圆柱孔破损膨胀土结构演化及力学特性的试验研究

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膨胀土具有胀缩性、裂隙性和超固结性,是一种结构性明显的非饱和特殊土。膨胀土地区房屋开裂、路基变形、边坡滑塌等灾害频发,在全球给各类工业与民用建筑物带来严重的破坏,膨胀土的工程问题,一直是世界性的研究课题。  本文以南阳陶岔膨胀土为研究对象,针对膨胀土裂隙特征,在常规重塑试样上预设圆柱孔洞破损,通过CT-三轴排水压缩剪切试验,研究在不同净围压和吸力的作用下,不同初始破损程度和不同破损位置的膨胀土的力学特性和孔洞破损结构的演化规律。论文研究对建立膨胀土强度理论,揭示膨胀土边坡的失稳机理,探索膨胀土地区滑坡灾害的防治方法有重要的意义。  主要研究内容及研究成果如下:  (1)通过11组不同孔径破损膨胀土的CT-三轴试验,研究了圆柱孔破损重塑膨胀土的变形、强度特性以及破损结构的演化规律。试验结果表明:净围压在破损重塑膨胀土结构演化中发挥重要作用,随着净围压从50 kPa增加到200 kPa,CT图像的均值(ME值)提高幅度增大,试样内部的平均密度变大;相应地,CT图像的标准差(SD值)降低的幅度也增大,试样结构趋于均匀化。圆柱孔破损对膨胀土的强度有明显的弱化作用。吸力一定时,圆柱孔面积变化随着净围压的增加而减小;不同圆柱孔破损试样之间的比较发现,相同剪切条件下,圆柱孔破损面积越大,试样ME值越小,SD值越大,ME值曲线急剧增长和SD值曲线急剧下降所对应的偏应力越小,说明其结构性越弱。损伤位置越靠近中间的试样其ME值(密实度)和SD值(不均匀程度)都将越大。  (2)运用多功能CT-三轴仪对三轴剪切试验过程中的土体断层进行扫描,得到了土体断层不同试验阶段的CT图片。从这些扫描图片中提取试样的ME值(平均密度)、SD值(不均匀程度)、试样横断面面积、孔洞面积等信息。运用MATLAB软件对这些信息进行三维立体建模,得到了试验过程中土体不同阶段的三维立体模型。重建结果表明:三维立体模型对土体整体和内部结构以及各种孔径的变化规律反映的更准确;三维切片可以反映试样断面的演变,有助于我们在三轴剪切过程中更详细的了解试样内部结构的演化规律。
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