（岩土工程专业论文）冻融作用下辽西风积土结构性研究.pdf

辽宁工程技术丈学硕士学位论文 摘要 针对辽西风积土，通过含水率试验、密度试验、土粒比重试验、 颗粒分析、界限含水率、固结试验、击实试验、三轴剪切试验的测定， 系统地研究了风积土的物理力学性质，进而对土体的初始结构性进行 评价。 考虑影响土体冻胀融沉的温度、含水率、载荷、千密度，地下水 埋深的五个主要因素，采用5 因素9 水平的均匀设计。根据试验结果 分析了各因素对冻胀融沉的影响规律以及温度、水分场、冻胀力变化 规律。利用均匀设计软件和参数优化软件，建立土体基于均匀设计的 预报模型，并利用建立的模型对不同的温度、水分和干密度、地下水 位条件下土体的冻胀量和融沉量进行预报。 采用微观测控软件观测冻融对土体微观结构性影响，通过土体在 冻结和融化阶段的强度与变形的特性反映冻融对土体结构性宏观上影 响。 经过试验和理论分析，建立了反映冻融对土体结构性影响的动态 结构性参数。基于损伤理论，引进结构性参数作为其损伤比，建立考 虑冻融作用的土体结构性模型，由于结构性参数中包含了温度、水分、 应力的相互作用对结构性的影响，因此该模型间接反映了温度场、水 分场和应力场的耦合作用。 关键词：结构性；风积土；均匀设计；冻融；本构模型 辽宁工程技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep h y s i c a lp r o p c ：n y 觚dm e c h a i l i c sp r o p e r i yo fa e o i i a ns o i li n 伍ew e s to f l i a o 血gp r o ，i n c ei ss u d i c ds y s t e f m l j c a 】l yb yp e f c e n tm o i s m 陀n t e n tt e 啦d e n s 毋 t e s t ，s p l e c i f i cd 铋s i t yt e s t ，m e c h a l l i c a la n a b s i st e s t ，c r u c i a lw a t e r c o n t e n tc o e 岱c i e n t t e s t ，c o n s o l i 删0 nt e s t ，c o m p a c t i o nt e s t ，t r i a x i a lc 0 l p r e s s i t e s t t h es o i l si n j t i a l 咖c 删c l l a 删s t i ci sa l s 0g a i l l e db yc o m p 鲥曲ga 1 1 a i y s i si i lm em i d d l eo f e x l ) e 曲e n t c o i l s i d e m gt l l ei i l n u e n c eo ft c l n p e r a n 聆，p e r c e n tm o i s t l l r ec o n t e l 止l o a d ，d r y d e n s i 魄t h eg r o u i l dw a ：【e rb u r y 协gd e p t hf i v ep r i m a r yf 缸t o r s ，f b e z e - t h a we x p 幽c n t s c h 啪ea d o p 协5 鼬。培9l e v c l s - u n i f b r n ld e s i 弘1 kv a r i o 璐加t o r si 1 1 n u e n c e 嬲 w e na st h et e m p 煳t u r ef i e i d ，t l l em o i s m r ef i e l d ，t h e 舶咖h e a v ef o r c ec k m g er i l l ea 锄l y z c da c c o r d i n gt on t e s tf c s m t u s i n gt l l es o f h v a m w u s t e s t a b i i s h c sm e f o r a ：硒tm o d e lb a s c d0 nu n