干濕循環(huán)對(duì)非飽和土力學(xué)特性影響及非飽和土本構(gòu)關(guān)系探討.pdf

1、大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文博士學(xué)位論文干濕循環(huán)對(duì)非飽和土力學(xué)特性影響及非飽和土本構(gòu)關(guān)系探討E仟ectofdrying／wettingonthemechanicaIbehaViorsofunsaturatedsoilsandstudyontheconstitutiVereIationshipofunsaturatedsOiIs學(xué)1120601l麈型!邀副塾拯完成日期：至Q羔墨生至Q旦大連理工大學(xué)DahanU11iVersityofTechn

2、ology大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文摘要地表淺層的非飽和土體經(jīng)常承受由水位升降和降雨蒸發(fā)過程引起的干濕循環(huán)的影響，土體的力學(xué)特性發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化。這部分非飽和土與淺基礎(chǔ)、邊坡、土壩和公路鐵路路基等實(shí)際工程問題緊密相關(guān)。研究干濕循環(huán)條件下非飽和土的力學(xué)特性無論對(duì)設(shè)計(jì)新的土工結(jié)構(gòu)還是評(píng)價(jià)已有土工結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文首先從試驗(yàn)出發(fā)，以大連地區(qū)典型粉質(zhì)黏土為研究對(duì)象，通過對(duì)干濕循環(huán)前后不同初始干密度粉質(zhì)黏土在飽和條件下的固

3、結(jié)不排水剪切特性進(jìn)行詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)對(duì)不同初始干密度土體的影響存在差異，指出進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)研究時(shí)必須考慮試樣的初始密實(shí)度；基于泥漿固結(jié)三軸試樣，研究了干濕循環(huán)對(duì)不同基質(zhì)吸力下非飽和土抗剪強(qiáng)度、臨界循環(huán)應(yīng)力和動(dòng)強(qiáng)度的影響；以干濕循環(huán)條件下非飽和土力學(xué)特性試驗(yàn)為基礎(chǔ)，分析了干濕循環(huán)對(duì)非飽和土力學(xué)特性影響的機(jī)理，并通過電鏡掃描試驗(yàn)佐證了所提機(jī)理的合理性。其次，以下負(fù)荷面劍橋模型為基礎(chǔ)建立了超固結(jié)非飽和土的本構(gòu)模型，并對(duì)模型的有效性進(jìn)行

4、了驗(yàn)證，對(duì)干濕循環(huán)前后非飽和土的力學(xué)特性進(jìn)行模擬；結(jié)合孔隙介質(zhì)理論，推導(dǎo)了非飽和土的固一液氣三相耦合有限元控制方程，并進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算。本文主要研究成果如下：(1)通過應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切試驗(yàn)儀研究了干濕循環(huán)條件下不同初始干密度粉質(zhì)黏土試樣在飽和條件下的固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)特性，結(jié)果表明：干濕循環(huán)對(duì)土體的影響與土體的初始密實(shí)狀態(tài)有關(guān)。干濕循環(huán)使得初始干密度為161∥cm3的試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線由應(yīng)變硬化轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變軟化，孔隙水壓力的發(fā)

5、展由先增加后減小轉(zhuǎn)變?yōu)榭讐撼掷m(xù)增長(zhǎng)，干濕循環(huán)前后有效應(yīng)力路徑的發(fā)展趨勢(shì)發(fā)生了明顯變化。初始干密度171∥cm3和176∥cm3試樣干濕循環(huán)前后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線形式未發(fā)生明顯改變，干濕循環(huán)致使孔隙水壓力的峰值所有增加，剪切初始階段的有效應(yīng)力路徑位于未循環(huán)試樣的左側(cè)。干濕循環(huán)過程中粉質(zhì)黏土力學(xué)特性的變化與干燥應(yīng)力的大小有關(guān)，干燥應(yīng)力越大，力學(xué)特性變化越明顯。由干濕循環(huán)前后土體的電鏡掃描試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)導(dǎo)致土骨架的結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)變。干濕循環(huán)過程

6、中試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整和基質(zhì)吸力的壓密作用使得土體的力學(xué)特性發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)的變化。在研究干濕循環(huán)條件下非飽和土的力學(xué)特性時(shí)，有必要考慮初始密實(shí)度和干燥應(yīng)力對(duì)土體力學(xué)特性的影響。(2)基于非飽和土的孔隙結(jié)構(gòu)差異影響其平衡飽和度并改變其力學(xué)特性這一事實(shí)，對(duì)泥漿固結(jié)制樣方法進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的方法能夠一次性制備數(shù)十個(gè)三軸試樣，確保多個(gè)試樣同時(shí)進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，保證了后續(xù)非飽和土三軸試驗(yàn)的連續(xù)性，縮短了整個(gè)試驗(yàn)周期。通過對(duì)比多個(gè)試樣的干密度、含水率分