土石混填體變形力學(xué)特性及其地基穩(wěn)定性分析方法.pdf

1、隨著國(guó)家的發(fā)展重心逐步向西南山區(qū)轉(zhuǎn)移，需要進(jìn)行大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，出于因地制宜、節(jié)省投資及環(huán)境保護(hù)的需要，土石混填體作為一種填料被大量用于各種工程建設(shè)。然而，由于土石混填體顆粒粒徑變化較大且難以控制，致使其力學(xué)性質(zhì)比較復(fù)雜，加之我國(guó)南方雨量豐沛，勢(shì)必對(duì)其工程特性產(chǎn)生進(jìn)一步影響，從而對(duì)有關(guān)的設(shè)計(jì)與施工造成了諸多困難。因此，本文在國(guó)家自然科學(xué)基金《南方山區(qū)土石混填體力學(xué)性能及其高填地基穩(wěn)定性分析方法》（51078137)的支持下對(duì)土石混填體

2、的變形力學(xué)特性及其地基穩(wěn)定性分析方法展開了研究，以期為相關(guān)理論分析與工程建設(shè)提供一定指導(dǎo)和幫助。
　　首先，綜合考慮含水率、浸泡時(shí)間、干濕循環(huán)、含石量、巖性與土性等因素，并基于正交設(shè)計(jì)方法開展了土石混填體大型直剪試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：土石混填體抗剪強(qiáng)度主要源于內(nèi)部石料間的相互嵌入、咬合及摩擦等作用；含石量是影響土石混填體強(qiáng)度特性最主要的因素，隨著試樣中含石量的增加其內(nèi)摩擦角近似呈線性增加；對(duì)于試驗(yàn)中所涉及的3種水作用環(huán)境，含水率

3、對(duì)土石混填體抗剪強(qiáng)度的影響最為顯著，且含水率對(duì)其剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線亦存在非常重要的影響；試樣在浸泡48h或干濕循環(huán)4次后其抗剪強(qiáng)度基本不會(huì)再繼續(xù)弱化；當(dāng)試樣中含石量>55％時(shí)，其抗剪強(qiáng)度受巖性影響較為明顯。
　　其次，分別在常規(guī)路徑、等應(yīng)力比路徑與等^路徑下開展了土石混填體大型三軸試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)含石量同樣是影響土石混填體抗剪強(qiáng)度最為主要的因素，而應(yīng)力路徑的變化對(duì)其強(qiáng)度影響不大；圍壓和應(yīng)力路徑是影響土石混填體體變特性的兩個(gè)外部因素

4、，即試樣會(huì)呈現(xiàn)出低壓剪脹性與高壓剪縮性，不同應(yīng)力路徑下的關(guān)系曲線各不相同；含石量與壓實(shí)度是影響試樣體變特性的兩個(gè)內(nèi)在因素，隨含石量或壓實(shí)度提高，其剪脹性會(huì)比較明顯，反之則剪縮性更為顯著。
　　再次，在特制的地槽內(nèi)填筑了多組土石混填地基模型，分別在最佳含水率、飽水浸泡和干濕循環(huán)下對(duì)其進(jìn)行了水平推剪和豎向壓剪試驗(yàn)研究。正常工作環(huán)境中，土石混填地基在推剪和壓剪作用下均可表現(xiàn)出較好的結(jié)構(gòu)性；干濕循環(huán)對(duì)試樣的破裂面形狀、抗剪強(qiáng)度影響相對(duì)不大

5、；在浸水環(huán)境下，試樣的破裂面形狀、抗剪強(qiáng)度、p-s曲線、破壞模式與極限荷載均會(huì)受到顯著影響，尤其是c、^值會(huì)發(fā)生較大幅度的降低。
　　此外，在深入探討土石混填體剪切變形機(jī)理與特征的基礎(chǔ)上，從其剪切單元微觀受力入手，將剪切單元抽象為未損傷和損傷兩部分，剪切荷載由這兩部分共同承擔(dān)，且損傷部分所受應(yīng)力即為殘余強(qiáng)度，建立出了可反映土石混填體破壞后仍具有殘余強(qiáng)度的新型損傷模型；引入統(tǒng)計(jì)損傷理論，假定剪切微元破壞服從W eibull分布，在探

6、討剪切微元強(qiáng)度度量方法的基礎(chǔ)上，建立出了可模擬土石混填體剪切變形全過程的統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型。該模型不僅可反映土石混填體的應(yīng)變軟化特性，還能夠體現(xiàn)出法向應(yīng)力的影響及其殘余強(qiáng)度變形特征。
　　然后，針對(duì)土石混填地基的沉降變形機(jī)理，將其所承受的附加應(yīng)力視為由體積應(yīng)力與偏應(yīng)力所組成，引入分級(jí)加載與沉降分層總和計(jì)算的思想，采用增量廣義 Hooke定律與Duncan-Chang模型，建立出以土石混填體初始孔隙率、泊松比、粘聚力及內(nèi)摩擦角等為參數(shù)

7、的沉降計(jì)算模型；并基于反演分析法及自適應(yīng)遺傳模擬退火算法，對(duì)模型參數(shù)確定方法進(jìn)行了探討。通過與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果及其他方法進(jìn)行對(duì)比，表明本文方法是可行的，能夠滿足工程建設(shè)的相關(guān)需要。
　　最后，通過深入研究土石混填地基的承載機(jī)理與破壞模式，引進(jìn)滑移線場(chǎng)理論與方法，構(gòu)建出了地基單側(cè)滑移破壞模式，利用極限分析上限法有關(guān)內(nèi)容，通過構(gòu)建出機(jī)動(dòng)允許的速度場(chǎng)，導(dǎo)出了地基極限承載力的表達(dá)式，并結(jié)合序列二次規(guī)劃優(yōu)化算法，從而建立出了土石混填地基的極限承