南水北调中线工程膨胀土膨胀本构模型试验研究

【摘要】：为对南水北调中线工程膨胀土灾害治理提供科学指导,首先研究了南阳弱、中及邯郸强膨胀土的基本特性,试验项目有：①基本物性指标试验；②压实特性试验；③胀缩特性试验；④力学特性试验；⑤矿物成分分析；⑥Zeta电位试验；⑦阳离子交换量试验。 通过基本物性指标试验,得到了三种膨胀土的天然含水率、天然密度、土粒比重、天然干密度、孔隙比、饱和度、液限、塑限、塑性指数、粉粒含量、粘粒含量、胶粒含量的范围值和平均值；通过压实特性试验,得到了三种膨胀土的轻型与重型击实试验的最大干密度和最有含水率,且重型击实试验得到的最大干密度大于轻型击实试验得到的最大干密度,而最优含水率的规律刚好相反；通过分别分析自由膨胀率与界限含水率、自由膨胀率与粒度成分之间的关系,得到了液限、塑限、塑性指数、粘粒含量、胶粒含量与自由膨胀率正相关,粉粒含量与自由膨胀率负相关；对南阳弱膨胀土和邯郸强膨胀土进行了不同初始条件下的膨胀力试验,得到了在相同干密度条件下,起始含水率越大则膨胀力越小、起始含水率越小则膨胀力越大的规律,相同起始含水率条件下,随着干密度的增大膨胀力亦增大；对南阳弱膨胀土进行了相同起始含水率、不同压实度下的收缩试验,得到了在相同的起始含水率条件下,随着压实度的提高,各收缩指标呈现以下趋势：缩限含水率逐渐增大、收缩系数逐渐减小、线收缩率逐渐减小、体积收缩率逐渐减小。通过收缩试验发现,膨胀土收缩过程分为明显的三个阶段：第一阶段为线性收缩阶段,第二阶段为收缩减缓阶段,第三阶段为收缩稳定阶段；通过对南阳弱、中膨胀土原状样以及邯郸强膨胀土重塑样的三轴CD试验,得到了三种膨胀土的有效应力指标、主应力差-轴向应变关系曲线以及体变-轴向应变关系曲线。各强度指标以及曲线变化趋势的不同,都是由组成膨胀土的矿物成分、粒度成分、受力条件以及土的散体性、非均一性、各向异性等复杂的内外因共同作用的结果；对三种膨胀土进行了X射线衍射试验,得到了每种膨胀土的矿物成分及其含量,膨胀土中的矿物成分以粘土矿物为主,粘士总量达到50%以上,膨胀性越大其粘土总量越大、蒙脱石、伊利石含量越大；对三种膨胀土进行了Zeta电位试验,得到了Zeta电位大小正比于膨胀性强弱,由于Zeta电位与膨胀土结合水膜厚度正相关,因此也可以说,结合水膜厚度大则膨胀性强；对三种膨胀土进行了阳离子交换量试验,得到了阳离子交换量与膨胀性强弱、粘土矿物(主要是蒙脱石、伊利石)总量、Zeta电位正相关的结论。 通过对上述试验结果的分析研究,初步认识了这三种膨胀土的基本特性,同时也注意到,膨胀土膨胀性(这里以自由膨胀率为标准)的强弱与其自身许多物理、化学指标具有一致性,相关性主要表现为：自由膨胀率大的膨胀土,往往具有较大的液限、塑限、塑性指数、粘粒含量、胶粒含量、蒙脱石含量、伊利石含量、阳离子交换量、Zeta电位、结合水膜厚度,这些指标也可以从侧面表征膨胀性强弱,有助于从微观上层面上认识膨胀土膨胀特性的形成机理。 在充分了解三种膨胀土基本特性的基础上,展开了对它们在侧限条件下(K0状态)的有荷膨胀率试验,探讨了有荷膨胀率同起始含水率、压实度及上覆荷载之间的关系,推导了膨胀本构模型经验公式,初步探讨了该经验模型在工程中的应用。