i f b r n ld e s i 班a n du 辩st l l ee s t a b l i s h m e n tm o d e lt of o r e c a s t d i 任b r e n tt e m p e r a t u r e ，1 0 a d ，p e r c c n tm o i s t u r ec o m e n t ，m ed r yd e n s i t y 觚dt l l e g r o 啪d w a e rl e v e ic o n d i d o l lt 置l es o i i 劬z e i l h e a v eq u a n t i t y 孤dt l l a w - s e d i i l l 组t i o n q u a n t i 够 1 1 l eo b s e a t i o no fi 沁e z i n g 锄dt l l 栅n gi n n u e n c ct ot h es o nm i c r o s c o p i c s m l c t a lc h 删e r i 如ci s 咖d t h r o u g ht h em i c r o s c o p i c 曲s e n ，a t i o na n dc o n t r o l s 0 矗w 黜t h es 雠n g t h 釉dd i s t o n i o n 妇t 嘶s t i cr e n e c tm 鲥o s c 叩i ci i l f l u e n c et o t h es 饥j c t i l r a lp i q ) e r 够 a f c e rc x p 耐m e n t 趴dm e 0 硎c a l 趾a i y s i s ，ie s t a b l i s ht t l er e n e c t i o n 舶e 五n ga n d m a w i i i gt 0t l l es o i ls t r u c t i l r a lc l l a r a c t e r i s t i ci i l f i u e n c ed 脚i cs t m c t u 】嗡lp 啪m e 衄： b a s e do nt h e 幽m a g et h e o i mc o n s i d e r e dt h ef k e z 抽g 锄d 也砒gf h n c t i o n ，绌e nm e s 仃u c t i l r a ip a m m e t 盱稿d a i i l a g ef a d i o ，ie s t a _ b l i s hs o i ls n i l 曲啪lm o d c l b e c a u m e s n l l c ：t i l r a lp 咖咖l l a sc o n t a i l l c dt h et e m p 锄l n 雌6 e l d ，t 1 1 em o i s t u 糟f i e l d ，t h es 吮s s f i e l dm m u a lf m l c t i o nt om e 咖咖r a li n f l u e n c e t 1 1 e r e f o r et h j sm o d e lh a sr e f l e c t e dt h e t 锄l p e m t u r ef i e l d ，t h c 姚驴r a t m 矗e l d ，也em o i s m r ef i e l d ，觚d 恤s t r e s sf i e l d c o u p l i n gf 【m c t i o ni n d i c t l y k e ，rw o r d s = s t r u c t l l m lc l l a r a c t e r i s t i c ；a c 0 j i 锄s o i l ；u n i 细md e s i 驴；侬j e z i l l ga i l d 删n g ；m a m e m a 廿c a lm o d e l 创新点声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果：( n 采思五固索里水垩的均匀递诗i 根援试验 结果盆扳工备固素对途月妊融沉的影胞趣豫。