湛江黏土工程性状的结构损伤及动力响应特征研究

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天然黏土普遍存在结构性,其在长期循环荷载作用下会经历结构强度的丧失,尤其是对于具有较强结构性土体地基,会因其结构性损伤而导致土体的强度和刚度急剧下降,在毫无预兆的情况下产生大变形,引发土体的灾难性破坏。为了保证大型建(构)筑物的安全与稳定,充分认识结构性黏土在静力条件下的力学特性及结构损伤特征,合理利用土体的结构性避免土骨架结构不稳定的不利作用,准确预测和评价结构性黏土在长期循环荷载作用下的循环动力特性,是一个兼顾工程应用与理论创新的课题。  本文以湛江强结构性黏土为研究对象,采用试验探究与理论分析的方法,开展了静力和动力特性研究,较为系统研究了湛江黏土的变形特性与结构损伤演化规律及循环荷载作用下的动力响应,以期为循环荷载作用下结构性黏土长期变形沉降的预测以及流变模型的建立提供依据。主要完成工作和所得结论如下:  (1)通过开展室内试验及原位测试,认为湛江黏土是一种典型结构性土,其压缩曲线、应力-应变关系、强度包线线型、固结系数与渗透系数在其结构破坏前后均具有很大不同。并从土质学特征出发,结合物质组成、物理化学性质以及微观试验结果,得出湛江黏土的工程力学特性与其土质学特征密切相关的结论。  (2)基于原状样与重塑样的共振柱试验结果,得到了最大动剪切模量Gmax随固结应力水平的演化规律,发现湛江原状土经孔隙比函数归一化后的最大剪切模量随有效围压的变化呈现先增大后减小的特征。并初步探究了动剪切模量与土体结构损伤的关联性的内在机制,认为结构性土的Gmax同时受土体压硬性的正效应与结构损伤的负效应双重影响。此外,针对Hardin公式未考虑结构性损伤的影响与表征方式难以延伸适宜于广义应力水平的不足,提出了改进的Hardin公式。  (3)通过在GDS应力路径仪上添加弯曲元系统测试湛江黏土固结和剪切全过程的剪切波速和剪切模量,研究结构性土的模量响应特征及演化规律。结果表明,结构性土剪切模量的衰减是平均有效应力降低和结构损伤共同作用的结果。并提出了利用剪切模量的劣化定量评价结构性黏土剪切过程中的结构损伤方法,得到了变形发展的损伤参数的演化规律,在沈珠江院士提出的岩土破损力学与双重介质模型的基础上,建立了结构性黏土的脆弹塑性模型。  (4)对循环荷载作用下湛江原状土和重塑土的动变形、动强度和动孔隙水压力特性以及与土结构性间的内在联系进行了系统的试验研究,发现动荷载下结构性黏土具脆性破坏特征,静偏应力对结构性黏土动力特性的影响存在分界值,小于该值时静偏应力对土体的压密作用提高了土体的临界动应力和动强度,大于该值时土体结构损伤,临界动应力和动强度均呈下降趋势。  (5)软土地基在长期循环荷载作用下的变形特性十分重要,而经验模型是动荷载引起的土体变形预测的实用方法。根据典型结构性黏土的动力变形曲线,叠加指数型函数a(δN-1)与指数双曲线函数bNm/(1+cNm),提出了一种能更好描述黏土在循环荷载作用下黏土累积变形的改进经验模型,该模型能同时描述“稳定型”和“破坏型”应变曲线,其对呈脆性破坏特征的强结构性黏土的变形特性表征具有明显的优越性。  (6)软黏土具有一定的流变性,为了对循环荷载作用下黏土长期变形沉降进行预测,从动力蠕变角度出发,系统研究了土体循环蠕变随动应力水平和时间的变化规律,并通过改进伯格斯模型,建立了对不同蠕变类型曲线(衰减型、临界型、加速型)均具有良好适用性的四元件蠕变模型。  以上研究表明,湛江黏土作为一种典型结构性土,结构强度高且力学特性独特,其静力及动力响应均与结构性相关。本文从改进经验模型和蠕变模型两个角度描述了湛江黏土的动力变形特性,以期为结构性黏土在长期循环荷载作用下的沉降变形分析提供力学依据与支撑。
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