平面应变条件下黄土结构性与力学特性的研究及应用

摘要

黄土工程中许多问题符合平面应变条件，如黄土基坑工程，可以将基坑工程围护结构与被支挡土体近似为平面应变土工问题。然而基坑工程被支护的黄土具有显著的结构性与湿陷性，因此，开展平面应变条件下黄土的结构性力学特性研究，对于正确分析和评价黄土基坑工程问题具有重要的理论与实际意义。本文以黄土结构性研究和西安理工大学开发的新型真三轴仪为基础，在改造真三轴压力室加载机构实现平面应变真三轴压缩应力条件的基础上，首先进行了黄土的平面应变试验分析，以及平面应变条件下黄土应力比结构性参数变化规律研究，建立了平面应变应力比结构性参数的数学模型。然后，比较分析了平面应变应力比结构性参数与黄土强度指标之间的关系。再将平面应变应力比结构性参数和结构性强度关系应用Fish语言引入Flac-3D岩土分析软件，通过挡土墙和黄土基坑数值建模分析，揭示了深基坑围护结构土压力、被支护黄土体结构性参数分布规律、挡土墙土压力与墙背土体结构性参数分布确定的剪切滑移带，得到了结构性衰减条件下围护结构与挡土墙土压力分布规律。初步实现了黄土结构性在基坑开挖稳定性分析方面的应用。研究表明：
　　 1)通过四个含水率、四个围压下黄土的平面应变试验，分析了黄土平面应变条件下应力应变关系及强度特性，表明平面应变条件下黄土的强度明显大于常规三轴试验条件下黄土的强度；
　　 2)通过原状黄土、重塑黄土与饱和黄土的平面应变试验，分析了应力比结构性参数变化规律以及平面应变条件下强度指标随应力比结构性参数的变化规律，表明黄土结构性参数随粘聚力近似呈双曲线关系；其摩擦角基本保持不变。同时建立了结构性参数和固结围压、含水率和广义剪应变之间的函数关系；
　　 3)将黄土结构性参数与强度参数的关系引入到数值计算中，分析表明其较未考虑结构性变化时基坑侧壁墙后土体和基坑坑底土体的位移明显增大；考虑结构性变化时基坑侧壁土体结构性参数出现明显的滑带，进行了考虑结构性坑壁稳定性分析；最后通过对比分析是否考虑结构性的连续墙结构性参数，揭示了在考虑结构性衰减时墙后土体的主动土压力要大于不考虑时的，而被动土压力则相反。
　　 4)依据土压力的定义，建立挡土墙模型，在其表面施加微小位移，模拟结果发现墙后土体也出现了明显滑带，同时滑带处的结构性参数分布最小；在土压力分析上得到了与模拟基坑相似的结果。