论文部分内容阅读
寒区的各类工程土体由于受到季节更替和昼夜温差等气候因素的影响，经受着反复的冻融风化作用，导致土体反复发生冻胀和融沉，进而影响土体的强度、变形、渗透性和压缩性等诸多工程性质。土体的宏观物理力学性质在冻融循环作用下发生改变的根本原因是土体的结构性在反复冻融过程中发生了变化。结构性是土体的固有属性，在宏观上表现为土体的物理力学特征，在细观和微观上表现为土颗粒与土孔隙的组成、形态和分布特征。本文从宏观、细观和微观三个层次，结合土力学、土质学、微观形态学和固体力学的研究方法，对冻融循环作用下土结构性的变化情况及其机理进行了研究。首先在试验室内制备了超固结重塑土样，对土样的均匀性和结构性进行了检验。然后对土样的含水率和密度等物理性质随冻融循环次数的变化情况进行了分析。通过单轴压缩试验和循环加卸载试验，分析了强度、失效应变、能量耗散、回弹模量等力学性质在冻融循环作用下的变化情况。通过X射线衍射试验、压汞试验、比表面积试验、粒度分析试验和界限含水率试验等细微观试验，对各结构性要素随冻融循环次数的变化情况进行了分析，探讨了结构性变化的细微观机理。试验发现，10次冻融循环是一个临界值，土样的诸多物理力学和细微观性质在第10次冻融循环后就不再随冻融循环次数的增加而发生明显变化。随后，提出了一个能够考虑冻融循环作用的结构性定量参数—冻融结构势，用力学试验和细微观试验的结果构造了不同参数表示的冻融结构势，分析了它们各自的变化情况及之间的相互关系，并对结构性随冻融循环次数的变化情况进行了定量评价。最后将冻融结构势作为结构性损伤参数引入损伤比函数中，在沈珠江提出的损伤力学模型中进行了简单应用。本文得到的主要结论如下: (1)通过本文所述的制样方法所制备的超固结重塑土样，具有较好的初始状态一致性，其压缩曲线呈现出陡降式的应变软化现象，具有结构性土的典型特征，在结构性方面具有一定的代表性。 (2)随着冻融循环次数逐渐增加，土样中的水分不断析出，导致含水率逐渐降低，第10次冻融循环后，土样的含水率降低到接近土的塑限含水率，此后含水率不再有明显变化;试样的直径变化不明显，高度则呈增大趋势，并在10次循环后趋于稳定;水分丧失和高度增加导致了土样的密度随着冻融循环次数的增加而逐渐减小，且在10次循环后趋于稳定。 (3)不同冻融循环次数下，土样的压缩曲线上均有峰值;单轴压缩曲线和循环加卸载曲线并不完全重合，但相差不大;峰值强度在冻融循环作用下先降低，第3次循环后达到最低，在5-7次循环后略有回升，在10-15次循环后，强度趋于平稳;失效应变则是随着循环次数的增加而逐渐减小，在5次循环后趋于平稳。能量耗散随着卸载应变先增大后减小，可以用抛物线进行拟合，拟合抛物线的顶点对应的应变值，总是略小于压缩曲线上的峰值应变，说明在压力作用下当能量耗散值一旦达到最大时，就预示着土样即将发生破坏。平均能量耗散随冻融循环次数的变化规律与强度相似。平均回弹模量在第1次冻融循环后降低30％，而后继续增加冻融循环次数将不再对回弹模量有明显的影响。 (4)土的矿物成分在冻融过程中没有发生明显的变化。颗粒组成情况则变化较大:≧0.1mm的粗颗粒在第1次循环后含量降低，随后0.05～0.1mm和0.005～0.05mm两个粒组的含量也分别在3次和5次循环后开始减少;而≦0.005mm粒组的含量则随着冻融循环次数的增加而不断增多。各粒组含量的变化说明了粗颗粒在冻融循环过程中发生了破碎。颗粒破碎导致了土颗粒的整体细化，导致比表面积随冻融循环次数的增加而不断增大，同时液塑限和塑性指数也随之增大。而活性指数却随着冻融循环次数的增加而减小。土颗粒的变化也导致了孔隙分布发生改变，大孔隙（孔径＞10μm）和中孔隙（孔径为1～10μm）随着冻融循环次数的增加而增多，而小孔隙（孔径为0.1～1μm）含量减少，微孔隙（孔径为＜0.1μm）含量基本上保持不变。土的颗粒组成在10次冻融循环后逐渐趋于稳定，因而比表面积、界限含水率和孔隙分布也均在10次循环后均趋于稳定。土的细微观性质在冻融过程中发生变化，一方面是由于水分相变时冰晶生长对颗粒产生挤压，引起颗粒位移和颗粒破碎;另一方面，由于水分在土颗粒的表面吸力作用下发生迁移，水对土颗粒产生的反作用力对颗粒形态和孔隙分布产生影响。当冻融循环达到10次时，土中水分的迁移通道逐渐形成，土颗粒和土孔隙的分布与组成状态达到稳定，之后继续增加冻融循环次数，土颗粒不再发生显著破碎和位移，从而颗粒排列和孔隙分布也都趋于稳定。 (5)不同参数表示的冻融结构势，在绝对数值和变化趋势上不尽相同，但之间也存在一定的联系。应力冻融结构势MSN可以反映结构性随轴向应变的变化情况:每一个冻融循环次数下，MS随着轴向应变均是先增大、后减小，呈现出抛物线式的变化规律。而每一个冻融循环次数下的平均应力冻融结构势（MSN）（外加括号代表平均值，下同），则可以反映出结构性随着冻融循环次数的变化情况。强度冻融结构势MqN、平均能量耗散冻融结构势(MEdN)和平均应力冻融结构势（MSN）三者随着冻融循环次数的变化曲线非常一致，即:第3次循环后最小，5-7次循环后略有回升，10次循环后趋于稳定;三者呈现出一定的比例关系，约为:（MEdN）≈0.35（MSN）;MqN≈1.26(MSN)。平均回弹模量冻融结构势（MRN）和失效应变冻融结构势MεN均是随着冻融循环次数的增加而减小，两者近似呈线性关系，约为:（MRN）≈0.83MεN。比表面积冻融结构势MAN、塑限冻融结构势MWpN、液限冻融结构势MWLN和塑性指数冻融结构势MwIPN随冻融循环次数的变化曲线几乎重合，可以用双曲线函数MN=N/0.854+0.114(N=1、2、3…)进行拟合，拟合相关系数接近为1。 (6)使用平均应力冻融结构势（MSN）构造的损伤比函数，能够较好的反映出土样的强度在冻融循环次数增加的过程中的损伤演变。而应力冻融结构势MSN随着轴向应变的抛物线拟合函数，可以将损伤比函数表示为轴向应变的函数，用于沈珠江的非线性损伤力学模型中，可建立一个考虑了冻融循环对土结构性影响的结构性损伤本构模型。