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膨胀土吸水膨胀软化,失水收缩开裂,反复胀缩变形导致土体强度大幅衰减,给工程的安全带来极大危害。开展膨胀土脱湿过程裂隙演化规律研究具有重要的现实意义,有助于加深对膨胀土地区地基变形破坏、边坡失稳、水土流失等病害的理解和认识,有利于膨胀土灾害防治水平的提高。
以南水北调中线南阳中膨胀土为研究对象,采用室内试验方法,开展了多组不同干密度、不同初始含水量的膨胀土脱湿开裂全过程模型试验,探讨了脱湿全过程的裂隙演化特征以及影响裂隙扩展的主要因素,并对裂隙演化的力学机理进行了初步探讨,论文的主要研究内容和成果如下:
1、针对常规制样方法的不足,研制了一套可模拟膨胀土静水沉积条件的试样制备模具,用该模具所制试样的尺寸为Φ146mm×20mm,试样内部基本无初始裂隙,试样初始含水量和初始干密度均精确可控,在开展裂隙扩展试验时可减少试样尺寸小、试样内有初始裂隙等因素对试验结果的干扰,便于膨胀土裂隙扩展规律的研究。
2、首次将数字散斑方法用于膨胀土脱湿开裂全过程的研究,通过对试样开裂图像间相关系数的分析,论证了该方法用于裂隙扩展试验定量观测的可行性,并确定了相关试验参数和操作方法。基于数字散斑相关方法,开展了膨胀土脱湿开裂试验,得到了试样在脱湿开裂过程中的位移场和应变场。
3、对描述裂隙发育程度的度量指标进行了优化比选,发现用试样收缩面积、裂隙总面积以及试样面积所表示的裂隙度可作为描述膨胀土试样脱湿开裂过程的有效度量指标,并明确了收缩开裂裂隙度δ'f5的定义。
4、开展了恒温条件下膨胀土脱湿全过程裂隙扩展试验,分析了膨胀土脱湿全过程裂隙度随时间的变化特征。基于裂隙度随时间的演化特征,将脱湿开裂过程分为三个阶段:开裂酝酿阶段、裂隙产生并匀速扩展阶段和基本稳定阶段。
5、分析了影响膨胀土裂隙发育发展的主要因素,发现试样的干密度、初始含水量与收缩开裂裂隙度δ5有较好的线性相关性,初始含水量与裂隙度呈正相关,干密度与裂隙度呈负相关。
6、发现裂隙扩展至稳定阶段的含水量接近土体的缩限。
7、引入非饱和土水特征曲线(SWCC)建立了以饱和度和体积含水量表示的开裂状态方程,分析了裂隙发展的应力变化,可为下一步膨胀土脱湿过程中裂隙扩展的力学行为分析提供思路。