膨胀土长期强度特性试验研究

摘要

膨胀土是一种典型的非饱和土，具有高塑性、多裂隙性和反复胀缩性等灾害性地质土特点。在我国的广大地域分布着层厚、埋深和形态不同的膨胀土，给工程建设带来了诸多困扰。实际工程中许多路堤、边坡、坝基等由于膨胀土流变特性而产生失稳和变形等问题，特别是所产生的强度破坏具有长期潜在的危险。因此基于土流变学理论，开展对膨胀土的非线性剪切蠕变和长期强度特性的研究，建立相关的分析模型和理论，是解决膨胀土工程在长期荷载作用下的强度和变形问题的前提，对指导膨胀土灾害治理具有重要的工程意义。本文在综合分析国内外对土流变研究的基础上，吸取了国内外在流变学特别是土流变学方面的最新研究成果，依托国家自然科学基金项目“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）等科研课题，开展了南宁膨胀土长期强度特性展开研究。通过室内流变试验、流变理论分析和数值计算，论文主要取得了以下结论及创新成果:
　　 (1)南宁膨胀土非线性剪切蠕变特性及模型研究
　　 1)膨胀土的剪切蠕变曲线分为衰减蠕变和非衰减蠕变。当水平剪应力较低时，蠕变曲线进入衰减阶段，呈衰减型蠕变;当水平剪应力较高时，剪切蠕变曲线分为衰减阶段、等速阶段和加速阶段，呈非衰减蠕变。
　　 2)根据剪切蠕变曲线可得剪应力-应变等时曲线，可知膨胀土的应变随着时间的发展而增加;等时曲线是一簇曲线，水平剪应力较低时为线性，随着水平剪应力的增大呈非线性;水平剪应力恒定时，竖向应力大的等时曲线非线性程度越明显。说明膨胀土的剪切蠕变不仅是时间的函数，还与应力水平有关，亦即膨胀土的剪切蠕变具有非线性蠕变特点。
　　 3)通过对膨胀土非线性剪切蠕变特性的试验研究和分析，基于ORIGIN数值分析与拟合，建立了非线性的蠕变经验模型，该模型的理论值和试验值的拟合度较高，能准确的描述膨胀土的非线性剪切蠕变特点，丰富了土的非线性流变研究理论，也为膨胀土在长期荷载作用下的变形计算提供了理论论据。
　　 (2)南宁膨胀土长期强度特性及理论模型研究
　　 1)通过对膨胀土的剪切蠕变试验，同时可对其进行长期强度特性研究。由试验得到的长期强度曲线发现，膨胀土的长期强度极限小于瞬时强度，随着时间的发展，膨胀土的长期强度逐渐降低。
　　 2)南宁膨胀土的长期强度发展可分为两个不同的阶段:前期阶段土的强度在短时间内降低很快;后期阶段膨胀土的强度在很长时间内缓慢降低并逐渐趋近于某一稳定的长期强度极限。
　　 3)在直剪试验条件下，膨胀土的长期抗剪强度与竖向应力有关，长期强度在不同时间的发展均服从库伦强度定律。竖向应力越大，同一时刻膨胀土的长期强度也越大。
　　 4)由于膨胀土的强度随时间降低，根据莫尔-库伦条件可得到不同时刻的粘聚力和内摩擦角。通过研究发现，膨胀土的粘聚力和内摩擦角随时间的发展而降低，粘聚力的变化较为明显，随时间变化大，而内摩擦角的变化较小，受时间的影响较小。
　　 5)通过对膨胀土长期强度曲线的分析，运用数值分析软件对曲线进行拟合，对不同竖向荷载下的参数进行回归，建立了能描述膨胀土的长期强度发展的非线性经验模型τ=f(σ,t）。经验证该，该模型能较好地反映出南宁膨胀土在长期荷载作用下强度随时间的变化规律，能直观、快捷的得出长期强度的相关参数，且根据该模型得到的理论值和试验结果高度吻合。
　　 开展膨胀土长期强度特性研究，建立相关理论和模型，进一步丰富了土流变学理论，也为膨胀土工程的长期强度和变形分析提供可靠的理论依据，具有广泛的工程应用价值。

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 国内外的研究现状及水平

1．2．1 土的流变特性研究现状

1．2．2 膨胀土的流变理论研究现状

1．2．3 长期强度的研究现状

1．3 本文研究的主要内容和方法

1．4 本文的主要工作

2 土的流变理论

2．1 土的流变特性研究

2．1．1 蠕变特性

2．1．2 应力松弛

2．1．3 长期强度

2．1．4 弹性后效

2．2 土的流变模型理论

2．2．1 土流变的理论模型

2．2．2 土流变的经验模型

2．2．3 土流变的半经验理论模型

2．3 土的长期强度理论

2．3．1 土的强度降低派

2．3．2 土的强度提高派

2．3．3 土的强度不变派

2．3．4 土的强度不定派

2．4 本章小结

3 南宁膨胀土剪切蠕变试验及成果分析

3．1 试验概述

3．1．1 试验研究目的

3．1．2 试验设备

3．1．3 试验土样及制备

3．1．4 试验方法

3．1．5 试验方案与步骤

3．2 南宁膨胀土非线性剪切蠕变曲线分析

3．3 南宁膨胀土等时曲线分析

3．4 南宁膨胀土非线性流变机理分析

3．5 本章小结

4 南宁膨胀土非线性剪切蠕变模型研究

4．1 概述

4．2 不同竖向应力作用下南宁膨胀土非线性剪切蠕变特性

4．3 南宁膨胀土非线性剪切蠕变经验模型

4．4 本章小结

5 南宁膨胀土长期强度特性及模型研究

5．1 岩土的蠕变和长期强度

5．2 南宁膨胀土的长期强度试验曲线

5．2．1 长期强度破坏条件

5．2．2 长期强度破坏准则

5．2．3 南宁膨胀土的长期强度曲线及特性分析

5．3 南宁膨胀土长期强度经验模型研究

5．3．1 长期强度方程

5．3．2 南宁膨胀土长期强度经验模型

5．4 本章小结

6 结论和展望

6．1 本文研究工作总结

6．2 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