得到的结论有：相同的压实度下,随着含水率的增大,有荷膨胀率逐渐减小；相同起始含水率下,随着压实度的增大,有荷膨胀率逐渐增大；相同压实度和起始含水率下,随着荷载的增大,有荷膨胀率逐渐减小,在荷载从0变化到6.25kPa过程中,三种膨胀土的膨胀应变迅速减小,而后随着荷载的增大,膨胀应变减小速率变缓；相同压实度下的“有荷膨胀率-荷载”曲线中,起始含水率小时曲线与横坐标轴交点的数值反而大,这一交点数值就是通过加荷膨胀法获得的膨胀力,可见,在相同压实度下,起始含水率越小则膨胀力越大；邯郸强膨胀土的膨胀变形过程可以分为较明显的三个阶段,第一个阶段为迅速膨胀阶段,在很短时间内,膨胀土的膨胀量就可以达到很大值；第二个阶段为膨胀变换阶段,此阶段,膨胀土膨胀量增加速度减缓；第三个阶段为膨胀稳定阶段,这一阶段,膨胀土的膨胀量趋于平缓,基本不再变化。 单独研究南阳弱膨胀土、南阳中膨胀土、邯郸强膨胀土的有荷膨胀率同其其实含水率、压实度、上覆荷载之间的规律关系,分别得到每种膨胀土的膨胀本构模型经验公式,并对每种经验公式进行了室内试验验证,证明推导的公式是合理的。通过对比得到的三个经验公式,提出了它们的统一表达式：式中：δep—有荷膨胀率(%)；P—压实度；ω0—起始含水率σ—膨胀土上覆荷载；P0—等于1kPa,将σ无量纲化；A、B、C、D、E、F、G、H—试验参数。 在得到的膨胀本构模型公式中,每种膨胀土的系数A、B、C、D、E、F、G、H的不同是由于膨胀土的外在状态(起始含水率、压实度、荷载等)以及内部构成(矿物成分、粘粒含量、阳离子交换量、Zeta电位、自由膨胀率、界限含水率等)共同作用造成的。 在得到的本构经验模型的基础上,通过数学计算,得到了本构模型公式中自变量(起始含水率、压实度、上覆荷载)的取值范围,初步探讨了该公式的应用方向。推导出了膨胀土边坡处理层的厚度计算公式、膨胀土渠坡衬砌厚度计算公式、膨胀土膨胀潜势能计算公式、以及膨胀土地基隆起量估算公式。 通过对南阳中膨胀土以及邯郸强膨胀土进行的三轴膨胀试验,得到了如下结论：随体积应力的增加,体积应变越来越小,说明体积应变与体积应力成反比；得到了压实度为98%、起始含水率为20.4%的南阳中膨胀土体积应变同体积应力之问的经验关系式εv=-4.7179ln(p/Po)+22.801,压实度为95%、起始含水率为26.5%的邯郸强膨胀土的体积应变同体积应力之间的经验关系式：εv=-6.297/ln(p/Po)+30.899。εv表示体积应变,p代表体积应力,Po=1kPa；随着吸水率的减小,膨胀体积应变逐渐减小,说明体积应变同吸水率成正比；得到了压实度为98%、起始含水率为20.4%的南阳中膨胀土体积应变同吸水率之间的关系式为：εν=1.333Δω-8.1984,压实度为95%、起始含水率为26.5%的邯郸强膨胀土体积应变同吸水率之间的经验关系式为：εν=1.7025Δω-15.115。εν表示体积应变,Δω代表吸水率；随着体积应力的增大,膨胀土的吸水率在逐渐减小；最终通过多元非线性最小二乘回归分析,得到南阳中膨胀土的体积应变与体积应力、吸水率两因素之间的经验本构关系式为：邯郸强膨胀土的体积应变与体积应力、吸水率两因素之间的经验本构关系式为：以上两式中：εv表示体积应变,p代表体积应力,Δω为吸水率,Po=1kPa。 基于Einstein(1972)和Wittke(1976)提出的膨胀土三维膨胀假说,尝试建立K0膨胀经验本构模型与三轴经验本构模型之间的联系,最后根据推导的公式利用Visual Basic 6.0编程语言编制了方便计算的软件,以利于实际应用。

【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TV221.2