不同应力路径下南昌红土的变形与强度特性研究

发布时间：2018-04-14 02:36

本文选题：红土 + 应力路径　；参考：《中国矿业大学》2017年硕士论文

【摘要】：随着超高层建筑、地铁、土坝等大型工程的发展和建设,深基坑早已成为岩土工程领域的重要课题。场地内土体的含水率、应力状态、固结度、应力路径等因素在不断发生着变化,导致土体变形后强度降低,表现为不同的变形和强度特征。本文结合工程施工过程中的实际特点,利用SLB-1应力应变控制式三轴剪切渗透仪对不同状态下的南昌红土进行了应力路径试验研究,通过PFC3D离散元颗粒流程序模拟了不同应力路径下土体的破坏过程,归纳了不同应力路径下南昌红土的变形和强度特征。本文研究所选用的红土属于南昌北部地区的表层粘土,对其进行了基本物理指标测试试验,结果表明该红土为低塑限粉质粘土。通过滤纸法对南昌红土进行了土-水特征试验,研究了土体基质吸力随着含水率、饱和度等因素的变化规律,通过Van Genuchten模型预测了南昌红土的土-水特征曲线。利用SLB-1型应力应变控制式三轴剪切渗透仪,分别在3种应力路径下(CTC、TC、RTC)进行了3个围压条件下的三轴剪切试验。试验结果表明:(1)对于原状南昌红土而言,在不同应力路径下的应力应变关系差异明显,CTC路径下,主应力差随着轴向应变的增加而增加,且当土体达到屈服强度后主应力差仍出现增加的趋势,表现为应变硬化型;RTC路径下,主应力差随着轴向应变的增加迅速增加,而后出现明显的应力峰值,土体达到屈服强度后主应力差开始减小,且土体加速破坏,表现为明显的应变软化型;TC路径下,主应力差随着轴向应变的增加先增加后趋于稳定,表现为弱应变硬化型。(2)对于不同含水率的非饱和红土而言,随着含水率的增加,土体的峰值强度降低;同一种路径下,主应力差与轴向应变之间存在着非线性的关系,主应力差随着轴向应变的增加而增加,围压越大,土体破坏时的峰值强度越大;不同应力路径下,应力应变关系表现出不同特性,其中CTC路径下,主应力差随着轴向应变的增加而增加,土体达到屈服强度后,主应力差仍呈现增加的趋势,表现为应变硬化型,RTC路径下,主应力差在土体达到屈服强度后出现下降的趋势,表现为应变软化型,TC路径下,主应力差呈现出先增加后趋于稳定的趋势,不同应力路径下,土体在同一围压下主应力差为CTCTCRTC。(3)对于不同固结条件下的饱和红土而言,其应力应变关系的变化规律与上文中提到的基本一致,需要说明的是,在未固结条件下,不同应力路径下的应力应变均呈现出不同程度的应变硬化性,土体破坏后出现径向的鼓胀变形现象。另外,在同一应力路径下、同一围压状态下的主应力差为等向固结非等向固结未固结,一般认为,实际工程中的土体处于非等向固结的状态,非等向固结条件下得到的土体应力强度参数更接近于工程情况。(4)对于不同固结条件下饱和红土的孔隙水压力随着应变的变化表现出一定的规律性,另外,不同应力路径下的孔隙水压力系数A的变化规律差异明显。其中,在CTC路径下,孔隙水压力随着轴向应变的增加而增加,而后趋于稳定状态,孔隙水压力系数A呈现增加的趋势;TC路径下,孔隙水压力随着轴向应变的增加先呈现上升趋势,当其达到峰值状态后降低,孔隙水压力系数A呈现先增加后逐渐降为零,而后其值为负且继续减小的规律;RTC路径下,孔隙水压力随着轴向应变的增加而呈下降趋势,且孔隙水压力值为负,土体表现为剪胀作用,孔隙水压力系数A也一直为负,并且一直处于减小的状态。(5)对于总应力路径p-q曲线而言,原状南昌红土和不同状态下的重塑土均表现出相同的特征,不同应力路径下的p-q曲线形态差异明显,且在同一应力路径不同围压下的p-q曲线形态一致,曲线位置有别,表现为曲线在p轴的截距为围压的大小,说明围压大小仅影响p-q曲线的相对位置。(6)不同固结条件下饱和红土的总应力路径p-q曲线和有效应力路径p′-q曲线之间存在一定的联系,但相互之间也有明显的差异。曲线在p轴、p′轴上的截距即为固结围压的值,围压的大小决定了曲线的相对位置。随着主应力差的增加,有效应力与总应力之间的差值增加,且在CTC路径下增加的幅度最明显。(7)根据应力应变的数据绘制了土样在不同含水率、不同应力路径、不同固结条件下的应力摩尔圆,得出了其对应的总抗剪强度指标c、φ值以及饱和红土的有效抗剪强度指标c′、φ',通过对比抗剪强度指标,发现粘聚力c值随着土体含水率的增加而降低,CTC路径中的粘聚力c值要明显大于TC路径,且RTC路径中c值下降的幅度最明显,内摩擦角φ值未呈现出规律性。(8)通过离散元颗粒流程序PFC3D模拟了南昌红土在不同应力路径下的破坏过程,得到了模型在3种应力路径下破坏时的颗粒位移分布图,发现在CTC应力路径和TC路径下,土体破坏后剪切面为一个单斜平面,RTC路径下,其剪切面为两个对称相交的楔形平面,土体呈鼓胀现象,且数值模拟的结果与室内试验中土体破坏的情况一致。另外,3种应力路径下,模型上端颗粒的位移量要明显大于下端颗粒,且上端颗粒移动方向基本是向下,下端颗粒则多向周围移动。(9)从不同应力路径下,土体在不同轴向应变时的颗粒位移分布矢量图可以得出以下规律:轴向应变较小时,模型颗粒是呈均匀下移的变化规律,当轴向应变大于9%时,模型逐渐出现剪切结构面,当轴向应变达到15%时,剪切面完全形成,认为试样在不同应力路径下的剪切面是在土体达到应力峰值后形成的。另外,不同围压下模型的颗粒位移矢量图差别不大,说明围压对颗粒位移影响不大。
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【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU446

【参考文献】