显示，且仪器带有数据输出功能，与计算机连接后，所有参数均可通过电脑输显示并由数据懫集软件自动记录。竖向位移计 - .
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU470

【参考文献】