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川西山区崩坡积混合土循环荷载作用下非饱和动本构模型研究

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川西山区崩坡积混合土循环荷载作用下非饱和动本构模型研究

作者：黄辉西南交通大学

学位级别：硕士

高速公路、铁路和地铁在运营过程中的地基沉降问题日益突出,研究土体在交通荷载作用下的动力机制以及如何建立相应的动本构模型已成为亟待解决的一大技术问题。现有的研究对象都是在砂土及软粘土上,而崩坡积混合土研究很少。崩坡积混合... 详细信息

高速公路、铁路和地铁在运营过程中的地基沉降问题日益突出,研究土体在交通荷载作用下的动力机制以及如何建立相应的动本构模型已成为亟待解决的一大技术问题。现有的研究对象都是在砂土及软粘土上,而崩坡积混合土研究很少。崩坡积混合土在川西山区分布广泛,具有多种矿物成分、多种级配、颗粒形态复杂及环境影响因素多变等特点。试验研究表明：非饱和性和细颗粒含量差异是川西崩坡积混合土的两大特征。因此,综合考虑非饱和性与细颗粒含量差异两大基本特征,构建可用于该类土动力反应分析中的HHT模型,为该类混合土结构物的动力稳定性分析与灾害防治提供可靠的理论依据与分析方法,对于川西山区乃至整个西南地区各类混合土天然边坡、高路堤、高速公路铁路路基等结构物的建设与安全运营,具有极其重要的理论与工程实用价值。通过室内试验一系列的研究,两种土的粘粒含量和粘土矿物有差别,根据微观土力学理论,天然孔隙比e会产生差异;在非饱和静三轴试验中,二号土的抗剪强度大于一号土,其影响本文用参数ks来反映。非饱和土体中水、力间的耦合关系可以采用Van Genuchten土水特征曲线来建立,用参数βSr、n、m反映。非饱和静三轴试验表明,两种土样的应力应变特性受含水率(即基质吸力)的影响较大,用参数ks,s来反映其应力应变特性。非饱和固结试验表明,基质吸力是影响混合土固结特性的一个重要参量,用参数λ(s)、κ、r、β来反映其固结特性。所以与混合土的非饱和性和细颗粒含量差异有关参数有10个,分别为e、αSr、n、m、ks、s、λ(s)、κ、r、β,这些参数可以通过室内试验结果或拟合获得。在边界面弹塑性理论的框架内,综合考虑崩坡积混合土的两大主要特征的影响参数,结合能够比较真实描述非饱和土体湿陷性能的LC屈服曲线,同时基于可移动映射中心的映射准则,采用经典的MCCM作为塑性势方程,从而构建HHT模型。对比发现,HHT模型不但可以较好地反映非饱和混合土在静载和循环荷载下的力学特性,而且能够真实地预测土体在加、卸载过程中的滞回特性。

关键词：非饱和混合土细颗粒含量边界面理论参数动本构模型

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川西非饱和混合土土水特征曲线研究

中国公路学报 2017年第9期30卷 44-50页

作者：崔凯林维康西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室四川成都610031 西南交通大学土木工程学院四川成都610031

川西地区地质构造和气候条件复杂,交通荷载和降水入渗经常会引发处于非饱和状态的混合土公路路基变形过大或滑坡破坏,非饱和土的工程性质主要与其吸力值紧密相关。为掌握川西非饱和混合土矿物成分与初始干密度对其土水特征曲线的影响规... 详细信息

川西地区地质构造和气候条件复杂,交通荷载和降水入渗经常会引发处于非饱和状态的混合土公路路基变形过大或滑坡破坏,非饱和土的工程性质主要与其吸力值紧密相关。为掌握川西非饱和混合土矿物成分与初始干密度对其土水特征曲线的影响规律,针对川西山区3种崩坡积混合土,采用滤纸法和压力板仪法相结合的试验方案,缩短试验时间,测得各自在不同初始干密度下的土水特征曲线,并通过微观特征来分析宏观现象,探究混合土特征因素的影响机理。试验结果表明:矿物成分对土水特征曲线有显著影响,亲水矿物含量越高,基质吸力越大且曲线走势越平缓;反之,含有较多石英矿物和较少黏粒时,基质吸力通常较低;在相同基质吸力条件下,干密度越大,土体含水量也越大;同时,干密度对土水特征曲线的影响程度随着含水量的减小而增大。最后,采用Van Genuchten(VG)模型拟合川西混合土土水特征曲线,其拟合参数与颗粒级配、非饱和程度相关,拟合曲线与试验曲线吻合较好。

