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冻结粉质黏土强度特性与本构模型研究

江汪洋  
【摘要】:近年来,人工冻结法在南京地区地铁建设中的应用越来越广泛,冻土学者掌握了各种典型土质的冻土强度特性,但对南京地区冻土蠕变卸载回弹、本构模型以及不同固结方式、应力路径对三轴强度的影响等方面研究甚少,因此,有必要通过室内实验来更全面了解该地区冻土的强度特性,为今后该地区各种人工冻结法设计施工提供可靠依据。本文以南京地铁5号线(3)-2b2-3层粉质黏土为研究对象,进行人工冻土强度特性试验,研究原状与重塑土样状态下冻结粉质黏土的强度特性差异、不同影响因素对冻土强度特性的影响、长期强度以及重塑粉质黏土的回弹模量和蠕变卸载回弹,并基于邓肯—张模型建立考虑围压影响的冻结粉质黏土本构模型。所得主要结论如下:(1)重塑冻结粉质黏土的单轴抗压强度和弹性模量分别比原状冻结粉质黏土大12%和7%;单轴抗压强度随含水率增大先呈线性增长,当土体饱和后则略有下降,而弹性模量与含水率呈幂函数增长关系;单轴抗压强度先与应变速率(小于10%/min)呈线性增长关系而后与应变速率(大于10%/min)呈对数函数关系,而弹性模量随应变速率的增大呈幂函数增长。(2)重塑冻结粉质黏土回弹模量值与试样加卸荷次数呈双曲线关系,当加卸荷次数大于7次后,回弹模量趋于稳定,此时回弹模量约为同等条件下弹性模量的12倍,这是由于总变形中的塑性变形迅速减小的原因。(3)重塑冻结粉质黏土粘聚力和内摩擦角分别比原状冻结粉质黏土的大2%和5%;不同固结方式下最大轴向偏应力和内摩擦角值大小:等压排水固结等压不排水固结先冻结后固结,其中后两者参数值较为接近,而粘聚力大小为:先冻结后固结等压不排水固结等压排水固结,但三者值相差不大;零围压常规三轴压缩下最大偏应力是减压三轴压缩的1.1倍,而弹性模量则是减压三轴压缩的1.12倍,说明应力路径不同,冻土强度特性有差异,在实际工程中应特别注意。(4)基于邓肯—张模型建立考虑围压影响的冻结粉质黏土本构模型,并通过试验值和计算值比较来验证模型可靠性,得到原状粉质黏土以及等压排水固结、等压不排水固结和先冻结后固结重塑粉质黏土的破坏比均值分别为0.87、0.89、0.93和0.87。(5)在同一恒定荷载水平下,重塑冻结粉质黏土的蠕变变形小于原状冻结粉质黏土,且用数学模型进行拟合,参数结果显示重塑冻结粉质黏土受轴向应力影响大于原状冻结粉质黏土,而受时间影响则相反;原状和重塑冻结粉质黏土长期强度值分别为1.81 MPa和2.31MPa(即长期强度系数分别为2.6和2.3),说明重塑冻结粉质黏土抵抗受长期荷载作用而破坏的能力较强。(6)在0.3σ、0.4σ和0.5σ三级应力水平下,卸载总回弹应变分别为0.32%、0.72%和0.96%,其中瞬时回弹应变平均占总回弹变形的仅为58%,说明该土质弹性后效较大,并发现瞬时回弹应变和总回弹应变与应力加载系数和10h处蠕变应变均近似呈对数增长关系;对于重塑粉质黏土蠕变卸载回弹关系曲线,可用分段函数来拟合。


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