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考虑沉积环境和应力历史的黄土力学特性研究

刘海松  
【摘要】: 本文以洛川黄土标准剖面为研究对象,根据前人对黄土与环境研究所取得的举世瞩目的成果,对黄土物理力学性质沿深度的变化差异进行系统分析;以结构特性及其强度研究为桥,将黄土与环境的研究与黄土力学特性研究有机地结合起来;对考虑结构性的黄土压缩性、抗剪强度以及考虑结构性的黄土湿陷性进行了研究,并建立了考虑结构性和应力历史的黄土本构关系。属于基础性的研究,但是对黄土研究的领域具有一定的补充和扩展作用,同时会促动环境土力学研究的发展。在黄土力学研究领域的理论意义显而易见,会给黄土地区的高边坡工程、公路隧道、铁路隧道以及地下建筑工程设计施工中参数的选取提供一定的理论支持。对黄土的工程力学研究具有重要的理论指导和实践意义。主要取得了以下成果: (1)洛川标准剖面黄土-古土壤的主要物理、力学性质以及湿陷特性,均沿深度出现了幅度不等的波动性变化,而且波峰、波谷出现于古土壤以及上覆或下伏黄土层中。静力触探原位测试曲线更清晰地印证这种现象,说明黄土与古土壤、黄土层内以及不同时代的古土壤均存在着明显的结构性差异。 (2)结合前人在黄土与环境方面的研究成果,通过分散及不分散处理的颗粒分析试验,得出了黄土中碎屑颗粒明显多于古土壤而粘土颗粒少于古土壤以及古土壤中集粒含量远远大于黄土的认识;结合电镜扫描图片分析,探讨了洛川标准剖面黄土-古土壤序列结构以及结构性差异的形成过程和原因,指出了干冷和温湿的古气候旋回是黄土与古土壤结构差异形成的最关键因素。 (3)通过高压固结试验分析,发现标准剖面的黄土-古土壤均呈超固结状态。这种现象是由黄土正常堆积后的环境变化和固结历史造成的。即在黄土的初始结构形成后,在不同的应力作用时间和温湿、干冷气候旋回条件下,黄土及古土壤的结构得到不同程度的加强,存在“后期加固结构强度”。 (4)通过高压固结、直接剪切以及三轴剪切试验对比,分析了后期加固结构强度的求取方法可行性和适用性。发现直接剪切试验受试验压力的影响,在求取后期加固结构强度以及抗剪强度指标时均具有局限性,而三轴剪切和高压固结试验获取的后期加固结构强度比较接近,是可行的方法。 (5)建立了环境因素以及应力历史与后期加固结构强度的定量关系,然后定量地研究了后期加固的结构强度与黄土-古土壤序列的物理、力学性质的关系,将环境因素以及应力历史引入到黄土力学研究领域内。 (6)分析了原状土样完全饱和的实质,是后期加固结构强度的完全丧失和初始结构强度的部分破坏。因此,通过原状、重塑和饱和三种试样的高压固结试验可以得出黄土及古土壤结构对水的敏感程度。 (7)从环境和应力历史角度分析了黄土湿陷的原因,可以由内因和外因两方面探讨。内因是黄土遇水后结构强度的降低以及受古气候演化、环境变迁和应力作用时间等控制形成的差异初始含水量和结构水敏度。古土壤形成于温湿的环境,受水影响时间较长,初始含水量大,结构水敏度较小,湿陷性较小;而黄土形成于干冷的环境,受水影响时间较短,初始含水量小,结构水敏度较大,湿陷性较大。而外因则包括水及荷载的变化。在饱水条件下,外加荷载大到足以破坏后期加固结构强度时,黄土及古土壤便开始发生湿陷变形。 (8)通过对摩尔强度包络线及应力-应变特性的分析,探讨了后期加固结构强度的发挥特征。认为包线初始段即弹性变形阶段,对应着初始结构强度的发挥;包线中间段即弹塑性变形阶段,对应着后期加固结构强度的发挥到完全丧失;包线最后的水平段即塑性变形阶段,后期加固结构强度完全丧失,土体进入塑性流动状态。 (9)考虑土体在受荷过程中的后期加固结构强度的发挥特征,引入可以表达其发挥程度的参数,对邓肯-张模型进行修正,使得它具有了更广泛的适用性。由于邓肯-张模型及其各种修正模型均不适用于强硬化型应力-应变关系,又提出了考虑黄土结构损伤的对数模型,很好地描述了强硬化型的应力-应变关系。


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