非饱和膨胀土的结构模型和力学性质的研究

 博士学位论文摘要　主要研究了膨胀土的结构模型和力学性质, 取得了以下几方面的成果:(1) 建立了膨胀土微结构的数学模型, 运用分形几何理论研究膨胀土的粒度分布和膨胀土微孔隙表面的特征; 建立粒度分布的分维与膨胀土的成因类型、膨胀特性、力学特性的相关关系; 研究了粒度分布的分维与压力(围压) 的关系, 随着围压增加, 粒度分布的分维增大。(2) 根据非饱和膨胀土微结构的分形模型, 导出了其水份特征曲线方程, 并由此得到了非饱和膨胀土的导水规律与含水量的相关公式。(3) 建立了膨胀土的结构性强度理论。根据工程实践提出了结构性凝聚力和结构性内摩擦角的概念,结构性内摩擦角和结构性凝聚力是指原状非饱和膨胀土的内摩擦角和凝聚力。对于膨胀性不强的膨胀土,结构性内摩擦角与饱和膨胀土的有效内摩擦角相等; 结构性强度是由非饱和土的溶质吸力和基质吸力引起的强度。根据非饱和膨胀土的结构模型, 建立非饱和膨胀土的结构性强度理论; 用非饱和土三轴仪研究了非饱和膨胀土的强度特征, 并用试验结果证实了非饱和土的结构性强度理论。(4) 分析了膨胀力与含水量和干密度的相关性, 讨论膨胀力对地基承载力的影响, 修正了太沙基承载力公式, 使之适用于膨胀土地基。(5) 建立了膨胀土的膨胀变形的相关公式。用压缩仪研究了宁夏膨胀变形特征, 建立了膨胀量与压力和初始含水量的相关公式; 膨胀变形的机制是膨胀矿物与水之间的相互作用, 运用这个机制解释了膨胀变形的试验结果; 建立了膨胀变形的物理模型, 很好地解释了膨胀变形的试验结果。(6) 建立了膨胀土的弹塑性本构模型。在饱和土的弹塑性本构关系中增加吸力作为独立的应力状态变量, 从而得到非饱和土的通用弹塑性本构关系; 用椭圆2抛物线双屈服面研究了非饱和膨胀土的应力2应变关系; 用非饱和土的三轴试验研究了非饱和膨胀土的本构模型, 得到非饱和膨胀土的LC 屈服面, P r～ us 屈服面, 用数值模拟方法计算了宁夏膨胀土的应力应变关系曲线, 与试验结果一致。     

基于SQP和上限法的非饱和土条形基础极限承载力计算

综合考虑有效内摩擦角、有效黏聚力、基质吸力等非饱和土强度参数以及基底以下基质吸力随埋深增加而变化的工程实际(以水土特征曲线表征),采用多刚性块上限分析法对非饱和土条形基础竖向极限承载力进行研究.假定非饱和土抗剪强度公式是Mohr-Coulomb饱和土抗剪强度公式的延伸,根据线性破坏准则和相关联流动法则,构建一个承受竖向荷载的非饱和土地基承载力二维机动破坏模式.根据外力功率与内部耗能相等原理获得非饱和土地基极限承载力的目标表达式,并把其转化成一个求含有非线性约束的极限承载力上限解最小值计算模型.对建立的计算模型采用序列二次规划法进行优化求解.研究结果表明:非饱和土抗剪强度参数取值对极限承载力量值具有非线性影响;土中基质吸力存在所引起的附加抗剪强度使非饱和土地基承载力较饱和土得到提高;土体内基质吸力分布方式和地下水位高低对条形基础极限承载力影响也较大,地下水位升高导致基质吸力降低,极限承载力减小;非饱和土过渡为饱和土时,同类方法相比本解答是较优上限解.     

温度对非饱和膨胀土抗剪强度和变形特性的影响

共进行了4组12个控制温度、净围压和基质吸力的膨胀土三轴排水剪切试验,分析了温度对重塑非饱和膨胀土抗剪强度和变形特性的影响。试验结果表明,随温度的升高,非饱和土的抗剪强度增加,初始切线杨氏模量增大。根据试验结果建立了考虑温度影响的非饱和土抗剪强度公式和切线杨氏模量公式。     

加筋膨胀土挡墙承载力研究

采用非饱和土理论推导了在特定条件下加筋膨胀土挡土墙的承载力公式,并以室内模型试验为例进行了验证,说明了该推导公式具有一定的参考价值,为治理膨胀土问题提供了一种新的途径。     

