玄武岩纤维加筋黄土三轴剪切力学特性研究

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加筋土是将纤维和土体按照一定比例进行均匀混合得到的混合物,由于加筋土施工工艺简单、对环境影响小、且施工成本低,是一种经济可行的土体改良方法。玄武岩纤维是一种新型无机环保绿色高性能纤维材料,具有强度高、耐腐蚀、耐高温等优异性能,对于土体有很好的改良效果。本文以陕西西安地区典型黄土为研究对象,利用玄武岩纤维对黄土进行改良,通过不固结不排水三轴剪切试验(UU)探究分析纤维长度L、纤维含量η和围压σ3等因素对加筋黄土应力应变特性的影响,并借助非接触式数字图像采集技术分析加筋土变形特性与各因子之间关系。最后基于土体联合强度理论现有研究成果,拟合修正得到适用于加筋黄土在复杂应力状态下的联合强度理论经验公式。主要研究内容如下:1、开展玄武岩加筋黄土三轴剪切试验(UU),分析纤维长度、纤维含量和围压等因素对加筋土强度特性的影响,对实验结果分析得到结论:加入纤维可以增强土体应力应变曲线的硬化趋势,影响土体的本构行为特征,随着围压增大素黄土和加筋土的广义剪应力均增大;相同围压和纤维含量下,随着纤维长度的增加,土体破坏强度先增后减小,存在最佳加筋长度和最佳纤维含量;随着纤维含量和纤维长度的增大,粘聚力c先增大后减小,内摩擦角φ受纤维变化影响较小,整体呈波动变化;加筋系数R随着纤维长度和纤维含量变化表现为先增加后减小的趋势,且加筋系数R随着围压呈现逐渐降低的趋势。2、通过数字图像采集技术测量三轴剪切实验中试样破坏变形演化过程,并利用有限元计算得到土体表面应变场。素黄土和低纤维含量的加筋土(小于0.3%)为剪切带破坏形式,对应的轴向应变场大应变区域呈条带状分布;较高纤维含量加筋土为鼓胀破坏,对应的轴向应变场大应变区域呈横向分布。所以加入一定长度和含量的玄武岩纤维可以协调土体剪切过程中的变形,使破坏变形更加协调。3、总结土体经典联合强度理论,基于加筋土三轴剪切试验数据和单轴抗拉试验数据,选择二次抛物线型联合强度模型和双曲线型联合强度模型进行拟合修正,推导出适用于玄武岩纤维加筋黄土的联合强度理论经验公式,基于该公式可以合理的判断不同纤维含量和纤维长度的加筋土在复杂应力状态下的破坏情况。
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