干湿环境下膨胀土力学性能劣化的多尺度效应

摘要

为探索干湿循环作用下膨胀土力学性质与其结构损伤的多尺度效应,首先对重塑膨胀土试样进行0~6次干湿循环并记录开裂过程,而后分别展开三轴强度试验、核磁共振测试及扫描电镜试验,进而研究土体宏观力学行为与微细观结构损伤规律。研究结果表明:(1)干湿作用参与下,土体应力-应变曲线软化显著,抗剪强度劣化,其中黏聚力在前3次干湿循环期间骤减,4次后趋于稳定,内摩擦角变化较小;(2)土体裂隙在干湿循环作用下经历了启裂期、传播期和平衡期,平均裂隙率及平均隙宽均先后经历了增长期和稳定期,且平均隙宽在稳定期末略有收敛;(3)土体微观结构受干湿循环影响显著,孔隙总体积增加,微孔不断粗化、贯通,形成介孔或大孔;土体微观结构破碎、疏松,颗粒和孔隙间界限模糊;颗粒丰度稍有增加,但整体处于平衡互馈状态;颗粒定向频率整体呈各向同性,但局部存在最优取向;粒径分布表现为黏粒稍减、粉粒稍增、砂粒相对稳定。综合分析上述结果,对干湿循环下膨胀土的微细观损伤过程进行描述,从而得到土体力学性能劣化的多尺度机制:湿度交替变化引起土体内亲水性黏土矿物循环胀缩,诱发膨胀势、基质势,反复作用于土体微细观结构,造成疲劳损伤,导致土体黏聚力骤减、抗剪强度损失;加之土体不均匀干缩产生张拉应力并驱动裂隙扩展、贯通,继而造成土体完整度退化、力学性能降低。研究成果为半干旱区膨胀土力学行为及结构损伤演化的认知提供有益参考。