非饱和膨胀土抗剪强度的试验研究

膨胀土是一种特殊的非饱和土，经典的土力学理论在膨胀土问题中己显得无能为力。因此，用非饱和土力学理论来研究膨胀土问题在理论和实际两方面都具有重大意义。在非饱和土抗剪强度理论中，吸力的量测在工程实际中仍没有一种简单易行的方法。基于这种实际情况，试图通过其他间接的途径来代替吸力的量测，以确定非饱和土的吸附强度。对于膨胀土这种典型的非饱和土，膨胀力是其很重要的性质之一，它的大小受含水量的影响很大；另一方面，膨胀土的抗剪强度也随含水量的变化而不断地变化。进行了大量的膨胀力试验和抗剪强度试验，以确定膨胀土的膨胀力与吸附强度是否有一定的关系。通过对黑山土和梅山土的重塑试样试验得到的试验数据分析发现：膨胀力和含水量之间存在良好指数关系；粘聚力的对数和内摩擦角均随含水量的增大线性减小；非饱和膨胀土的吸附强度与膨胀力之间存在较好的线性关系，并在此基础上优化了非饱和膨胀土抗剪强度公式。     

河南膨胀土地区输电线塔大板基础地基承载力数值模拟

河南地区输电线路大量分布在膨胀土地区,膨胀土具有吸水后强度明显降低的特性,可能导致输电线塔基础变形过大甚至失稳,威胁输电线路运行安全。基于膨胀土的强度特点,首先利用现行规范中的方法,计算了膨胀土地基的承载力特征值;然后通过三维有限元数值模拟建立了输电线塔大板基础模型,研究了大板基础膨胀土地基承载力和其破坏模式。模拟结果表明,随着饱和度的增加,膨胀土地基极限抗压承载力降低明显,但降低速率逐渐减小,破坏模式呈现出整体剪切破坏模式。将规范方法与数值模拟结果进行对比,可以初步得到规范法计算得到的膨胀土地基承载力偏保守的结论。     

合肥新桥国际机场原状非饱和膨胀土的土水特性研究

土水特性影响并控制着非饱和膨胀土的工程特性。基于扫描电子显微镜试验和GDS非饱和应力路径系统试验,对合肥新桥机场场地原状非饱和膨胀土在失水和吸水过程中土水特征曲线进行研究,并数值反演相应的土水特征曲线、相对渗透系数和土水扩散系数,研究得出工程区域原状膨胀土微结构易于形成微裂隙,吸湿土水特征曲线较失水过程的土水特征曲线存在明显的滞后性。数值分析结果表明,Fredlund模型与实测结果吻合较好,研究结果为新桥机场膨胀土地基处理方案的制定提供了一定依据。     

非饱和膨胀土强度特性试验研究

以非饱和土的土水特征曲线为控制标准,采用预先脱湿的吸力控制备样方法,加快了非饱和试验中的吸力平衡过程。利用非饱和直剪试验,探讨了干湿循环对膨胀土强度参数的影响规律。讨论了三轴试样尺寸效应对试验强度参数的影响以及吸力控制方法在非饱和三轴试验中的适用性,认为用双变量抗剪强度公式描述高吸力条件下多重裂隙膨胀土的强度特性还存在一定的困难。     

铁路路基下膨胀土地基浸水响应现场试验

在工程建设中,膨胀土大都属于非饱和土范畴。对高速铁路无砟轨道路基而言,膨胀土的胀缩变形可能加剧线路的不平顺性,影响高速铁路的正常运营。为研究铁路路基荷载下非饱和膨胀土土层在人工浸水后的变形特征,结合云桂铁路建设,设计并开展了铁路原型路基荷载下膨胀土地基现场浸水试验,并监测了从路基填筑开始到人工浸水结束时膨胀土地基与路基本体变形及浅层土水分的时程变化。试验结果揭示了膨胀土地基浸水饱和后的极限相对膨胀量、膨胀变形沿路基横向与地基深度的分布规律以及地基表面膨胀变形沿路基本体的衰减特征。基于试验成果,初步提出了以路基表面膨胀变形为0作为控制标准确定路基临界填高的设计思路。现场试验的设计原则与实施方法也可为今后研究铁路路基下膨胀土地基胀缩特性提供参考。     

基于饱和土总应力强度指标的非饱和土强度 理论及其应用

 实际工程中求解和测定吸力比较困难,特别在不排水条件下,吸力并非常量,从而难以确定。而饱和度相对容易确定,选择饱和度代替吸力,建立关于饱和度的非饱和土的抗剪强度公式有着重要的实用价值。提出不排水(等含水量)条件下的基于饱和土总应力强度指标的抗剪强度公式,克服了以往相关模型只适合于较小范围的缺陷,能够实现从非饱和土状态到饱和状态的平稳过渡,同时更能反映土体的工程特性;结合非饱和土的土水特征曲线试验及常含水量三轴剪切试验成果,确定适用于云南红黏土的相关拟合参数;将所得抗剪强度公式应用于地基承载力分析中,得到地基承载力随饱和度的减少接近线性增加的结论。     

