破损膨胀土的强度表征及双应力变量广义土—水特征曲线

发布时间：2018-11-02 17:18

【摘要】：膨胀土广泛分布于世界上60多个国家和地区,因其显著的胀缩性和裂隙性,每年造成150亿美元以上的经济损失。结构性破损是膨胀土的重要特征,对膨胀土的变形、强度和稳定性有重要影响;如何表征破损土体的演化理论,是当前的前沿课题;而选择合理的损伤变量决定着模型的正确性。诱发裂隙破损的关键外因是含水状态的不同,这种复杂的水分状态可以用土-水特征曲线(SWCC)方程方便地表示。基于SWCC方程,可极为方便地预测土体的强度、渗透性、土壤团聚体稳定性;但其实验数据的获取极为耗时费力,是制约其工程应用的关键因素。文章首先对破损膨胀土进行了相关的强度表征和损伤变量评价,并基于van Genuchten土-水表征方程和Fredlund双应力变量理论,提出了考虑土体变形、孔隙多峰形态分布、表征精度较高,具有“三点拟合”功能的非饱和土广义SWCC表征方程,并进行了多层次多角度的验证。主要研究工作如下:(1)以南水北调中线工程陶岔引水渠坡的膨胀土为试验研究对象,通过控制净围压和吸力分别为100、50 kPa下的CT-三轴剪切试验,定量研究了分别基于承载面积、CT数的均值ME和方差SD这几种损伤变量表征方法的合理性;基于Kachanov连续损伤变量及Fredlund非饱和土有效应力理论,提出了结构性破损膨胀土的强度表征方法;利用改进型非饱和土三轴仪对不同破损程度的三组15个重塑试样进行控制净围压分别为50,100,150 kPa的三轴压缩试验,定量分析了荷载作用下初始孔洞破损基元及裂隙演化形式对膨胀土力学特性的影响。(2)比较了当前经典的SWCC方程,构建了双应力变量广义SWCC概念图示并定义了相对体积含水比,基于Fredlund双应力变量理论及van Genuchten土-水方程,构建了具有包容复杂因素能力,能够处理考虑土体变形及多孔隙尺度集群土体固-液-气共同运动及作用的水力-力学力耦合广义双应力变量SWCC方程。(3)利用基于轴平移技术的Geo-Expert高级型应力相关土-水特征曲线压力板仪研究了不同覆压(0、40、100、200kPa)对南阳膨胀土SWCC的影响;并对提出的考虑土体变形及多孔隙分布形态的双应力变量广义SWCC表征方程进行如下试验验证:(1)不同覆土压力下微多峰形态的南阳膨胀土K0固结试验及脱湿实验SWCC验证;(2)零净正应力状态双孔隙尺度硅藻土双峰SWCC试验验证;(3)不同净围压状态下单孔隙尺度韩国残积土SWCC试验验证;(4)多应力路径下法国Bapaume黄土、不同初始干密度下日本Edosaki砂土在脱湿-吸湿过程SWCC实验验证。主要结论如下:(1)破损面积和SD可以作为损伤变量表征参数,而ME不适合用来表征膨胀土的损伤变量,虽然ME可以很好地用来定义岩石的损伤变量;考虑结构性及破损的非饱和土力学表征能够很好地描述土体的力学行为。孔洞破损对膨胀土强度强化或弱化效果与初始含水量密切相关。24%含水率时,无破损试样强度低于3mm中心孔、6 mm中心孔、6 mm偏心孔和4个3 mm周边孔破损试样。7%含水率下,孔洞破损对强度具有削弱效果,裂隙发育形态、演化形式对土体结构及强度起主导作用;根据破坏机制将该力学关系表示为裂隙发育及残余强度两个阶段,线性硬化破坏、弹塑性破坏、脆塑性破坏、线性软化破坏四种破坏模式。(2)构建的广义SWCC方程考虑了多峰孔隙概率密度函数分布及土体变形,实现了从应力历史推广到应力状态的广义情况。相较于2参数BrooksCorey方程、3参数van Genuchten方程以及4参数FredlundXing方程,该SWCC方程仅3个参数,其中2个参数在双对数坐标系的“相对体积含水比-吸力‖平面中进行最小二乘法线性拟合得到,剩余的1个参数通过非线性最小二乘法拟合得到。(3)未考虑净法向应力影响的单应力状态多峰SWCC、考虑K0双应力状态多峰SWCC、各向同性净法向应力单峰SWCC、不同脱湿-吸湿路径SWCC、不同初始干密度试验数据的广义SWCC方程拟合结果表明:双应力广义SWCC具有包容复杂影响因素的能力;新方程具常规拟合和“三点拟合”双重功能,均具备较高的精度。“三点拟合”模式下,可利用不同应力状态的至少3个土-水实测验数据点,即可绘制出具有较高精度的整条单峰SWCC,极大地缩短了耗时费力的SWCC获取时间。该模型为土体强度、渗透性、持水性预测提供了一种简便、省时的方法参考。
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【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU443

【参考文献】