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基于能量尺度方法的含细粒砂土抗剪强度及渗透特性研究

基于能量尺度方法的含细粒砂土抗剪强度及渗透特性研究

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作者：黄安健广州大学

学位级别：硕士

含细粒砂土在自然界中普遍存在,是建筑工程、道路及桥梁工程的常见性土体,但也是滑坡、坍塌及液化等地质灾害及工程事故的高发性土体。含细粒砂土中,颗粒粒径悬殊,矿物成分多样,因此内部结构复杂,各项异性明显。实际工程中,砂粒与细粒... 详细信息

含细粒砂土在自然界中普遍存在,是建筑工程、道路及桥梁工程的常见性土体,但也是滑坡、坍塌及液化等地质灾害及工程事故的高发性土体。含细粒砂土中,颗粒粒径悬殊,矿物成分多样,因此内部结构复杂,各项异性明显。实际工程中,砂粒与细粒互相作用,使得含细粒砂土受力变形表现出明显的独特性,工程性质复杂。含细粒砂土中,颗粒的基本性质对土体的力学表现影响明显,其中细粒,尤其是黏粒对砂土的工程特性影响最为显著。但目前该方面的研究还存在着一些问题需要解决。针对以上情况,本文开展了细粒性质对砂土的强度特性和渗透特性等工程性质影响机制的系统研究。本文的主要研究工作有:综合运用宏观直剪试验和渗透试验手段,研究细粒含量、矿物成分和粒径对砂土抗剪强度和渗透性能的影响规律;从微观角度出发,采用SEM电镜扫描获取微观结构特征,探讨了细粒对砂土抗剪强度和渗透性能的影响机理;在此基础上,以微观作用力为切入点,引入了能量尺度方法,综合对比点电荷模型、板状颗粒模型和球体颗粒模型,构建了能量尺度参数——微重比(λ);通过能量尺度方法的应用,进一步揭示不同结构状态土体的微重比变化规律,建立微重比与土体抗剪强度指标以及渗透系数的定量关系曲线,从而实现从微观层次对土体颗粒粒径、矿物成分等因素对土体宏观力学特性及渗透特性的作用机理进行定量解释。通过以上工作,本文主要取得的研究成果如下:(1)细粒的含量、成分及几何尺度会影响含细粒砂土的剪切性能。当细粒含量超过30%时,抗剪强度显著降低,粘聚力上升,内摩擦角减小;蒙脱石对砂土抗剪强度影响最显著,其粒径减小导致粘聚力增大。同时,含细粒砂土在剪切过程中展现不同的力学特性,随着竖向荷载增大,应变软化现象减弱,硬化趋势增强。(2)细粒的含量、成分及几何尺度同样会影响含细粒砂土的渗透特性。细粒含量增加会大幅度降低含细粒砂土的渗透系数;蒙脱石对砂土渗透性能影响最大;蒙脱石粒径减小,砂土渗透系数降低。(3)含细粒砂土在剪切过程中颗粒发生重新排列,并以转动与滑移为主,而几乎不发生破碎。通过SEM电镜扫描和图像处理发现,孔隙分布情况的变化主要是由于颗粒的转动与滑移,微观形态以孔隙数量变化最为明显。(4)综合对比三种能量尺度方法的计算模型,平板颗粒模型计算结果偏大,球体颗粒模型能够较好反应土颗粒实际的微观作用效果。不同矿物颗粒间库仑力随粒径增大而增大,微重比随粒径减小而增大,蒙脱石微观作用效果最为明显。(5)能量尺度参数能很好的预测抗剪强度参数和渗透系数的变化趋势。能量尺度参数微重比与抗剪强度参数和渗透系数拟合结果良好,其中微重比与粘聚力正相关,与渗透系数负相关。能量尺度方法实现了细粒性质对含细粒砂土力学特性及渗透特性影响机制的定量揭示。

关键词：含细粒砂土抗剪强度渗透系数能量尺度方法微重比

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基于能量尺度方法的软土蠕变特性研究

基于能量尺度方法的软土蠕变特性研究

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作者：汪锦涛广州大学

学位级别：硕士

软土是一类呈现软塑到流塑状态的粘性土,常见于我国的滨海地区、三角洲地区和湖湘地区。软土在长期受力情况下会产生显著的变形,这种变形随时间的推移而逐渐增加,该现象被称为蠕变,严重威胁工程的稳定性和使用寿命。对软土蠕变特性的深... 详细信息

软土是一类呈现软塑到流塑状态的粘性土,常见于我国的滨海地区、三角洲地区和湖湘地区。软土在长期受力情况下会产生显著的变形,这种变形随时间的推移而逐渐增加,该现象被称为蠕变,严重威胁工程的稳定性和使用寿命。对软土蠕变特性的深入研究,可以为工程实践提供更准确的土体参数和设计依据,帮助工程师预测和预防潜在的工程问题。因此,软土蠕变特性的研究一直是学术界的热点之一,但目前该方面的研究还存在着一些问题需要解决。为此,本文开展了矿物成分、矿物含量和粒径对软土蠕变特性影响机制的系统研究。本文的主要研究工作有:采用改进的直剪蠕变仪进行蠕变试验,研究矿物成分、矿物含量和粒径对软土蠕变特性的影响规律;同时采用了电镜扫描(SEM)技术并结合图像处理手段,探讨了软土蠕变行为下的微观结构变化规律,初步揭示了软土蠕变的微观机理。随后,基于能量尺度方法,本文对微重比进行了修正进而获得了新的关系式——等效微重比,并进行了微观试验测试,从而计算出各试样组的等效微重比。最后,通过对吸附结合水含量、蠕变参数与等效微重比的对比分析,进一步揭示矿物成分、矿物含量与粒径对软土蠕变的微观作用机理。通过以上工作,本文主要取得的研究结论如下:(1)矿物成分、矿物含量与黏粒粒径都会影响软土蠕变特性。相同黏土矿物含量下,高岭石试样组的平均粘滞系数和蠕变应力阈值最大,伊利石试样组次之,蒙脱石试样组最小。试样组的平均粘滞系数和蠕变应力阈值随着黏土矿物含量的增加而下降,并且试样组的下降幅度都在不断减小,下降幅度从大到小依次为蒙脱石试样组、伊利石试样组和高岭石试样组。当矿物成分和矿物含量相同的情况下,试样组的平均粘滞系数和蠕变应力阈值随着黏粒(蒙脱石)粒径的增大而增大。(2)软土蠕变过程主要是颗粒位置的重新排列而不是颗粒的破碎,并且这一现象随着黏土矿物含量的增加而愈发显著。通过SEM电镜扫描和图像处理获得了一系列微观结构参数。其中,孔隙总面积、形状系数和面孔隙率在蠕变前后的变化不大,而平均孔径、平均孔隙面积和孔隙数量变化较大。(3)等效微重比可以较好地表征软土中的吸附结合水含量的变化规律。软土的吸附结合水含量和等效微重比均与黏土矿物含量呈正相关而与黏粒粒径呈负相关的关系,即不同因素下,两者的变化趋势相似。(4)等效微重比的大小可以在一定程度上反映软土宏观蠕变特性。随着黏土矿物含量的增加,蠕变参数呈现下降趋势而等效微重比不断上升;蒙脱石粒径的增大则导致蠕变参数增大而等效微重比减小,即不同因素下,等效微重比和蠕变参数呈现相反的变化趋势。

关键词：软土蠕变能量尺度方法矿物成分结合水

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