膨胀土非线性剪切应力松驰特性试验研究

摘要

膨胀土在长期荷载作用下的剪切应力松弛问题是其流变特性研究的主要内容之一。由于膨胀土的粘粒含量高、塑性指数大，其流变特征非常明显。此外，膨胀土本身具有吸水体积膨胀、强度下降，失水体积收缩、强度部分恢复的特性，使其流变的特征较一般软土而言更具复杂性。因此，开展这方面的研究，探索膨胀土在长期荷载作用下的剪应力松弛模型、松弛规律及应力松弛条件下的长期抗剪强度发展规律具有比较重要的理论价值。通过相关研究，可为膨胀土工程的应力、强度、变形和稳定分析提供相对可靠的理论依据，为治理膨胀土滑坡、泥石流等地质灾害奠定理论基础。本文在国内外已有的研究基础上，以广西南宁非饱和膨胀土为研究对象，依托国家自然科学基金资助项目“膨胀土非线性流变特性研究”（项目编号:50978097），以及湖南省科技厅资助项目“膨胀土非线性流变特性本构模型研究”（项目编号:2010SK3047），开展了对膨胀土非线性剪切应力松弛特性的研究。通过一系列室内剪切应力松弛试验研究，以及理论分析和数值分析，探讨了不同初始条件下的膨胀土剪切应力松弛特性，取得了以下几个方面的主要结论及创新成果:
　　 1、剪切应力松弛试验研究:
　　 ①在不同初始条件下，膨胀土具有相似的应力松弛规律，剪切应变刚加上时，剪切应力快速衰减，随着时间的增加，应力松弛速率逐渐减小，剪切应力逐渐衰减至某一稳定值，属于非完全松弛型。
　　 ②膨胀土的松弛曲线都可以明显的分成三个阶段:瞬时松弛阶段、衰减松弛阶段、稳定松弛阶段。
　　 ③不同初始条件下的，不同时刻的剪切应力-应变等时关系曲线都是非线性的曲线，说明南宁膨胀土具有明显的非线性流变特性，的确是一种弹、粘、塑性体。
　　 ④膨胀土的应力松弛特性与初始剪切应变、含水率、竖向荷载等有关。含水率越高，或者竖向荷载越小，或者初始应变越大，或者时间越长，则膨胀土的流变特性及其非线性程度就越高。
　　 2、剪切应力松弛理论模型研究:
　　 通过对膨胀土的剪切应力松弛特性的分析，选取了H—(H|N)—(N|V)五元件模型及其松弛方程来描述膨胀土的剪切应力松弛特性，经验证，其理论值与试验值有较好的吻合度，该模型能较好地反映出南宁膨胀土的应力松弛过程中剪切应力随时间衰减的规律，具有一定的工程应用价值。
　　 3、非线性剪切应力松弛特性经验模型研究:
　　 通过改进剪切应力对数与时间对数的线性关系建立了非线性应力松弛经验模型，并与五元件理论模型进行了对比。非线性经验模型在衰减松弛阶段的拟合效果更好。非线性经验模型考虑了应变水平对应力松弛的影响，直观地反映了南宁膨胀土的非线性应力松弛特性，更加符合工程实际，可为膨胀土非线性应力松弛问题的计算分析提供比较可靠的理论依据。
　　 4、膨胀土长期抗剪强度方程的研究:
　　 基于膨胀土的剪切应力松弛试验，建立了膨胀土的长期抗剪强度及其强度指标（粘聚力和内摩擦角）的经验方程。通过数值分析确定相关参数后，比较理论值与试验值的吻合度，验证了其可靠性、合理性。可以为膨胀土地区中，各类岩土工程的稳定性计算分析提供相关的理论依据及参考，具有一定的理论价值及工程意义。

目录

声明

摘要

主要符号与说明

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 土的流变试验及理论研究现状

1．2．2 膨胀土的流变试验及理论研究现状

1．2．3 土的应力松弛特性研究现状

1．3 本文的主要研究内容及方法

1．4 本文的主要工作

2 土的流变学基本理论

2．1 概述

2．1．1 土的流变特性

2．1．2 土的应力松弛特性

2．2 土的应力松弛流变理论概述

2．2．1 从土流变的细微观研究建立本构方程的理论

2．2．2 从土流变的宏观研究建立本构方程的理论

2．3 土流变问题的解析

2．4 土的非线性流变问题

2．5 本章小结

3 膨胀土剪切应力松弛试验及成果分析

3．1 概述

3．2 土样的基本物理化学性质

3．3 膨胀土的剪切应力松弛试验

3．3．1 试验土样的制作

3．3．2 试验仪器及试验方案

3．4 不同初始条件下的剪切应力松弛试验成果分析

3．4．1 剪切应力松弛曲线分析

3．4．2 剪切应力-应变等时曲线分析

3．5 膨胀土应力松弛特性的影响因素分析

3．5．1 含水率对剪切应力松弛的影响

3．5．2 竖向荷载对剪切应力松弛的影响

3．5．3 初始应变对剪切应力松弛的影响

3．5．4 温度对剪切应力松弛的影响

3．5．5 物质组成对剪切应力松弛的影晌

3．6 本章小结

4 膨胀土剪切应力松弛特性理论模型研究

4．1 概述

4．2 膨胀土剪切应力松弛特性理论模型形式

4．3 膨胀土剪切应力松弛方程及参数确定

4．4 本章小结

5 膨胀土非线性剪切应力松弛特性经验模型研究

5．1 概述

5．2 膨胀土剪切应力松弛特性经验模型研究

5．2．1 对数坐标下的剪切应力松弛曲线

5．2．2 南宁膨胀土剪切应力松弛经验模型的建立

5．3 膨胀土非线性剪切应力松弛方程及参数确定

5．4 本章小结

6 基于剪切应力松弛试验的膨胀土长期抗剪强度

6．1 概述

6．2 膨胀土的长期抗剪强度方程及参数确定

6．3 本章小结

7 结论与展望

7．1 本文研究工作的总结

7．2 对今后研究工作的展望

参考文献

攻读学位期间的主要学术成果

致谢