膨脹土非線性應(yīng)力松弛特性試驗研究.pdf

1、膨脹土是一種特殊的災(zāi)害性土，在我國的分布范圍非常廣泛。隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的迅速發(fā)展，越來越多的基礎(chǔ)設(shè)施不可避免地要修建在膨脹土地基上。由于對膨脹土的蠕變、應(yīng)力松弛和長期強度等流變特性方面的理論研究還相對滯后，阻礙了對膨脹土災(zāi)害治理方面的工程技術(shù)的發(fā)展。因此，開展膨脹土的應(yīng)力松弛特性研究，對于保證膨脹土地區(qū)工程建設(shè)的安全和長期穩(wěn)定具有重要的意義。本文針對廣西南寧膨脹土，依托國家自然科學(xué)基金資助項目“膨脹土非線性流變特性研究”（項目編號:50

2、978097），以及湖南省科技廳資助項目“膨脹土非線性流變特性本構(gòu)模型研究”（項目編號:2010SK3047），在通過大量閱讀國內(nèi)外有關(guān)研究文獻的基礎(chǔ)上，針對南寧膨脹土的非線性應(yīng)力松弛特性，開展了相關(guān)的試驗研究和理論分析。所開展的主要研究工作如下。
　　(1)試驗研究工作
　　①膨脹土的基本物理、力學(xué)性質(zhì)試驗:根據(jù)試驗規(guī)程，開展了液塑限、擊實試驗、膨脹性試驗等基本物理、力學(xué)性質(zhì)試驗，測定了膨脹土的各項基本物理和力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。

3、
　　②膨脹土的三軸試驗研究:采用非飽和土三軸試驗系統(tǒng)的不固結(jié)不排水模塊(UU)，對不同初始條件下的膨脹土進行三軸試驗。
　?、叟蛎浲恋娜S應(yīng)力松弛試驗研究:采用長春機械科學(xué)研究院有限公司生產(chǎn)的TSS10型土體三軸流變試驗機，對在不同初始條件下的膨脹土進行一系列的室內(nèi)應(yīng)力松弛試驗。
　　(2)理論研究工作
　　①基于土流變學(xué)理論，并通過分析室內(nèi)三軸應(yīng)力松弛試驗結(jié)果，探索了在不同初始條件下膨脹土的應(yīng)力松弛規(guī)律。

4、r>　　②根據(jù)對試驗結(jié)果的分析，確定了應(yīng)力松弛的特征指標(biāo)。探索了各種因素對膨脹土應(yīng)力松弛特征指標(biāo)的影響規(guī)律，并對膨脹土的應(yīng)力松弛特征及其演化過程規(guī)律開展了相關(guān)探索性研究。
　?、刍诜謹?shù)階微積分理論和土流變學(xué)理論，根據(jù)應(yīng)力松弛試驗結(jié)果，引入了分數(shù)階軟體元件對膨脹土非線性應(yīng)力松弛模型進行了改造;在此基礎(chǔ)上，考慮膨脹土的粘滯劣化，建立了膨脹土非線性應(yīng)力松弛分析理論，確定了各模型參數(shù)，并進行了試驗驗證和對比分析。
　　通過上述研究

5、，主要得到了以下研究進展和創(chuàng)新結(jié)論。
　　(1)在不同的初始條件下，膨脹土的應(yīng)力松弛規(guī)律均相似，應(yīng)力松弛曲線具有明顯的非線性。應(yīng)力松弛曲線可以劃分為快速松弛、減速松弛以及穩(wěn)定三個階段。膨脹土的應(yīng)力松弛屬于非完全衰減型松弛。
　　(2)在不同的初始條件下，膨脹土的應(yīng)力-應(yīng)變等時曲線呈現(xiàn)出兩個不同的變形階段。也就是說，在較低的應(yīng)變水平時，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為線粘彈性變形階段;隨著應(yīng)變水平的提高，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為非線性粘彈

6、性變形階段。應(yīng)變水平越高，其非線性特性越明顯。
　　(3)膨脹土的含水量越高、受到的圍壓越小、壓實的程度越小以及應(yīng)變水平越高，其應(yīng)力松弛程度就越高。
　　(4)應(yīng)用分數(shù)階導(dǎo)數(shù)理論構(gòu)造的軟體元件取代了傳統(tǒng)元件模型中的理想粘滯元件，并考慮粘滯系數(shù)的損傷劣化，可以更加準(zhǔn)確地反映膨脹土的非線性應(yīng)力松弛特性。
　　(5)在應(yīng)力松弛過程中，膨脹土的模量不再是常量，而是與初始條件有關(guān)的變量。其實質(zhì)是，由于在長期應(yīng)變作用下，土體內(nèi)部產(chǎn)

7、生微裂縫而引起的損傷累積所致。這正是反映了在常應(yīng)變條件下應(yīng)力松弛的內(nèi)在機理，即模量隨時間增加而減小，導(dǎo)致應(yīng)力隨時間增加而減小。
　　(6)通過對傳統(tǒng)的整數(shù)階模型的改進，得到了分數(shù)階的St.Venant應(yīng)力松弛分析模型。建立了膨脹土的應(yīng)力松弛分析理論，提出了膨脹土的松弛模量和松弛應(yīng)力的計算公式。在此基礎(chǔ)上，確定了各松弛模型參數(shù)，明確了模型參數(shù)的物理意義。通過與其它模型計算結(jié)果的對比分析，驗證了所提出的膨脹土應(yīng)力松弛分析理論的可靠性和