基于冻融干湿作用的非饱和黄土力学性质试验及工程应用研究

摘要

影响边坡稳定和变形的因素众多,冻融循环、干湿交替、降雨入渗都是诱发其失稳的主要因素，强烈改变着浅层岩土体的微观结构和物理性质，导致岩土体的强度参数、抗剪强度都变小，引起强度劣化。自然界中土体多以非饱和形式存在，而土水特征曲线(SWCC)是非饱和土强度研究的基础和重点，是解释非饱和土工程性质的本构关系之一。因此如何利用土水特征曲线正确分析边坡稳定性对工程实践具有重要指导意义。抗滑桩是边坡加固的重要措施之一，利用桩-土间的土拱效应原理来平衡滑动土体的滑动力进而显著增强其稳定性。本文针对兰州地区的非饱和重塑黄土，进行了不同干密度、含水量下 SWCC 的测定及考虑冻融循环、冻融干湿作用对基质吸力、SWCC 的定量影响。在此基础上，通过ABAQUS 软件中的强度折减功能，考虑冻融循环、干湿交替、桩土接触，建立数值模型对抗滑桩加固边坡进行了整体稳定性分析。主要研究内容及主要研究结论如下： 1. 采用滤纸法测定基质吸力，分析含水量、干密度对非饱和黄土脱湿曲线、吸湿曲线及滞回环的影响以及冻融循环、冻融干湿循环对基质吸力的影响。试验结果：不同含水量的吸湿、脱湿曲线存在滞回环且滞回环随含水量的增加而增大；不同初始干密度的吸湿、脱湿曲线存在滞回环且滞回环随干密度的增大而减小，干密度越小脱湿速率越快，持水能力越弱，干密度越大规律正好相反；基质吸力随冻融循环、冻融干湿循环呈对数函数减小；冻融和干湿循环对 SWCC 的影响显著，但随着冻融和干湿循环次数的增加 SWCC趋于稳定。 2. 利用 Origin 软件对已测得的非饱和黄土各工况下的试验数据采用Gardner公式、Fredlund & Xing 公式、Van Genuchten公式进行拟合，结果表明Gardner 公式虽然简单，但拟合曲线与试验数据最接近；基于 Gardner 公式拟合得到的各工况下的 SWCC，更进一步利用 Childs & Collis-Geroge 模型计算非饱和土渗透系数，得到各工况下渗透系数与基质吸力或体积含水率的关系。 3. 采用直剪仪对非饱和黄土进行直剪试验，研究冻融次数、冻融干湿耦合次数、干湿路径、含水量对抗剪强度和强度参数的影响。试验结果表明：冻融作用条件下，黏聚力随冻融作用呈指数函数减小，内摩擦角随冻融作用呈指数函数增大，随冻融次数增加抗剪强度增大；冻融干湿耦合条件下，黏聚力和内摩擦角均随着冻融干湿耦合作用呈指数函数减小，随冻融干湿耦合作用增加抗剪强度减小；干湿路径对抗剪强度有一定影响，先吸湿后脱湿下的抗剪强度和强度参数比先脱湿后吸湿下的大；基于试验数据建立非饱和黄土随含水量、冻融次数、冻融干湿作用变化的强度参数定量表达式并验证了其可靠性，为今后的强度模型研究 奠定基础。 4. 利用 ABAQUS研究冻融作用、降雨蒸发对桩体加固三维边坡的稳定性影响，数值模拟表明：冻融作用导致边坡稳定系数显著降低；降雨时长、降雨强度、桩间距对稳定系数有显著影响，降雨导致坡体内最大饱和度范围增大，非饱和区的饱和度增大，桩体两侧饱和度呈阶梯状分布。冻融干湿作用引起非饱和土力学性质发生改变，导致边坡的稳定性发生改变。因为冻融干湿作用使得土体内水分发生迁移和蒸发，导致土颗粒骨架破碎，土体内部微观结构破坏，使得土体的抗剪强度和强度参数改变，最终引起边坡失稳。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究的背景

1.2 研究意义和内容

第2章 非饱和重塑黄土土水特征曲线研究

2.1 土水特征曲线的定义及影响因素

2.2 滤纸法

2.3 试验材料及试验方案

2.4 研究各因素对黄土土水特征曲线的影响

2.5 土水特征曲线拟合

2.6 非饱和渗透系数预测

2.7 本章小结

第3章 非饱和黄土的剪切试验研究

3.1 引言

3.2 非饱和土的有效抗剪强度研究

3.3 非饱和重塑黄土试验土样与方案

3.4 冻融前抗剪强度及强度参数

3.5 冻融作用对抗剪强度及强度参数的影响

3.6 冻融干湿耦合对抗剪强度及强度参数的影响

3.7 讨论

3.8 本章小结

第4章 考虑冻融干湿的非饱和黄土工程应用研究

4.1 抗滑桩研究现状

4.2 抗滑桩支护技术

4.3 ABAQUS软件中的强度折减法

4.4 计算算例

4.5 本章小结

结论和展望

结论

展望

参考文献

致谢

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