基于压缩试验的中低压缩性粉质黏土结构屈服压力研究

摘要

在已有研究成果的基础上，对土体结构屈服压力的概念进行了深入分析和系统性总结，提出了一定的新认识;研究了环壁摩擦力的作用机理，设计浮环式固结容器进行对比试验，分析了环壁摩擦力对压缩变形的误差影响特征;基于时间效应现象，开展压缩试验对土体变形状态理论进行了验证，进而确定结构屈服压力;同时，初步探讨了基于结构屈服压力与地基总荷载大小关系确定压缩层厚度的新方法。主要工作和结论如下:
　　(1)结构性是土体表现出固体材料性质的一种广义属性，在中低和低压缩性土中表现尤为显著，也是原状土和重塑土具有结构屈服压力的根本原因;原状土结构屈服压力由先期固结压力、压密强度增量和结构强度组成，重塑土的组成为前期压实压力和压密强度增量。结构屈服压力对土体的变形发展规律有显著影响，是土体的一种特征强度。
　　(2)由于压缩试验为完全侧限条件，试样的变形最终会达到收敛状态;结构屈服压力作为荷载阈值，可以将土体的压缩变形状态分为快速收敛和缓慢收敛两种类别。根据附加应力作用下的变形拟合幂次值、压缩系数和压缩模量的大小以及变化特征，可以对压缩变形状态进行判别。
　　(3)讨论了两种固结容器中环壁摩擦力的作用机制差异，从试样压缩变形差值和相对误差两方面分析了环壁摩擦力对不同压力和压实度下试样压缩变形的影响规律，分析表明:浮环式固结容器可以明显减小环壁摩擦力对固结试验压缩变形的影响，相比于固定式固结容器试样侧表面的环壁摩擦力单向分布形式，浮环式容器的环壁摩擦力呈反向对称分布，试样受力更加均匀，变形量更大，试验更接近理想压缩状态力学条件。
　　(4)为了减小传统固定式固结容器中环壁摩擦力对试验的干扰，设计了一种浮环式固结容器，使用固定式和浮环式固结容器对不同压实度下的重塑粉质黏土饱和试样进行了4组标准固结试验，试验表明:环壁摩擦力对试样压缩变形的影响程度与试样的荷载水平和软硬状态密切相关;环壁摩擦力导致的试样压缩变形差值随压力增加而增大，相对误差则相反;压缩变形差值和相对误差随压实度提高而逐渐增大，并在高压密状态下的变化趋于稳定。环壁摩擦力对较硬土质和较小压力条件下的固结试验压缩变形影响最为显著，引起的相对误差高达20％左右。
　　(5)为了验证土体变形状态理论，基于时间效应原理设计压缩试验，数据分析表明:土体压缩变形随荷载水平的提高而增大，时间效应逐渐显著。具体为，基于“曲线形态法”，根据幂次值n随荷载水平（附加应力比λ）的变化规律分析，在λ=20％～30％前后可区分出土体在完全侧限条件下压缩变形随荷载水平的增加分别呈现快速收敛和缓慢收敛两种状态;进一步地，当λ≤20％时，n≥2，基于“幂次判别法”可以判定土体变形处于快速收敛状态;在对土体在附加应力作用下的压缩系数aV与压缩模量ES在进行分析时发现，附加应力比λ=20％～30％范围前后呈现明显不同的两种变化趋势:在较大荷载水平阶段，压缩系数快速增大，压缩模量快速降低，在荷载水平阶段，两种参数的变化趋于平缓;进一步地，当λ＜20％时，aV＜0.1MPa-1、ES＞15MPa，试样在该水平的附加应力作用下表现出低压缩性特征，变形量微小并较快完成，认为该压缩性下的变形处于快速收敛状态。所以，λ=20％可以作为变形状态荷载阈值的上限值，λ=30％则作为荷载阈值的下限值。
　　(6)分析了结构屈服压力与和土体变形状态之间的内在联系，同时初步探讨了基于结构屈服压力确定压缩层厚度的新方法，分析表明:对于中低压缩性和低压缩性重塑饱和粉质黏土，在正常固结条件下，当其所承受的附加应力荷载不大于原存应力（前期压实压力）的0.2倍时，其压缩变形不会产生显著时间效应，两种变形状态的荷载阈值即为土体结构屈服压力;由于路基设计中的工后沉降是一种具有时间效应的变形，通过判定结构屈服压力与地基总荷载的大小关系，进而将压缩层厚度确定为结构屈服压力大于地基总荷载的不具时间效应变形区域，可使得通过压缩层厚度计算工后沉降具有更加明确的物理意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及问题的提出

1．2 国内外研究现状

1．2．1 土体结构屈服压力研究

1．2．2 土体变形状态理论研究

1．2．3 固结容器环壁摩擦力研究

1．3 本文研究的主要内容、方法与目标

第2章 土体结构屈服压力与变形状态分析

2．1 土体结构屈服压力分析

2．1．1 先期固结压力和前期压实压力

2．1．2 压密强度增量

2．1．3 结构强度

2．1．4 结构屈服压力新认识

2．2 土体压缩变形状态分析

2．3 本章小结

第3章 浮环式固结容器研制

3．1 引言

3．2 环壁摩擦力的作用机制

3．2 浮环式固结容器的设计

3．2．1 现有固定式固结容器

3．2．2 设计浮环式固结容器

3．3 两种固结容器的对比验证试验

3．3．1 试验设计

3．3．2 试验结果

3．3．3 数据整理及分析

3．4 本章小结

第4章 土体变形时间效应压缩试验

4．1 引言

4．2 试验设计

4．2．1 土样基本物理力学性质

4．2．2 试验仪器

4．2．3 制样及加载方案

4．2．4 数据处理

4．3 试验结果

4．3．1 原存应力100 kPa组

4．3．2 原存应力200 kPa组

4．3．3 原存应力400 kPa组

4．3．4 原存应力600 kPa组

4．4 土体变形状态分析及结构屈服压力

4．4．1 基于幂次值分析

4．4．2 基于压缩系数和压缩模量分析

4．4．3 荷载阈值确定结构屈服压力

4．5 土体结构屈服压力与压缩层厚度确定

4．6 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士研究生期间发表的论文及科研成果