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伴随着西北丘陵沟壑区城市建设的快速发展,涌现出不少的黄土高填方工程。充分压实后,高填方黄土的湿陷性已消除,表现出较好的力学性质。但考虑这类工程的使用年限较长,很有可能遭遇地下水位变化或连续降雨等长期溶滤作用,这将使已饱和的压实黄土持续受渗水影响,进而逐渐出现土样的强度弱化及溶滤变形。此外,溶滤过程是在土体饱和或湿陷之后,强度弱化和溶滤变形的发展相对缓慢,即这类工程病害的发生常具隐蔽性。所以,很有必要对压实黄土溶滤变形特性做出系统研究,以便对类似工程问题提早预防与控制。本文是以陕北某高填方工程黄土为研究对象,对其开展试验与理论研究,所得的研究成果如下:
(1)利用自主改进的应力控制式三轴仪,对不同应力组合及溶滤时长的压实黄土开展了宏观溶滤试验。结果表明,各溶滤试样在溶滤时均会发生变形,强度弱化和渗透系数减小的现象,且三者变化具时效性与阶段性特点。对溶滤试样抗剪强度参数分析后发现,黏聚力呈逐步降低趋势,而内摩擦角稍有增加。围压可促进溶滤应力水平的压密作用,但会限制变形、强度弱化与渗透性降低的增长幅度。溶滤应力水平影响着溶滤应变的大小及破坏正应力弱化程度。各溶滤试样的水力坡降均小于对应的临界水力坡降,说明溶滤期间的渗透力不会引起渗透破坏。溶滤过程中,渗透系数整体呈减小趋势,但溶滤应力水平较大时,会使溶滤后期的渗透系数有所增大。由非线性回归分析,建立了受溶滤时长和应力组合影响的渗透系数计算式,定量分析了溶滤试样渗透性的变化规律。
(2)由电镜扫描仪对试样开展了微观溶滤特性的研究。分析结果表明,随溶滤时长增加,微观孔隙的孔径、概率熵、分形维数和微观孔隙比减小,孔隙个数有所增大。团粒的个数、概率熵、分形维数和联结系数增大,粒径和曲率系数有所减小。孔径与粒径均减小的现象从微观层面证实,溶滤变形是可溶盐溶滤和压力共同作用下的压密过程。定义了粒径变化率用于分析微结构变化的剧烈程度。通过一系列初选和非线性主成分分析法,确定了影响宏观溶滤体应变的主要微观参数为孔径、孔隙分形维数和曲率系数;影响黏聚力的主要微观参数为孔隙概率熵和团粒分形维数,并建立了宏微观参数间的相关关系式。
(3)通过酸碱平衡法,对溶滤过程中的各压实黄土的可溶盐离子和溶盐总量进行测定与分析。溶滤期间,各离子浓度和可溶盐量具阶段性减少的特点。初始和残留含量最高的易溶、中溶和难溶盐分别为碳酸氢钙,石膏和碳酸钙。围压影响离子和溶盐总量曲线的平滑度,溶滤应力水平影响曲线的形式及滞后性,土中最终的溶盐量与围压和溶滤应力水平均正相关。为评价不同应力间的溶盐流失差异及溶滤进程,分别定义了最大与平均差异性指标及溶盐比。最大差异性指标与溶滤应力水平成反比,而平均差异性指标与溶滤应力水平成正比。强度方面,破坏正应力与相对可溶盐量成正比,溶滤应力水平决定弱化初期的剧烈程度,不同围压间破坏正应力的差异性随溶滤应力水平的增大而减弱。三类特性表明,可溶盐流失是引起溶滤变形及强度弱化的内在原因。结合试验数据,建立了可溶盐与应力组合影响的强度弱化公式。
(4)分析固结参数及破坏参数同可溶盐和应力组合的关系,得到了受溶滤影响的剑桥模型参数的修正公式,进而建立了溶滤影响的剑桥模型。为分析修正模型对溶滤压实黄土的适用性,对各应力组合条件下的宏观溶滤试验数据进行逐一验证计算与对比分析。结果表明,由修正溶滤剑桥模型算得的溶滤应变同试验值比较一致,可用此模型对溶滤压实黄土的变形做定量预测与分析。
(1)利用自主改进的应力控制式三轴仪,对不同应力组合及溶滤时长的压实黄土开展了宏观溶滤试验。结果表明,各溶滤试样在溶滤时均会发生变形,强度弱化和渗透系数减小的现象,且三者变化具时效性与阶段性特点。对溶滤试样抗剪强度参数分析后发现,黏聚力呈逐步降低趋势,而内摩擦角稍有增加。围压可促进溶滤应力水平的压密作用,但会限制变形、强度弱化与渗透性降低的增长幅度。溶滤应力水平影响着溶滤应变的大小及破坏正应力弱化程度。各溶滤试样的水力坡降均小于对应的临界水力坡降,说明溶滤期间的渗透力不会引起渗透破坏。溶滤过程中,渗透系数整体呈减小趋势,但溶滤应力水平较大时,会使溶滤后期的渗透系数有所增大。由非线性回归分析,建立了受溶滤时长和应力组合影响的渗透系数计算式,定量分析了溶滤试样渗透性的变化规律。
(2)由电镜扫描仪对试样开展了微观溶滤特性的研究。分析结果表明,随溶滤时长增加,微观孔隙的孔径、概率熵、分形维数和微观孔隙比减小,孔隙个数有所增大。团粒的个数、概率熵、分形维数和联结系数增大,粒径和曲率系数有所减小。孔径与粒径均减小的现象从微观层面证实,溶滤变形是可溶盐溶滤和压力共同作用下的压密过程。定义了粒径变化率用于分析微结构变化的剧烈程度。通过一系列初选和非线性主成分分析法,确定了影响宏观溶滤体应变的主要微观参数为孔径、孔隙分形维数和曲率系数;影响黏聚力的主要微观参数为孔隙概率熵和团粒分形维数,并建立了宏微观参数间的相关关系式。
(3)通过酸碱平衡法,对溶滤过程中的各压实黄土的可溶盐离子和溶盐总量进行测定与分析。溶滤期间,各离子浓度和可溶盐量具阶段性减少的特点。初始和残留含量最高的易溶、中溶和难溶盐分别为碳酸氢钙,石膏和碳酸钙。围压影响离子和溶盐总量曲线的平滑度,溶滤应力水平影响曲线的形式及滞后性,土中最终的溶盐量与围压和溶滤应力水平均正相关。为评价不同应力间的溶盐流失差异及溶滤进程,分别定义了最大与平均差异性指标及溶盐比。最大差异性指标与溶滤应力水平成反比,而平均差异性指标与溶滤应力水平成正比。强度方面,破坏正应力与相对可溶盐量成正比,溶滤应力水平决定弱化初期的剧烈程度,不同围压间破坏正应力的差异性随溶滤应力水平的增大而减弱。三类特性表明,可溶盐流失是引起溶滤变形及强度弱化的内在原因。结合试验数据,建立了可溶盐与应力组合影响的强度弱化公式。
(4)分析固结参数及破坏参数同可溶盐和应力组合的关系,得到了受溶滤影响的剑桥模型参数的修正公式,进而建立了溶滤影响的剑桥模型。为分析修正模型对溶滤压实黄土的适用性,对各应力组合条件下的宏观溶滤试验数据进行逐一验证计算与对比分析。结果表明,由修正溶滤剑桥模型算得的溶滤应变同试验值比较一致,可用此模型对溶滤压实黄土的变形做定量预测与分析。