关键词:
盐渍土
结构性土
冻融循环作用
差值结构性参数
上下加载面模型
摘要:
吉林省白城市镇赉县地处吉林省西部,该地区土壤盐渍化严重,是我国典型的碳酸型盐渍土分布区。受气候条件影响,该地区又属于季冻土区,土中孔隙水周期性的冻结与融化使镇赉盐渍土的结构处于动态变化状态。镇赉盐渍土是典型的结构性土,土中结构的不断变化会严重影响土的强度及变形性质。工程上,开挖水渠和边坡等使在原位置已形成较稳定结构的盐渍土暴露在外,应力水平发生了变化,冻融循环作用成为了应力重分布和改造土结构的动力之一,使得该地区的边坡工程稳定性受到严重威胁。因此,探究镇赉盐渍土的结构性特征及冻融循环作用下结构性劣化机理,建立能合理反映其应力-应变关系的本构模型可为盐渍土分布区域的岩土工程结构设计提供理论依据,增强工程的稳定性。目前,结构性动态变化的定量化参数提取是建立镇赉盐渍土结构性本构模型的关键。基于此,通过侧限压缩和三轴剪切两种力学试验分析了镇赉盐渍土的压缩变形性质及抗剪性,结合微观结构试验探究了其结构性特征;然后从物质组成和微观结构两方面探究了冻融循环作用下镇赉盐渍土结构性的劣化机理;依据镇赉盐渍土的结构性特点提出了能反映其结构性变化的定量化参数,并建立了结构性定量化参数的经验公式;最后,将结构性定量化参数引入上下加载面模型中建立镇赉盐渍土结构性本构模型,并进行了初步验证。本研究的主要成果如下:(1)通过侧限压缩和三轴剪切试验研究镇赉盐渍土的力学性质,并结合微观结构特征分析了镇赉盐渍土的结构性特征。根据镇赉盐渍土原状样和重塑样的侧限压缩曲线形态和应力应变曲线特点发现镇赉盐渍土符合强结构性土特征。通过现场调查和压汞试验分析原状样与重塑样的宏微观结构发现原状样中孔隙更加致密,团聚体内嵌固结构更好,且存在较强的固化胶结联结,但原状样中存在的大量裂隙,破坏了原状样中固化胶结联结,导致侧限压缩条件下,原状样结构屈服强度低于重塑样,压缩系数高于重塑样,回弹指数高于重塑样。三轴剪切条件下固化胶结联结键作用比侧限压缩条件下更显著,使原状样与重塑样的主应力差差值Δ(σ-σ)先逐渐增大至一极大值,最终在裂隙作用下发生剪切破坏,Δ(σ-σ)持续减小甚至变为负值。因此,镇赉盐渍土虽属于强结构性土,但其土中存在大量裂隙导致结构性明显不同于黄土和软土这样的强结构性土,裂隙网络对镇赉盐渍土的结构性产生了明显的负面效应;(2)通过从物质组成和微观结构等方面分析冻融循环作用下镇赉盐渍土结构性劣化机理,发现镇赉盐渍土中富含亲水性黏土矿物、黏粒含量高、且碳酸氢钠含量高导致它的结构易被冻融循环作用改造,冻融循环作用使镇赉盐渍土的结构性逐渐减弱,包括结构联结破坏导致的强度减小和裂隙负面效应的降低。冻融循环作用主要将微、小和中孔隙扩张成大、超大孔隙及裂隙,使土的孔隙形态和空间分布向着更加复杂的方向发展,破坏土中胶结联结导致团聚体分化,裂隙生长。通过分析发现冻融循环作用主要通过减弱土中的结构联结改变了土的压缩变形曲线形态及应力应变曲线形态。另外,虽然冻融循环作用对原状样的微观结构改造效果更显著,但重塑样的强度及变形参数随冻融循环次数增加变化速率更快,说明重塑样的力学性质对孔隙分布和孔隙形态的变化更敏感。加之冻融循环作用使原状样中大的团聚体分化,原生裂隙被填充和挤压,原状样结构变得均匀,裂隙的负面效应减弱,导致侧限压缩条件下,原状样与重塑样的变形量差值ΔS随冻融循环次数增加变化规律不明显;三轴剪切条件下,冻融循环破坏土中固化胶结联结键后很难恢复,原状样与重塑样的主应力差差值Δ(σ-σ)随冻融循环次数增加逐渐向横坐标轴靠近,原状样与饱和原状样的主应力差差值Δ(σ-σ)随冻融循环次数增加逐渐降低;(3)基于盐渍土表现出的特殊结构性,提出了适合描述镇赉盐渍土结构性的定量化参数-差值结构性参数D,并对差值结构性参数的合理性和稳定性进行验证。结果表明,利用差值结构性参数能反映出裂隙对土结构联结的破坏作用和浸水对盐渍土结构的软化作用,具有较高的准确性和灵敏性。另外,冻融循环作用和较高的固结围压均破坏了土中的固化胶结联结建,导致结构可变性D减小,结构可稳性D增加,应力差值结构性参数D减小,冻融循环作用和围压均对镇赉盐渍土的结构性有明显的弱化作用。为方便结构性本构模型的建立和实际工程的应用,建立了差值结构性参数与轴向应变、冻融循环次数和围压的经验公式;(4)考虑镇赉盐渍土结构性的弹塑性本构模型研究。根据差值结构性参数机理分析发现,差值结构性参数的变化实际反映的是发挥作用的黏聚强度的变化规律,基于前人的研究提出了镇赉盐渍土黏聚强度演化公式。在上下加载面模型框架下,采用黏聚强度修正屈服函数及硬化规律,采用非相关联流动法则,建立了镇赉盐渍土结构性本构模型;(5)镇赉盐渍土结构性本构模型的验证。对比结构性修正剑桥模型和镇赉盐渍土结构性本构模型的模拟效果发现,因能反映加荷初期黏聚强度逐渐发挥作用和加荷后期裂隙