关键词：
非饱和土
干湿作用
数字图像处理
力学性质
边坡模型试验
摘要：
近几十年间,随着大范围工程建设的推进与发展,各种工程地质问题不断涌现。其中,受全球气候变化影响,极端干旱和降水引发的地质灾害频繁发生,造成巨大的人员和经济损失。因此系统研究干燥和湿化过程中工程土体的力学性质与变形特征,对提高工程地质防灾减灾及应对气候变化的能力具有重要意义。本文以下蜀土和浦口膨胀土为试验材料,开展了一系列室内试验,以材料特性的试验研究为基础,结合不同的试验仪器和技术手段,综合探究干/湿环境中土体力学性质和边坡变形特征演化规律。论文主要取得了以下成果:(1)通过对浦口膨胀土压实样开展蒸发试验,获得了干燥过程中土体含水率、孔隙比、饱和度和吸力之间的定量关系,绘制了土水特征曲线和蒸发特征参数变化曲线,为解释土体在干旱环境中的工程性质响应机制奠定了基础。根据蒸发速率差异,将蒸发过程划分为常速率阶段、减速率阶段和残余阶段。常速率阶段含水率随时间均匀减少,蒸发速率基本稳定;减速率阶段,土体蒸发速率下降,含水率变化逐渐趋于平缓;残余阶段含水率基本稳定,但仍残存有一定量的土颗粒强吸附结合水。根据试样的收缩状况,蒸发过程又可以划分为正常收缩段、残余收缩段和零收缩段。对比不同初始含水率(26%,20%,16%)试样的干燥收缩特征,初始含水率越高,干燥过程中吸力水平越高,孔隙比越小,体积应变越大,试样的最终密实度越高。(2)针对不同含水率条件下(6.5%,8.5%,10.5%,12.5%,16.5%,20.5%)压实的下蜀土试样开展了单轴抗拉强度试验。得到含水率对土体强度特征、应力应变特征和微观结构的影响。土体抗拉强度和含水率之间存在临界含水率wc(9.3%),当含水率低于wc时,土体微观结构以团聚体结构为主,随着含水率的增大,液桥数目稳定增多,土体内聚力增大,抗拉强度也随之增大;当含水率超过wc时,土体内部开始出现分散结构,随着含水率增大,液桥数目和吸力减小,土体抗拉强度也逐渐减小。此外,试验得出拉伸过程中的应力-位移曲线一般呈现三个典型阶段:应力上升段、破坏发展段和破坏段。其中破坏发展段对于含水率较低的试样并不明显,试样表现出很强的拉伸刚度和破坏脆性。含水率较高的试样则表现出更高的延展性,对应于曲线上破坏发展段持续时间较长。数字图像处理技术得到的拉伸过程试样表面应变分布图像很好地印证了以上结论。(3)通过对土体在干燥和湿化环境下无侧限抗压强度、单轴抗拉强度和锥尖贯入阻力的测定,分析了不同环境影响下土体力学性质的演化规律。干燥条件下,随着含水率的降低,土体内聚力增强,结构联结更加紧密,无侧限抗压强度和单轴抗拉强度均呈现出单调增大的趋势。其中无侧限抗压强度在低含水率阶段和高含水率阶段对含水率不敏感。湿化过程中,水化作用破坏原有土体结构,降低内聚力,试样锥尖阻力随着湿化级别的增大而逐渐减小。干湿周期影响下,土体结构强度下降,且干燥级别越高,强度下降越明显。因此,同等含水率条件下,干燥过程的锥尖阻力要高于湿化过程的数值。除了干/湿环境影响,试样的初始状态对力学性质的影响也很明显,初始含水率越高、干密度越大的试样,在同样条件下表现出的力学性质越强。(4)结合边坡的工程背景,借助于数字图像处理技术,分别探究了土质边坡模型在分级加载、干燥失水和湿化条件下的变形特征。分级加载下,在低荷载条件时,边坡外形对于变形的影响不大,呈现为类似于地基承载力试验变形的特征,当荷载较大时,边坡变形量增大,变形稳定时间明显延长,出现向坡面的滑动趋势,并最终产生明显的局部滑动破坏。干燥失水过程中,边坡整体性受到干缩裂隙的破坏,稳定性下降。随着干燥程度的增大,从浅层到内部,破坏程度逐渐增大,边坡整体变形增大。干缩裂隙的发育受边坡结构、荷载条件和坡体表面特征的影响,容易在分层面、滑动面、应力集中点和表层具有明显瑕疵的部位发育。湿化过程中结构裂隙为水分进入坡体提供了优势通道,也为滑动面的形成提供了有利条件,并最终诱发沿裂隙面和软弱结构面的整体滑动破坏。
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