荆门非饱和压实膨胀土的吸力特征及其本构方程

 吸力与非饱和土的力学性状密切相关,为探讨非饱和膨胀土吸力变化规律,以滤纸法为研究手段,测定6种不同压实度与13种不同重力含水率组合条件下荆门弱膨胀土的总吸力与基质吸力。试验基本覆盖该膨胀土持水状态与密实状态的可能变动范围。研究表明：土体持水状态与密实状态均对压实膨胀土吸力影响显著。相同密实状态下,吸力随持水程度的增大而降低,且变动幅度较大。相同持水状态下,吸力随密实程度的增大而增大。密实度小的试样吸力变化幅度大,密实度大的试样吸力变化相对平缓。在明确吸力变化规律的基础上,构建吸力–饱和度–孔隙比关系的本构方程,数值再现结果与模型预测结果均表明该方程能够有效描述压实膨胀土在可能密实状态与持水状态范围内的吸力变化规律。     

非饱和膨胀土的三轴试验研究

用改装可测吸力的三轴仪，研究了宁夏膨胀上的变形性质和强度特性。试验结果表明，含水量（吸力）决定了上样的变形行为，并影响了土样的强度；随着含水量增加，土样的塑性应变量增加，强度减小。文中还研究了随吸力的变化规律及非地和上强度理论中的状态变量的选取方法。     

荆门膨胀土土–水特征曲线特征参数分析与非饱和抗剪强度预测

 为探讨荆门原状、压实、石灰改良膨胀土的非饱和抗剪强度与土–水特征曲线(SWCC)的相关关系,利用Fredlund-Xing模型对3种膨胀土的SWCC试验数据进行非线性拟合,获得相应模型参数;利用Fredlund公式(1996年)对3种膨胀土控制吸力下的固结排水剪三轴压缩试验抗剪强度成果进行相关分析。分析结果表明：(1) 使用Fredlund-Xing模型拟合3种膨胀土SWCC试验数据的效果均较好。(2) 荆门原状、压实、石灰改良膨胀土的进气值分别为210,68和18 kPa;石灰改良膨胀土的持水能力(水稳定性)最强,压实膨胀土次之,原状膨胀土最弱;3种膨胀土的残余吸力可均取为3 000 kPa。(3) 3种膨胀土的有效内摩擦角(j´)和与基质吸力相应的内摩擦角(jb)均非常数;j´与基质吸力相关,jb与基质吸力和应力状态均相关,这意味着Mohr-Coulomb破坏包面是双向弯曲的。(4) 使用Fredlund公式,能够在较大的吸力范围内较好地预测荆门膨胀土的非饱和抗剪强度,原状、压实、石灰改良膨胀土的土性参数κ分别为2.4,2.7及3.4。(5) 预测值与实测值间存在差别的主要原因是Fredlund公式本身未考虑到jb与应力状态相关,若要考虑该因素,可将应力状态对SWCC的影响引入到Fredlund公式中。     

膨胀土开挖边坡吸力和饱和度的研究

为了研究非饱和膨胀土开挖边坡中吸力变化对边坡的影响及边坡体不同部位饱和度的变化规律,在湖北某高速公路的开挖边坡上埋设热传导探头和含水率探头进行观测。监测数据与自然边坡的监测结果表明开挖边坡的吸力变化幅度较大,对膨胀土开挖边坡的稳定产生不利的影响,边坡的不同位置的大气影响深度不同。野外获得的土-水特征曲线能真实反映吸力和饱和度的变化,它能为非饱和膨胀土中基质吸力引起的强度提供了相应的参数,大大简化计算,避免计算不同饱和度情况下的强度。从土-水特征曲线还能获知非饱和膨胀土的渗透参数,对工程具有一定的指导意义。     

脱湿速率影响下的膨胀土工程性状与持水特征初探

通过控制恒温恒湿箱的温湿度工作参数,实现饱和膨胀土在不同脱湿速率条件下的状态变化,借助收缩试验和非饱和三轴试验,研究脱湿速率对膨胀土收缩特性、强度特性与持水特性的影响规律。试验结果表明,膨胀土的收缩系数随脱湿速率的减小而变大,并先呈现线性脱湿过程,后呈现非线性脱湿特征;在相同含水率条件下,膨胀土的吸附强度亦随脱湿速率的减小而增大,尤在含水率和围压较低时更趋明显。结合吸附强度与吸力关系的乘幂函数表达式,利用收缩系数和吸附强度反算出不同脱湿速率下的膨胀土"双线性"土水特征曲线,发现不同脱湿速率时曲线下降段接近平行趋势,脱湿速率越小,膨胀土的进气值越大,相同含水率时的吸力越高。     

非饱和土与特殊土测试技术新进展

全面系统地总结了非饱和土与特殊土测试技术的新进展,内容包括:吸力与水分测试技术,渗流测试技术,变形、应力、强度、孔压、排水测试技术,膨胀土和湿陷性黄土的测试技术,模型试验与大型现场试验技术。文中指出了非饱和土与特殊土的测试难点,对近年来发展起来的成熟的高新技术和国内外学者研制的几十种新设备作了重点介绍,详细阐述了控制吸力的各种方法和提高测试精度的各种措施,并对今后测试技术的发展提出了若干建议。