基于三軸土樣變形數(shù)字圖像測量的黃土變形和強(qiáng)度研究.pdf

1、黃土在我國有比較廣泛的分布。它作為一種特殊的土，除了具有一般土的工程性質(zhì)外，還具有其獨(dú)特的力學(xué)特征，主要如濕陷性、結(jié)構(gòu)性和非飽和等。為滿足黃土地區(qū)巖土工程建設(shè)的需要，黃土的工程性質(zhì)研究一直是我國巖土工程和巖土力學(xué)研究的重要領(lǐng)域。但是受到三軸試驗(yàn)手段的限制，使用常規(guī)三軸試驗(yàn)方法研究非飽和黃土濕陷變形和強(qiáng)度特性時難以準(zhǔn)確測定土體變形，也因?yàn)辄S土的力學(xué)試驗(yàn)周期長，比較耗時，所以有關(guān)黃土試驗(yàn)資料的積累還不夠豐富。 將基于亞像素角點(diǎn)檢測的

2、數(shù)字圖像測量方法應(yīng)用于三軸試驗(yàn)試樣變形測量中，為三軸試驗(yàn)試樣變形測量提供了一種新方法，該方法通過捕捉橡皮膜上方塊標(biāo)記的角點(diǎn)位移對試樣變形進(jìn)行測量，測量結(jié)果能夠達(dá)到較高的亞像素精度。應(yīng)用該方法能夠更加準(zhǔn)確地測量飽和土和非飽和土三軸試驗(yàn)試樣的局部變形，進(jìn)而深入研究土在三軸應(yīng)力狀態(tài)下的變形與強(qiáng)度特性。 本文使用GDS三軸試驗(yàn)儀，并結(jié)合數(shù)字圖像測量系統(tǒng)對陜西楊凌Q3黃土進(jìn)行了三軸條件下的分級固結(jié)試驗(yàn)、三軸濕陷試驗(yàn)、不同應(yīng)力比條件下的三軸

3、增濕試驗(yàn)以及固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，分析和探討了黃土在固結(jié)、濕陷和剪切階段的變形特性和強(qiáng)度特性。通過研究，本文主要取得了如下成果： 首先，通過分析黃土分級固結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了不同圍壓下土體的應(yīng)變和時間之間的關(guān)系，探討了三軸固結(jié)過程中，試樣帽和底座對試樣產(chǎn)生端部約束的影響范圍，嘗試使用圍壓和體應(yīng)變的關(guān)系曲線確定土體的臨界壓力，為進(jìn)一步預(yù)測土體在剪切試驗(yàn)中的應(yīng)力—應(yīng)變形式提供一定的依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)：在某一級圍壓下，無論是軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變

4、還是體積應(yīng)變都和時間呈良好的雙曲線關(guān)系。坐標(biāo)變換后可以得到每級圍壓下的最終應(yīng)變值，擬合發(fā)現(xiàn)最終應(yīng)變值和圍壓呈良好的冪函數(shù)關(guān)系。應(yīng)用通過擬合得到的應(yīng)力—應(yīng)變—時間的經(jīng)驗(yàn)公式不但可以得到給定應(yīng)力水平下的土體最終固結(jié)變形量，而且可以得到任意時刻的變形量。將土樣劃分為11個土段并對其徑向應(yīng)變進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，土體在中間五段的變形比較均勻，其他部分變形差異較大。因此，為減少端部約束對試樣變形的影響，建議采用土體中間五段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理。 基于

5、重塑黃土三軸濕陷試驗(yàn)結(jié)果得到了試樣各截面達(dá)到給定濕陷徑向應(yīng)變值所需要的時間，分析了土體累積濕陷體變率與濕陷時間的關(guān)系，并對重塑黃土濕陷變形影響因素進(jìn)行了探討。研究發(fā)現(xiàn)：土體濕陷應(yīng)變與圍壓、初始含水率和初始干密度均呈反比例關(guān)系。使用試樣中間五段數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到的濕陷應(yīng)變明顯高于使用試樣整體數(shù)據(jù)得到的濕陷應(yīng)變值，但由于端部約束對不同初始條件的土體影響程度不同，因此兩種方法得到的曲線形式并不完全一致。 基于重塑黃土不同應(yīng)力比條件下的三

6、軸增濕試驗(yàn)，定義了單位球應(yīng)力下的濕陷體應(yīng)變ε*vp，以此表明球應(yīng)力對濕陷體應(yīng)變的貢獻(xiàn)率。研究發(fā)現(xiàn)：在相同含水率的情況下，圍壓越大，濕陷體應(yīng)變的值也越大，但同時，圍壓越大，單位球應(yīng)力下的濕陷體應(yīng)變卻越小。提出了由試驗(yàn)結(jié)果得到的ε*vp與含水率w之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，該表達(dá)式中包括峰值單位球應(yīng)力下的濕陷體應(yīng)變ε*vpmax和表征曲線關(guān)系發(fā)生轉(zhuǎn)折時的特征含水率w*這2個待定參數(shù)，可以通過試驗(yàn)確定。通過歸一化處理發(fā)現(xiàn)在4種k值和4種圍壓組合的1

7、6種情況下的試驗(yàn)結(jié)果都分布在S型條帶內(nèi)，通過平均化處理，給出了以特征含水率w*的平均值，最大值和最小值確定的平均特征曲線、下包絡(luò)線和上包絡(luò)線。研究發(fā)現(xiàn)對于參數(shù)ε*vpmax，圍壓水平越低，在不同k值條件下的ε*vpmax之間差異越大，反映出在低圍壓，高偏壓固結(jié)條件下單位球應(yīng)力下重塑黃土?xí)a(chǎn)生更大的濕陷體應(yīng)變，對于實(shí)際工程而言不利于安全，因此在工程中應(yīng)盡量避免低圍壓，高偏壓固結(jié)情況的產(chǎn)生。 最后通過對不同初始條件下的重塑黃土進(jìn)行固

8、結(jié)不排水剪切試驗(yàn)分析了不同初始條件下土體的應(yīng)力—應(yīng)變表現(xiàn)形式，并對圍壓、初始含水率和初始干密度等影響因素進(jìn)行了探討，研究了土體抗剪強(qiáng)度與含水率、干密度的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)在不同的初始含水率和初始干密度條件下，重塑黃土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線既有軟化型又有硬化型。對比局部變形和整體變形的結(jié)果，認(rèn)為在較高圍壓條件下，圍壓對于端部約束對測量結(jié)果的影響起到了限制作用。研究還表明采用局部變形數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其優(yōu)勢在于對軟化型曲線的測量上更加準(zhǔn)確，體變的突

9、變點(diǎn)更加清晰。對于體變的測量更加準(zhǔn)確，試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理方法的差異對于體變—軸向應(yīng)變關(guān)系曲線而言比應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系更加敏感。研究重塑黃土粘聚力和內(nèi)摩擦角與含水率之間的關(guān)系后發(fā)現(xiàn)：由整體變形和局部變形確定的粘聚力和內(nèi)摩擦角都隨著含水率的增大而減小，隨著干密度的增大而增大，且由局部變形確定的內(nèi)摩擦角比由整體變形確定的值要小。含水率對粘聚力和內(nèi)摩擦角都有很大影響，粘聚力和內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加而下降，相關(guān)分析表明粘聚力與含水率二者呈指數(shù)關(guān)系，內(nèi)摩擦