动静荷载下海东地区黄土强度特性试验及数值模拟研究

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黄土是我国西北地区广泛分布的一种特殊土,青海省属大陆性高原气候,冬寒夏凉日照较长,年均降水量低,太阳辐射强,独特的气候特征决定其特殊的结构。随着“一带一路”战略的推进,在开启全面建设社会主义现代化国家新征程的指引下,如何应对黄土地区工程地质灾害阻碍当地工程建设的发展成为众多学者关注的内容。本文以海东地区典型原状黄土为研究对象,通过GDS标准应力路径试验系统、GDS双向动态三轴试验系统进行静、动三轴试验,并结合PLAXIS 3D有限元数值模拟软件,对原状黄土在静荷载、动荷载作用下强度特性和变形性状进行试验研究。主要内容:(1)通过控制不同初始固结围压、不同初始含水率、与自然沉积方向呈不同角度取样等因素,探究原状黄土静力荷载作用下强度特性及变形性状;(2)通过控制不同初始固结围压、不同初始含水率、与自然沉积方向呈不同角度取样、不同固结比、不同加载频率等因素,探究原状黄土动力荷载作用下强度特性及变形性状;(3)根据室内试验结果,结合PLAXIS 3D有限元数值模拟软件进行对比分析。主要结论:(1)该地区黄土多以粉粒为主,颗粒较小,比表面积较大,对含水率具有较强的敏感性,偏应力、动应变并不是随着含水率梯度增加出现梯度减小。不同深度原状黄土的强度具有一定的差异,在达到相同应变时原状黄土的应力随着埋置深度的增加而增加,深度的增加提高了原状黄土的抗振、抗剪切应变能力,使其具有较高的强度。(2)在应力控制、应变控制逐级加载方式下,在动应变dε=0.5%时出现拐点,动应力随围压、取样深度、固结应力比、振动频率的增加而增大,原状黄土动弹性模量随取样深度、固结应力比、振动频率的增加而增加。原状黄土阻尼比随动应变、固结应力比增加而增加,随围压、振动频率的增加而降低;在应力控制单级加载方式下,含水率的增加促进了动应变的发生,当循环次数达到400次时动应变-循环次数关系曲线出现拐点,原状黄土动剪切模量随循环次数的增加出现先减小后增加再减小的变化,随含水率的增加而降低,原状黄土阻尼比随循环次数的增加出现先增加后减小的变化,随含水率的增加而增大。(3)采用修正H-D双曲线模型更为精确的描述原状黄土的骨干曲线,其拟合度2R均大于0.97,根据修正H-D双曲线模型得出的初始动弹性模量随取样深度、固结应力比、振动频率的增大而增大,静弹性模量随取样深度、围压的增加而增大,随含水率的增大而减小,受取样角度的不同,初始静、动弹性模量从大到小依次是:0°,30°/60°,45°,90°,原状黄土各向异性较为显著。(4)围压、固结应力比、振动频率的增加延缓了振动压密阶段到振动剪切阶段、振动剪切阶段到振动破坏阶段的发生,提高原状黄土抵抗振动变形能力。在同一动应变加载下原状黄土动应力随循环次数的增加而减小,应力松弛过程分为快速松弛阶段、衰减松弛阶段和稳定松弛阶段,该地区原状黄土动应力松弛较为缓慢。(5)采用土体硬化模型对静力荷载作用下原状黄土进行模拟可知室内试验结果与数值模拟结果具有较好的一致性;小应变土体硬化模型不适合描述较大动应变下原状黄土动强度特性和变形性状。
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