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黄土结构损伤及演化规律研究

蒋仓兰  
【摘要】: 黄土地区是我国西部开发中基础设施建设的重点区域。黄土体的稳定及工后沉降问题是黄土地区交通工程、铁路工程、水利工程、建筑工程、能源工程等工程建设中面临的主要问题之一。黄土的特殊微观结构造成了其特殊的工程性质,在建筑物荷载和含水率变化的耦合作用下,必然造成黄土强度降低、变形量增大,影响建筑物的正常使用。土体在加荷和增湿等因素作用下的变形发展过程就是其原生结构逐渐丧失和次生结构逐渐形成的过程,这种由于黄土微结构缺陷而导致其整体力学性能逐渐劣化的现象就叫结构损伤。因此合理确定黄土结构损伤变量,是正确评价黄土结构损伤程度的重要依据,对黄土地区的工程建设具有指导意义。 本文通过对杨凌黄土的三轴剪切试验(CU)研究,揭示了围压、含水率及剪切速率的变化对黄土结构性的影响,取得的主要成果有: (1)剪切速率对非饱和黄土的应力-应变曲线特征有明显的影响,高应变速率可导致应变软化现象的产生;黄土的强度、凝聚力、应力门槛值及初始切线模量都随剪切速率的增大先增大继而又减小,临界剪切速率为0.18mm/min,这表明黄土结构的损伤速度随剪切速率的增大而先逐渐变慢后又逐渐变快;而内摩擦角随剪切速率的增大基本上呈线性略有减小的趋势。黄土强度随剪切速率的这种变化规律与摩擦分量和凝聚力在剪切过程中是否同步发挥有关。 (2)在其他因素相同的情况下,影响黄土结构性的含水状态存在两个临界值,分别是18%与26%,其中前者可以认为是黄土结构性保持较好时的临界含水率,后者可以认为是黄土原生结构性彻底消失时的临界含水率,即结构强度终止含水率。 (3)内摩擦角与初始含水率的关系比较复杂,含水率存在两个临界值,即18%和26%。在含水率小于18%时,内摩擦角φ随含水率增大而减小,之后又随其增大而增大,直到含水率为26%时出现了峰值,之后又随其增大而减小。 (4)低围压(σ3≤200kPa)和低含水率(w≤18%)时,黄土的结构受初始含水率的变化影响显著,反之受含水率的变化影响不明显。 (5)在不同湿度、围压及剪切速率条件下,不仅初始切线模量不同,而且剪切过程中的全量模量(割线模量)也不同,剪切过程中模量的变化也反映了黄土结构的损伤变化。而由割线模量表示的黄土结构损伤变量能较好的反映在剪切过程中黄土结构损伤的程度。在剪切变形过程中损伤变量是主应变、围压、含水率及剪切速率的复合函数。


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