关键词：道路工程非饱和混合土滤纸法压力板仪法土水特征曲线矿物成分

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基于状态曲面的非饱和土强度准则及其验证

岩土力学 2019年第4期40卷 1441-1448页

作者：郑国锋郭晓霞邵龙潭大连理工大学工程力学系辽宁大连116024 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室辽宁大连116024

考虑体变对非饱和土土-水状态的影响,将状态曲面函数引入传统的Vanapalli强度公式得到与孔隙比相关的抗剪强度准则,新准则使用饱和土的强度参数和两条不同孔隙比对应的土-水特征曲线。选择一种尾矿砂和高岭土的混合土料为研究对象,进行... 详细信息

考虑体变对非饱和土土-水状态的影响,将状态曲面函数引入传统的Vanapalli强度公式得到与孔隙比相关的抗剪强度准则,新准则使用饱和土的强度参数和两条不同孔隙比对应的土-水特征曲线。选择一种尾矿砂和高岭土的混合土料为研究对象,进行一系列的土-水特征曲线试验、吸力控制的等向压缩和三轴剪切试验。试验结果表明,新准则能更准确地预测非饱和土的强度,证明了传统强度预测的误差主要来源于忽略了体变导致的土-水状态变化,并提出在不同应力空间内精确地获得抗剪强度包线的方法,合理地解释了强度包线斜率在净应力-强度平面内随吸力增大、强度包线形状在吸力-强度平面内随净应力发生变化的特性。

关键词：非饱和混合土土-水状态土-水特征曲线有效应力强度准则强度包线

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桩板式挡土墙冻胀力及冻胀变形规律研究

桩板式挡土墙冻胀力及冻胀变形规律研究

作者：孟繁宇西南交通大学

学位级别：硕士

在国家“一带一路”发展战略指导下,大量诸如公路、铁路等交通基础建设在西部地区开始兴建。其中西南地区处于季节性冻土区,在冻结期区域内结构物常因土体冻胀作用发生不良变形或开裂,对工程的安全建设和正常运营造成极大威胁。为进一... 详细信息

在国家“一带一路”发展战略指导下,大量诸如公路、铁路等交通基础建设在西部地区开始兴建。其中西南地区处于季节性冻土区,在冻结期区域内结构物常因土体冻胀作用发生不良变形或开裂,对工程的安全建设和正常运营造成极大威胁。为进一步研究土体冻胀作用对构筑物的影响规律,给实际工程提供设计及防治措施,本文以川西季节性冻土区常见非饱和土基坑工程为研究对象,通过试验量测、理论推导与数值模拟相结合的方式,对冻结期基坑土体及桩板式挡土墙的温度场时空变化规律、冻胀变形情况及水平冻胀力分布和计算方法展开研究。本文主要研究内容及成果如下:(1)通过对川西季节冻土区非饱和混合土进行冻胀特性试验,测定了试样的密度、含水率、颗粒级配和冻胀率。结果表明随着初始含水率的增加,混合土的冻胀率逐渐增大,当初始含水率为22%时,冻胀率可达5.5%,此时土体发生冻结膨胀后势必会对支护结构的稳定性和耐久性产生影响。(2)基于冻土热力耦合理论,建立季节冻土基坑热力耦合数学模型,利用ABAQUS软件计算基坑及支护结构随时间推移的温度场变化规律。通过模拟分析得出,因挡土墙导热系数较大、传热性好,对于离桩板较近处土体,即负温双向传递的土体受环境温度影响较大,冻结深度达到3.5m,其变化幅度相比负温单向传递的土体更加明显,负温持续时间也相对更长。(3)通过对有限元软件热膨胀子程序的二次开发,对基坑支挡结构的应力场进行模拟研究,结果表明季冻区基坑土体冻胀变形主要分布在桩墙顶部、墙后近处土体及地表土体。根据土体冻胀变形的正交各向异性,其冻结后体积膨胀变形主要发生于沿热流方向上。在桩墙顶部土体同时受到水平与竖直的双向负温,故其冻胀变形沿垂直于温度梯度方向发展,对桩墙水平位移造成较大影响。而远处土体只受到大气环境温度的竖向传热,冻胀变形也主要发生于竖直方向。(4)根据季冻区负温持续时间较短及冻结深度较浅的特点,分析得出桩墙顶端土体受双向负温影响,水平冻胀力应在桩墙顶端水平冻胀力出现最大值,随着埋深增大,土体冻胀作用减弱,主动土压力增大,墙背应力表现出先减小后增大的趋势。