丛厦温度i 水分场! 一班胀 力变化规徒；( 盥丕蜩均匀朦让熬往至唆数优化獠佳。建寞土链基士 均鱼竣进姐冻隧融掘预报撼型i ( 盟笼捌丛塞观担微阻角糜金折工风 熬途融前后结构：眭变化；= _ ：2 经过殖_ 体遮融过程魄试验分衍_ 建 寞工厦映选融澍体结扭挂影响的动态结构蛙参数i 1 堕基于损伍理 融，呈【进结扭惶参数佳煎墓掾缒l k 建童耋廛盗鼬作用的体缝抱性 模型。 作者：h 期： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 土体结构性的研究现状 “ 1 1 1 未冻土结构性的研究现状 土体的结构性，是指土体颗粒和孔隙的性状和排列形式 ( 或称组构) 及颗粒之间的相互作用。绝大多数天然土都有 一定的结构性【l 儿2 1 。 土的结构性研究最早始于19 2 5 年t e r z a g h i 提出的蜂窝结 构的概念。后来0 0 l d s c h m i d t 于l9 2 6 提出了片架排列结构， 19 3 2 年，c a s a g r a n d a 发展了t e r z a g h i 的蜂窝结构提出了“键 合粘土”的概念【3 l 。这些早期的研究由于缺乏有效的观测手 段，难以对复杂的土体结构性进行有效的分析，只是停留在 感性的认识上。2 0 世纪5 0 年代中期一2 0 世纪6 0 年代后期， 随着观测手段和方法的提高，人们对土的微观结构形式的研 究更加深入，开始注意到结构要素全面性和结构单元的定向 分布性。2 0 世纪6 0 年代末期2 0 世纪8 0 年代中期，人们开 始寻找反映结构性的定量化参数。但由于土体结构的复杂性， 无论是在微观结构的定量化还是宏观力学表现上与人们的要 求相差甚远。2 0 世纪8 0 年代至今，随着土的结构性研究的 深入，已有学者学相继提出了土体的结构性参数的概念 f 4 卜【6 1 ，并逐渐与土的物理力学性质和工程性质建立联系。 目前，国内外许多知名学者和专家对土体结构性研究进 行了有效的探索，并在以下几个方面进行了大量的相关研究 工作。 ( 1 ) 结构性对土的物理特性影响的研究 龚晓南等人通过对粘土不同压力下进行原状土与重塑土 的渗透试验，研究粘土结构性对渗透性的影响f7 卜【9 】；孙炳楠 等人利用粘土原状土、重塑土和固化剂固1 加固的粘土的渗 透特性试验结果，对比分析由于结构性而引起的渗透系数变 化规律【1 0 】；a d a t h e ，s e i n s ，j n i e m e y e r 等人通过图象分析了 土体内在分形维数，并建立了分形维数与溶质运移的关系 ；刘维宁等人通过简单计算和实测结果分析了反映土体结 构性指标之一的孔隙率对地下结构外水荷载的影响【1 2 1 ；张保 华等采用平均结构直径和结构分形特征进行评价，并研究了 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 土壤渗透性、持水性等水分特性【l3 1 。 通过以上研究成果表明：结构性对土的渗透特性、孔隙 率、粒径等物理性质有明显影响。 ( 2 ) 结构性对土的力学特性的研究 王淑云等分析了几组原状、重塑和配制土样的静三轴试 验结果，认为结构性是影响粉砂应力应变关系和强度特性的 主要因素之一【1 4 】；谢定义、骆亚生等人研究了黄土在压缩试 验状态下的结构变化特性i l5 1 ；沈珠江、胡再强等人也针对结 构性黄土研究中的不足和存在的问题，以原状结构性黄土样 和人工制备结构性黄土样2 种试样的室内侧限压缩试验、等 含水量三轴剪切试验和浸水变形试验以及等吸力三轴剪切试 验为基础，得出了结构性黄土存在一个与广义应力路径无关 的湿陷面，结构性黄土的变形与结构强度的破坏有直接的关 系【1 6 1 ；齐明山、冯翠霞等人采用恒荷重速率试验法，认为原 状黄土由于结构性的影响，其变形分三个阶段，依次为结构基 本完好阶段、结构破坏阶段、重塑阶段1 1 7 1 ；陈铁林等研究 了结构性黏土和重塑土不同速率下的压缩和剪切特性【1 8 】；王 立忠等人分析原状软土和重塑土不同的压缩性状以及加压率 对土体压缩性状的影响。在此基础上提出新的折线形原位压 缩曲线确定方法【”】。 通过以上对粉砂，黄土、黏土研究表明：结构性对它的土 的应力一应变关系、压缩特性、各向异性、固结系数等力学 性质影响显著【20 1 。 ( 3 ) 结构性对土的工程特性的研究 t a d i i k s t f a 研究了黄土的结构性及其对土体滑坡的影 响【2 1j ；孔令伟，汪稔等通过对湛江海域结构性海洋土的工程 特性的研究，揭示了其影响爆炸挤淤施工的机理【2 2 】【2 3 1 ；陈 云敏、王军进行了土结构性对预压软基稳定性影响分析【2 4 1 ， 并建立了软土地基一维固结模型和解析解2 5 】【26 1 。徐永福等 研究了结构性软土中打桩引起的超孔隙水压力的分布规律 【27 】；郝玉龙、王立忠等人提出了考虑软土结构性的地基沉降 计算方法【28 】：另外，还有学者对含结构性土的土工结构物的 稳定性进行了分析1 29 1 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 通过对黄土、海洋土、软土的结构性研究表明其对工特 性有很大的影响【3 0 1 - 1 32 1 。 ( 4 ) 试验技术和手段 早期的土结构研究进展缓慢，且局限于定性研究。近年 来一些新兴技术特别是扫描电镜、电子探针、透射电镜、s e m 、 压贡法【3 3 l 【3 引、计算机图像处理技术测试技术i 35 】【38 1 、数字照 相变形量测技术【3 9 1 电阻率特性参数法【4 0 】1 4 、袖珍贯入仪1 4 2 j 被陆续引入到土的结构研究领域，特别是c t 技术得到关注。 陈正汉等【4 3 】研制了一种能和c t 机配套使用的非饱和土三轴 仪。该仪器除具有非饱和土三轴仪的全部功能外，还能在试 样过程中对土样内部结构进行动态、定量和无损地量测，使 c t 技术应用有了新的前景。 由于土的结构性，要从现场中取得大量同样力学性状的 未扰动结构性土是及其困难的，因而在室内用人工方法制备 出力学特性相同的结构性土对其研究有重大意义。结构性粒 状土的人工制备已经用高温燃烧进行了尝试【44 1 。蒋明镜【4 5 】 等对结构性粘土试样人工制各方法进行了研究，通过在原料 软土中掺入冰粒和微量水泥，人工设定化学胶结作用和大孔 隙组构来模拟天然粘土的结构性，为结构性粘土的模型化创 造了有利条件。 ( 5 ) 土的结构性本构模型 为了描述原状土中普遍存在的结构破损现象，需要建立 相应的本构模型一结构性模型和相应的分析理论一逐渐破损 理论 46 1 。目前对土结构性模型研究已有涉足，下面分别介绍近 年来专家、学者们建立的结构性本构模型。 1 ) 损伤力学角度 沈珠江首先从损伤力学观点出发，假设土体特性为由原 状土特性和损伤土( 扰动土) 的特性组成：s = ( 1 一w ) 墨+ 蚂，w 为损伤比。分别对原状土和损伤土采用两种不同的损伤函数， 推导了弹塑性损伤矩阵【d k ，建立结构性粘土的弹塑性损伤 模型【4 。随即又对该模型加以简化，提出了一个更实用的非 线性损伤力学模型【48 1 。后来把变形过程中的结构土看作不同 大小土块的集合体，提出了结构性粘土的堆砌模型【4 。陈铁 辽宁工程技术大学硕士学位论文4 林等在堆砌体模型基础上，采用过应力理论，建立了结构性 粘土的流变模型【50 1 。 何开胜等利用损伤函数和损伤演化规律建立了描述结构 性粘土变形的弹粘塑损伤模型i5 。 2 ) 综合结构势 谢定义等提出了一个既能反映结构性关于颗粒排列( 即 几何特征影响) ，又能反映结构性关于颗粒联结( 即力学特征 影响) ，并具有简便、明晰特点的结构性定量指标一综合结构 势l 5 2 1 。 埘，= 卺= 器= 警， 式中：& 、只、影分别为原状样、饱和样和重塑样在某一压力 下的变形量。他们将引入土的变形本构关系和强度本构关 系，首次得到以结构性参数为基础来描述变形和强度的本构 关系，表达式为： 铲邵卜薏一e 卜c 卜：， 铲邵卜嚣一目卜， 铲邓卜嚣一彤卜。， 式中：研埘，2 为与q ，岛相对应的球应力结构性参数；m 护聊口2 为 与毛，兄或f 。，吒相对应的偏应力结构性参数； 以、吃、4 、坟、彳，、易为待定系数 3 ) 考虑结构性的改进本构模型 饶为国、赵玉刚等人在回顾剑桥模型的基础上，基于经 典塑性理论引入综合结构势，建立了考虑结构性影响的土体 本构模型【5 3j ；w o o d 也提出在剑桥模型上再加两个屈服面的 气泡模型来建立土的结构性模型5 4 】；王立忠