新疆北部重塑性黄土的力学特性规律及微观机制试验研究

新疆某输水明渠工程穿越大面积湿陷性黄土区域,自运行以来渠坡经常发生滑动破坏现象,为深入分析其破坏机理,通过开展室内直剪、压缩、渗透以及SEM电镜扫描试验,从宏-微观角度分析其力学特性规律及其微观物理机制。(1)直剪试验结果表明:随着含水率增大,黏聚力呈先增大后减小的趋势,在最优含水率附近达到峰值,内摩擦角呈降低的趋势;随着干密度增大,黏聚力和内摩擦角均呈增大的趋势。通过微观试验分析,随着干密度增大,骨架颗粒堆积紧密,颗粒数量减少,面积增大,圆形程度下降,定向性变差。颗粒的面积占比和定向概率熵分别是影响黏聚力和内摩擦角的主要因素。(2)压缩试验结果表明:随着含水率增加,屈服应力呈线性减小的趋势,塑性压缩参数和回弹指数均呈线性增大的趋势;随着干密度增大,屈服应力呈线性增大的趋势,塑性压缩参数和回弹指数均呈线性减小的趋势。通过微观试验分析,随着固结压力增加,胶结能力弱的颗粒团聚体被压碎,新的颗粒团聚体形成,土骨架重组形成以絮凝状为主的次生结构,颗粒数量减少,圆形程度升高,定向性增强,颗粒定向概率熵对黄土可压缩性的影响最大。(3)渗透试验结果表明:饱和渗透系数随干密度增大呈现出减小的趋势。通过微观试验分析,随着干密度增大,渗透后的黄土微观结构中架空孔隙数量减少,镶嵌孔隙和粒间孔隙增多,孔隙贯通性变差,孔隙的数量、面积占比、圆度、丰度、大孔隙面积占比均与饱和渗透系数有显著的正相关性,其中孔隙面积占比的相关性最高。

干湿冻融循环条件下重塑性黄土的强度劣化规律及非线性模型研究

新疆某地的输水明渠工程途经大面积湿陷性黄土区域,在间歇供水的运行工况及季节性温差变化的共同作用下,经常发生渠坡滑动破坏现象。为深入研究渠坡变形破坏机制,通过开展干湿冻融循环条件下黄土的三轴试验和扫描电镜试验,研究其变形规律及微观机制,最后基于黄土的变形规律对邓肯-张模型进行改进。三轴试验结果表明:随着干湿冻融循环次数的增加,黄土的应力-应变曲线下降,体变曲线上升,且变化幅度越来越小,当循环次数大于5次后,应力-应变曲线和体变曲线基本不变,黏聚力和内摩擦角均呈现出指数函数衰减的变化趋势,其中黏聚力受干湿冻融循环作用的影响较大。电镜扫描试验结果表明:通过扫描电镜进行微观分析,在干湿冻融循环作用下,大的颗粒和团聚体被分裂,颗粒间的胶结物质减少,面接触增加,大孔隙面积占比减少,小孔隙和中孔隙面积占比、三维孔隙率和孔隙圆形程度增加,分形维数下降;三维孔隙率和分形维数与黏聚力呈显著相关,大孔隙面积占比与内摩擦角呈显著相关。由于邓肯-张模型不能合理反映土体的软化现象,采用二次函数对邓肯-张模型进行修改,并通过修改公式对泊松比进行拟合,以此提出改进邓肯-张模型,改进后的模型对不同循环次数下黄土三轴试验结果拟合效果较好。随着循环次数的增加,应力-应变模型参数k和q呈指数函数下降的趋势,应力-应变模型参数o呈指数函数上升的趋势,体变模型参数j、l呈指数函数上升的趋势,体变模型参数t呈指数函数下降的趋势。