关键词：非饱和混合土季节冻土基坑热力耦合数值模拟水平冻胀力

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融化期川西地区季节冻土边坡稳定性分析

融化期川西地区季节冻土边坡稳定性分析

作者：苏磊西南交通大学

学位级别：硕士

近年来,随着国家交通强国战略的提出,川西季节冻土区兴建了大量的交通基础设施,区域内的天然斜坡、公路铁路边坡常因冻融作用而在次年融化期间发生滑塌灾害,给当地经济造成巨大损失,为有效解决季节冻土边坡冻融滑塌灾害,本文以川西季节... 详细信息

近年来,随着国家交通强国战略的提出,川西季节冻土区兴建了大量的交通基础设施,区域内的天然斜坡、公路铁路边坡常因冻融作用而在次年融化期间发生滑塌灾害,给当地经济造成巨大损失,为有效解决季节冻土边坡冻融滑塌灾害,本文以川西季节冻土区广泛分布的混合土边坡为研究对象,通过试验量测、理论分析与数值模拟相结合的方式,研究融化期季节冻土边坡的稳定性及失稳机理,为实际工程提供一定的参考依据。本文主要研究内容及成果如下:(1)通过对川西季节冻土区非饱和混合土工程特性试验研究,确定了试样的密度、含水率、颗粒级配和渗透系数,并分析了粗颗粒含量和含水率对混合土试样抗剪强度参数的影响。随着粗颗粒含量增加,试样粘聚力逐渐减小而其内摩擦角逐渐增大;试样粘聚力和内摩擦角随着含水率增大均逐渐减小,且粘聚力折减幅度较内摩擦角大。(2)基于冻土水热耦合理论,建立季节冻土边坡水热耦合分析模型,利用COMSOL软件计算边坡在冻融过程中的温度场和水分场变化情况。通过对温度场分析得出,冻结期间最大冻结深度为1.10 m左右,融化期间边坡冻融交界面逐渐降低,至3月下旬冻结土体全部融化;通过对水分场分析得出,冻结阶段土体中的未冻水逐渐向冻结锋面迁移,使冻结区土体含水量略微增大,融化阶段边坡浅层冻土和坡面积雪逐渐融化,使冻融交界面上部土体含水量剧增,在边坡浅层形成厚度约为0.85 m的暂态饱和区。(3)建立了综合考虑水热耦合作用的季节冻土边坡稳定性计算模型,得出融化期间季节冻土边坡稳定性系数逐渐减小;通过分析边坡位移及塑性变形确定滑动面位置,并与温度场进行对比,得出融化期边坡潜在滑动面与冻融交界面位置基本一致,且潜在滑动面走向与坡面大致平行,属于平面滑动类型。(4)对边坡失稳机理和稳定性影响因素进行了分析,得出融化期冻土消融和积雪融化入渗是川西地区季节冻土边坡发生浅层滑塌的主要诱因;混合土粗颗粒含量、初始含水量及坡度对边坡稳定性有较大影响,混合土粗颗粒含量越低,初始含水量越高,坡度越大,土体冻结融化后边坡稳定性越差。

关键词：非饱和混合土季节冻土边坡水热耦合数值模拟强度折减法