饱和—非饱和风化花岗岩残积土力学特性与本构关系研究

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花岗岩残积土常见于我国广东、福建等地,在工程建设中时常碰见。因为在施工过程中对残积土各项性质了解不充分,导致出现施工偏差,支护设计错漏,预防准备不足,路堑滑坡、基坑坍塌、不均匀沉降等问题,造成了较大的经济、财产损失,甚至出现人员伤亡事故。因此,本文以广东德庆地区风化花岗岩残积土原状样为试验材料,开展残积土土样饱和-非饱和情况下的力学特性试验。对其持水特性、抗剪强度、本构关系开展研究,并为实际工程建设提供一定的参考价值。本文系统开展了含水率、粒径分析、矿物成分分析等试验,不难发现:肇庆地区的花岗岩残积土在天然状态下含水率为21.39%,组成的主要矿物成分为高岭石和石英。通过粒径分析试验测出土样的粒径分布后,认为可以将其定义为砂质黏性土。非饱和土的干湿循环试验结果表明:原状土在脱湿过程中体积含水率随着基质吸力的增大而不断增大。土-水特征曲线呈现典型的三段式分布,即边界效应区、过渡区、残余区。残积土的进气值为40 k Pa,残余含水率为6.12%;干湿循环过程中,残积土的特征曲线滞回现象明显;并且干湿循环对于试样的持水性有着较大的影响,在完成首次脱湿-增湿过程后,试样在基质吸力重新回到0 k Pa时,体积含水率相较初始状态大幅下降。本文在土-水特征曲线的相关拟合参数的基础上,完成了残积土相对渗透系数的拟合。发现不论是脱湿过程还是增湿过程,土样的相对渗透系数的变化趋势是高度一致的,即土样的基质吸力的大小、含水率的高低或者说是土样内部孔隙是否连通,对渗透性有着相当大的影响。土样内含水率较高时,其渗透性好,含水率降低时,渗透性也会随之迅速下降;通过控制基质吸力和净围压的三轴试验,不难发现:不论是饱和土还是非饱和土,在三轴试验过程中呈现出的抗剪强度,均是试样所受围压越大,其抗剪强度越高;并且不论是处于饱和还是非饱和状态下,其偏应力-应变曲线均呈现应变软化型;结合9个试样的试验数据,得出残积土的内摩擦角为27.5°;试样的粘聚力随着基质吸力的增大而线性增大,基质吸力为0 k Pa时,粘聚力大小为21.23 k Pa,吸力与粘聚力的相关增长比例系数为0.4038;结合干湿循环与控制净应力下非饱和土三轴试验的结果,计算出了BBM模型的饱和时土的压缩系数l(0)、回弹系数k;土的先期固结压力p0*、参考应力pc;土体刚度与吸力增长相关参数b、g;吸力加载时压缩系数ls、回弹系数ks;先期最大吸力s0;临界状态线斜率M的具体参数值。并且论证了BBM模型对于饱和-非饱和情况下的土体的均适性。
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