赤峰黄土的工程地质特性及扰动状态模型的研究

【摘要】：黄土是在第四纪形成的一种特殊的陆相疏松堆积物，颗粒成分以粉粒为主，富含碳酸钙，具有明显的结构强度，垂直节理发育，可见大孔隙。在浸湿或一定压力下或二者同时存在的条件下，黄土的原始结构破坏，产生沉陷，即具有湿陷性。论文以赤峰地区黄土为研究对象，结合现场调查、室内试验、数值模拟等测试手段和方法，研究赤峰黄土的物质组成、结构特征、力学特征、湿陷变形规律；分析了外荷作用下黄土内部微结构的演变规律；基于扰动状态概念，建立黄土本构模型。获得如下认识： 赤峰地区黄土颗粒以粉粒为主，其次是粘粒，0.005mm～0.075mm粒径范围的粉粒占大部分，约为85%，粒径﹤0.005mm的颗粒的平均质量分数为11%左右。矿物成分主要以碎屑矿物为主，并含有部分粘土矿物。区内易溶盐以硫酸盐、重碳酸盐为主。微结构类型以镶嵌微孔结构为主，少量为凝块胶结结构。颗粒形态多为集粒状和凝块状颗粒。黄土颗粒接触方式主要为面-面接触和点-面接触。孔隙数量较多，呈不规则状、缝隙状。赤峰黄土的含水率的平均值为14.6%，天然密度为1.68g/cm3～1.75g/cm3，孔隙比变化范围集中在0.771～0.846之间。 原状黄土的排水剪（CD）试验的应力-应变曲线主要为应变硬化型。随着围压增大，应变硬化程度更加明显。湿陷系数范围变化较大，初始含水率对湿陷变形有显著影响。通过压汞试验了解赤峰黄土孔径情况,赤峰黄土孔隙率为35.5%，其中以直径4μm-40μm范围的孔隙数量居多。结合电子显微镜扫描测试，发现三轴试样和湿陷后试样在横纵方向均发生改变：起伏度变小，颗粒排列更加密实。湿陷前，大孔隙较多，湿陷后，小孔隙数量增多，这在竖直方向上表现尤为明显。 基于扰动状态理论，分别以变形模量、体积模量和剪切模量为参变量定义扰动函数，并构建相对应的扰动状态模型，通过数值模拟得到相对完整状态的应力应变关系。通过最小二乘法拟合获得了原状土和重塑土的剪切应变扰动函数和体积应变扰动函数本构模型的参数值。