新型真三轴仪的改进及非饱和重塑黄土强度变形特性分析

摘要

非饱和土的真三轴试验研究资料较少。本文开展了非饱和重塑黄土不同固结围压、不周中主应力比值、不同基质吸力条件下的真三轴试验，分析了非饱和土真三轴仪的适用范围和试验数据的可靠性。同时，揭示了非饱和重塑黄土真三轴剪切试验的应力应变关系及强度特性。取得了如下成果：
　　 (1)基于西安理工大学真三轴仪，从试样密封、水气排出控制和孔隙水压力量测等方面对真三轴压力室进行了改造。增加了孔隙气压力控制装置和孔隙水压力量测装置，经过仪器调试，实现了利用轴平移技术在非饱和土真三轴剪切过程对于吸力的控制。
　　 (2)在运用非饱和土固结仪测试重塑黄土含水量与吸力关系的基础上，预先配置真三轴试样的含水量，加快了真三轴试验中试样的吸力控制，缩短了试样固结及吸力稳定的时间，从而改进了控制吸力的真三轴试验方法。
　　 (3)通过四个固结围压、五个中主应力比、两个基质吸力条件下的非饱和重塑黄土真三轴试验，分析了复杂应力条件下随吸力、中主应力比和固结围压变化的非饱和黄土应力应变关系曲线。表明①同一剪应变条件下，剪应力随着中主应力b值的增大而增大。低b值时应力应变曲线为弱硬化型，高b值时应力应变曲线为强硬化型，b值越大体变越大；②剪应力随着围压增大而增大，围压越大体变越小；③不同吸力状态的应力应曲线较为简洁：高吸力的应力应变曲线均在低吸力曲线的上方，体变随着吸力增大而减小；④分析确定了初始切线模量、体积模量和破坏应力比随中轴应力比、固结围压和基质吸力的变化规律。
　　 (4)应用Bishop有效应力公式，分析确定了不同基质吸力、不同中主应力比值的强度破坏线及强度特性参数，与常规三轴试验结果比较，真三轴试验确定的黏聚力稍大，而内摩擦角显著提高；得到了π平面上的强度破坏曲线：两种基质吸力条件下，有效应力空间内的强度破坏面近似呈圆锥形和摸圆角的棱锥形。
　　 (5)本文实现了基于西安理工大学自行开发真三轴仪的非饱和土真三轴试验，拓宽了新型真三轴仪的试验应用范围。试验结果的合理性进一步验证了新型压力室结构真三轴仪的加载原理和测试功能的有效性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1.1 非饱和土的基本特性

1.1.1 非饱和土的概念

1.1.2 吸力的概念

1.1.3 土-水特征曲线

1.1.4 轴平移技术和高进气值陶土板

1.1.5 基本体积-质量关系

1.2 非饱和土力学理论的研究进展

1.3 本文研究内容及意义

1.3.1 本文的选题意义

1.3.2 本文的研究内容

2 试验仪器的改进和试验方案

2.1 试验仪器简介

2.2 新型真三轴仪的改进

2.2.1 改进方案

2.2.2 装样过程简介

2.2.3 仪器的适用范围及误差控制

2.3 试验土样及试验准备

2.3.1 试验用土基本物性指标和试样制备

2.3.2 试验采用的标准

2.4 试验方案及方法

2.4.1 概述

2.4.2 非饱和重塑黄土固结仪试验

2.4.3 非饱和土真三轴剪切试验

2.5 本章小结

3 非饱和重塑黄土的真三轴试验

3.1 概述

3.2 同一基质吸力、同一固结围压,不同中主应力比b条件下的应力应变关系曲线

3.2.1 含水量21％基质吸力100kPa试验σ1-σ3~ε1和ε1~εv关系曲线

3.2.2 含水量18％基质吸力150kPa试验σ1-σ3~ε1和ε1~εv关系曲线

3.3 同一基质吸力、同一中主应力比b,不同固结围压条件下的应力应变关系曲线

3.3.1 含水量21％基质吸力100kPa试验σ1-σ3~ε1和ε1~εv关系曲线

3.3.2 含水量18％基质吸力150kPa试验σ1-σ3~ε1和ε1~εv关系曲线

3.4 同一固结围压、同一中主应力比b,不同基质吸力条件下的应力应变关系曲线

3.5 非饱和重塑黄土变形特性分析

3.5.1 非线性弹性模型确定弹性模量Et

3.5.2 利用体应变与球应力关系确定初始体变模量Ki

3.6 本章小结

4 非饱和重塑黄土的强度特性及π平面破坏曲线

4.1 概述

4.2 非饱和土的应力理论和强度公式

4.2.1 非饱和土的单变量有效应力公式

4.2.2 Fredlund双变量理论

4.2.3 其他非饱和土抗剪强度公式

4.3 π平面破坏曲线

4.3.1 π平面概念及意义

4.3.2 π平面上参数及意义

4.3.3 Mohr-Coulomb准则

4.3.4 Lade-Duncan破坏准则

4.3.5 Matsuoka-Nakai破坏条件

4.4 非饱和重塑黄土真三轴试验结果和分析

4.4.1 子午面上的临界状态线

4.4.2 非饱和重塑黄土的有效应力强度破坏线

4.5 非饱和重塑黄土的强度参数

4.6 非饱和重塑黄土基质吸力参数φb值分析

4.7 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录