论文摘要
许多工程实例和研究均表明,以膨胀土作为基础的市政工程、高速公路、高速铁路及挡土墙等结构物随时间发展而逐步失稳破坏,地基的长期沉降、隧道施工时的地表沉降及变形等均与其固结和蠕变特性有关。膨胀土在全球分布非常广泛,由它引起的工程事故频繁,这给世界各国带来了巨大的经济损失。而迄今为止,专门针对膨胀土的固结和蠕变特性的研究还未见有公开报道。因此,对膨胀土进行系统的研究很有必要也很紧迫。基于国内外软土固结与蠕变特性的研究现状,在综合分析相关文献的基础上,结合国家自然基金、湖南省自然基金和湖南省教育厅重点资助项目等科研课题的研究,本文展开了南宁膨胀土固结与蠕变特性的研究工作。通过室内试验、理论分析和数值分析相结合的方法进行了研究,主要取得了如下几个方面的结论和研究成果:1)基于一维固结试验,研究了在有无预压、不同加荷比、分级加载、单级保载8 d的试验条件下,饱和膨胀土变形随时间及固结压力变化的规律,得到以下结论:①有无预压及不同加荷比条件下,孔隙比与时间对数关系曲线是不同的。无预压时,对于加荷比等于1的土样,其孔隙比与时间对数关系曲线呈线性,且拟合方程斜率相当接近;当加荷比分别等于2和3时,随荷载增加,孔隙比与时间对数关系曲线的线型及孔隙比变化幅度均有所变化;有预压时,对于加荷比为1的土样,在压力小于200 kPa与大于200 kPa时,孔隙比与时间对数关系曲线变化趋势不同。加荷比越大,固结变形相对越小。②加荷比只影响孔隙比与荷载对数曲线的线型。无预压时,不同加荷比情况下的孔隙比与荷载对数曲线基本呈线性。进一步用相应的函数对加荷比为1、有预压与预压200 kPa时的孔隙比与荷载半对数曲线进行了拟合,分别得出了两种情况下孔隙比与时间及荷载对数的关系方程,精度很好。③在半对数坐标中,有无预压及不同加荷比条件下的线胀率曲线近似分为3个阶段。同时对比了分析预压、加荷比对膨胀土固结后浸水的自由膨胀量及自由膨胀稳定变形值的影响。2)通过不同固结压力下饱和膨胀土和株洲饱和红粘土的对比直剪试验,探讨了固结压力及密实度对膨胀土直剪特性的影响。得以下结论:①相同固结压力下,饱和膨胀土剪应力与剪位移对数呈线性关系,且曲线均趋于剪切“硬化”型;饱和红粘土的剪应力与剪切位移关系曲线在竖向压力较低状态下是剪切“弱硬化”型,而在较高的状态下为剪切“强硬化”型;②分别拟合出了两种土样剪应力与剪位移、固结压力及密实度的关系方程,并对两种土在不同固结压力下的直剪特性进行了理论分析,这对指导设计和施工具有重要的工程意义。3)基于非饱和膨胀土一维压缩蠕变试验,研究了其变形随时间、含水量及固结压力变化的规律,得到以下结论:①同荷载不同含水量条件下,在荷载较小时,含水量较低的土样应变速率随时间增长出现衰减的趋势较早;荷载较大时,在加载6 h后,随含水量增加,应变速率随时间呈非衰减的趋势越明显;并拟合出了非饱和膨胀土在压力为50 kPa时应变与含水量及时间的关系方程,精度较高;②同含水量不同荷载情况下,应变速率随时间关系曲线在荷载较小时呈衰减趋势,荷载较大时呈非衰减趋势;拟合出了非饱和膨胀土在含水率为16 %时应力与应变及时间的本构方程,拟合度较好,为进一步对膨胀土蠕变特性进行数值模拟分析提供了试验及理论依据。4)基于用硬化函数改进的村山流变模型,结合ADINA有限元软件对非饱和膨胀土的压缩蠕变进行了数值分析,验证所建模型的有效性,进一步探讨了膨胀土地基时效变形的多种影响因素。