基于路径影响的河道淤泥气泡混合土强度与变形性质研究

摘要

在不同的岩土工程中，土体可能会经历不同的应力路径。然而目前大多数实际岩土工程中，例如常见的基坑开挖工程，往往都是采用通过室内常规试验方法获取的土性参数来进行设计，忽略了应力路径对土体强度变形性质的影响。然而许多国内外研究结果表明，不同应力路径下土体的强度变形明显是有区别的。对于卸荷路径若采用加荷路径下的土性参数进行设计，必然会引起较大的误差。因此，有必要对不同应力路径下土的强度变形性质进行系统的研究。然而目前对河道淤泥气泡混合土（FMLSS）这种新型土工材料在不同应力路径下的强度变形性质的研究还存在一定的空白。 本文以河道淤泥为原料土，加入气泡和水泥，制成河道淤泥气泡混合土，利用SJ-1A型三轴剪切仪和ZJ型直剪仪，对其进行了不同应力路径试验，包括常规三轴压缩试验（CTC）、侧向卸荷压缩试验（RTC）、常规直剪试验（IGK）、固结卸荷直剪试验（DGK）和回弹变形试验，研究不同应力路径对河道淤泥气泡混合土的强度变形性质的影响。主要研究结论如下： （1）河道淤泥气泡混合土在常规三轴加载试验和侧向卸荷压缩试验下得到的应力—应变曲线均呈双曲线型，且均为非线性曲线，都表现为应变硬化型；土体抗剪强度参数在不同应力路径试验中差异较大。常规三轴加载路径下的内摩擦角、粘聚力明显大于侧向卸荷路径条件。曲线的初始切线模量随着围压的增加而减小，主应力差随围压的增加而增大，各曲线主应力差对应的应变也随围压的增加而增大。常规加载路径的破坏强度大于侧向卸荷路径条件。在相同偏应力条件下，侧向卸荷路径的应变明显小于常规加载路径条件。 （2）回弹变形试验中，土体初始回弹变形比较小，随着卸荷的进行，回弹变形幅度增大，到后期回弹变形幅度又减小，最终趋于一个稳定值。土体的回弹变形量与卸荷量和固结压力有关。在相同固结压力下，卸荷量越大，土的回弹变形越大。固结压力越大，土体的完全回弹变形量越大。 （3）常规直剪与固结卸荷快剪试验的剪应力—剪应变曲线也均呈双曲线型，且均为非线性曲线，都表现为应变硬化型；常规加荷条件下的粘聚力明显大于预压卸荷条件下的粘聚力，但不同的加卸荷方式对FMLSS内摩擦角影响比较小。破坏应变、破坏强度、初始剪切模量大小在两种试验路径上有明显的区别，常规直剪试验下的破坏应变、破坏强度明显大于固结卸荷快剪试验下的破坏应变和破坏强度。常规直剪试验下的初期剪切模量明显小于固结卸荷快剪试验。 （4）预压卸荷条件下，土体的抗剪性能与最大预压荷载和卸荷后维持荷载大小有关。相同预压荷载条件下，卸荷量越小，卸载后保持的法向力荷载水平越高，FMLSS的抗剪能力越强。在卸荷后维持荷载相同的条件下，剪切前期，FMLSS的抗剪性能随着预压荷载的增大而增大，在剪切后期随着预压荷载的增大而减小。与一般土表现出不一样的力学性质。 （5）在卸荷迅速直剪和卸荷稳定直剪试验中，不同的滞留时间时间对FMLSS的抗剪强度影响较大。土体的抗剪强度同时受卸荷滞留时间和卸荷量的影响。随着滞留时间的延长，土体的抗剪强度越来越低，同时抗剪强度降低的幅度也会越来越低。相同滞留时间情况下，卸荷量越大，土体强度损失也越大。 （6）水泥含量和气泡含量对FMLSS力学特性有很大影响。随着水泥含量的增加，气泡含量的减小，FMLSS的粘聚力和内摩擦角都增加，河道淤泥气泡混合土的抗剪强度增加。同时随着水泥含量的增加，土体的破坏应变降低。但是不同气泡含量对土体的破坏应变影响不大。初始剪切模量也随着水泥含量的增加，气泡含量的减小而增加。不同水泥含量对土体的回弹变形影响较大，表现为随着水泥含量的增加，土体的回弹变形越小。而不同气泡含量对土体回弹变形影响不大。 （7）通过对不同应力路径下直剪试验的剪应力—剪应变关系进行研究，发现剪应力—剪应变曲线都符合双曲线形式，即τ=εr(a+bεr)，对公式中参数a、b进行修正，引入应力路径的影响。借助MATLAB软件，通过拟合得出了一个能反映路径影响的应力应变关系曲线统一的数学表达式，并验证了该公式的精确性。为实际工程应用作参考。

目录

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第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容及研究目的与意义

1.4 研究技术路线

第二章 试验材料及试验方法

2.1 试验材料

2.2 配合设计及试样制备

2.3 试验方法设计

2.4 本章小结

第三章 轴对称应力条件下考虑路径影响的试验结果与分析

3.1 概述

3.2 不同应力路径下的应力-应变关系

3.3 路径条件对抗剪强度发挥的影响及评价

3.4 水泥含量、气泡含量的影响

3.5 考虑路径影响的抗剪强度指标

3.6 本章小结

第四章 单向剪切条件下考虑路径影响的试验结果与分析

4.1 概述

4.2 回弹变形量

4.3 考虑卸荷影响的剪应力—剪应变关系

4.4 考虑卸荷影响的抗剪强度评价

4.5 卸荷作用对初始剪切模量的影响

4.6 卸荷作用效应对强度指标的影响

4.7 卸荷滞留时间效应的影响评价

4.8 气泡含量对FMLSS强度变形的影响

4.9 本章小结

第五章 基于路径影响的应力应变关系研究

5.1 概述

5.2 应力路径对应力—应变关系曲线的影响

5.3 考虑路径影响的参数a、b修正

5.4 公式的初步验证

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

图 表 目 录

致谢

作者简历