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在我国,黄河中游地区是黄土的主要分布区域,受当地气候条件影响,黄土常处在降雨増湿和蒸发减湿形成的干湿循环之下,土体的物理力学特性也因此处在动态变化过程中,而土体力学特性的变化威胁着建筑物的安全和稳定。因此,研究干湿循环下黄土物理力学性质变化规律对工程建设的安全稳定具有实际意义。在研究降雨对边坡稳定性的影响时,历史降雨形成的干湿循环作用往往被忽略,因此本文研究了降雨-干湿耦合作用对边坡稳定性的影响。
本文以太原地区重塑黄土为研究对象,通过室内试验研究了干湿循环下黄土的压缩特性、抗剪强度、渗透性的变化规律。并基于Mein-Larson模型和室内试验结果,使用强度折减法研究了两种降雨强度下干湿循环、降雨、降雨-干湿耦合作用对边坡稳定性的影响。研究结果如下:
(1)侧限压缩试验中,竖向应变随着干湿循环次数、増湿含水率的增加而增大,随着减湿含水率的增加而减小,五次干湿循环后,800kPa下的竖向应变最多增加36.72%。压缩模量随干湿循环次数和増湿含水率的增加而减小,随减湿含水率增加而增大,五次干湿循环后,25kPa-50kPa之间的压缩模量最多减少39.72%。回弹模量随着干湿循环次数、増湿含水率的增加而增大,随减湿含水率的增大而减小,五次干湿循环后回弹模量最多增加44.5%。因此,低减湿含水率和高増湿含水率形成的干湿循环对重塑黄土压缩变形特性影响明显,在实际工程中应该引起注意。
(2)渗透试验中,渗透系数随着干湿循环次数和増湿含水率的增大而增加,随着减湿含水率的增大而减小。渗透压较小时,渗透系数受干湿循环影响更明显,当渗透压为100kPa时,渗透系数在五次干湿循环后最多增加110%。因此,低减湿含水率,高増湿含水率以及多循环次数的干湿循环对重塑黄土渗透系数影响显著。
(3)直剪试验中,抗剪强度及其参数均随着干湿循环次数、増湿含水率的增加而减小,随着减湿含水率增加而增大。五次干湿循环后,100kPa下土样的抗剪强度最多减少31.94%,黏聚力最多减少37.26%,内摩擦角最多减少12.41%。因此,低减湿含水率与高増湿含水率形成的干湿循环对重塑黄土抗剪强度及黏聚力弱化作用显著,对内摩擦角的影响相对较小。
(4)干湿循环对边坡稳定性的影响随着干湿循环次数和降雨量的增加而变大,降雨量为200mm时,五次干湿循环后边坡安全系数减小5.41%,干湿循环对边坡稳定性影响较小,干湿循环单独作用下边坡基本不会失稳。降雨对边坡稳定性的影响与降雨量和降雨强度有关,边坡安全系数随降雨量的增加而减小,低强度降雨下,当降雨量达到200mm时边坡安全系数减少47%,降雨单独作用下边坡破坏需要较大降雨量。降雨-干湿耦合作用对边坡稳定性的影响随着降雨量和干湿循环次数增加而变大,降雨量为200mm时,降雨耦合五次干湿循环后边坡安全系数减少77.5%,在耦合作用下,边坡破坏时所需降雨量最小。因此研究边坡稳定性时,应该将超过一定降雨量历史降雨形成的干湿循环作用考虑在内。
本文以太原地区重塑黄土为研究对象,通过室内试验研究了干湿循环下黄土的压缩特性、抗剪强度、渗透性的变化规律。并基于Mein-Larson模型和室内试验结果,使用强度折减法研究了两种降雨强度下干湿循环、降雨、降雨-干湿耦合作用对边坡稳定性的影响。研究结果如下:
(1)侧限压缩试验中,竖向应变随着干湿循环次数、増湿含水率的增加而增大,随着减湿含水率的增加而减小,五次干湿循环后,800kPa下的竖向应变最多增加36.72%。压缩模量随干湿循环次数和増湿含水率的增加而减小,随减湿含水率增加而增大,五次干湿循环后,25kPa-50kPa之间的压缩模量最多减少39.72%。回弹模量随着干湿循环次数、増湿含水率的增加而增大,随减湿含水率的增大而减小,五次干湿循环后回弹模量最多增加44.5%。因此,低减湿含水率和高増湿含水率形成的干湿循环对重塑黄土压缩变形特性影响明显,在实际工程中应该引起注意。
(2)渗透试验中,渗透系数随着干湿循环次数和増湿含水率的增大而增加,随着减湿含水率的增大而减小。渗透压较小时,渗透系数受干湿循环影响更明显,当渗透压为100kPa时,渗透系数在五次干湿循环后最多增加110%。因此,低减湿含水率,高増湿含水率以及多循环次数的干湿循环对重塑黄土渗透系数影响显著。
(3)直剪试验中,抗剪强度及其参数均随着干湿循环次数、増湿含水率的增加而减小,随着减湿含水率增加而增大。五次干湿循环后,100kPa下土样的抗剪强度最多减少31.94%,黏聚力最多减少37.26%,内摩擦角最多减少12.41%。因此,低减湿含水率与高増湿含水率形成的干湿循环对重塑黄土抗剪强度及黏聚力弱化作用显著,对内摩擦角的影响相对较小。
(4)干湿循环对边坡稳定性的影响随着干湿循环次数和降雨量的增加而变大,降雨量为200mm时,五次干湿循环后边坡安全系数减小5.41%,干湿循环对边坡稳定性影响较小,干湿循环单独作用下边坡基本不会失稳。降雨对边坡稳定性的影响与降雨量和降雨强度有关,边坡安全系数随降雨量的增加而减小,低强度降雨下,当降雨量达到200mm时边坡安全系数减少47%,降雨单独作用下边坡破坏需要较大降雨量。降雨-干湿耦合作用对边坡稳定性的影响随着降雨量和干湿循环次数增加而变大,降雨量为200mm时,降雨耦合五次干湿循环后边坡安全系数减少77.5%,在耦合作用下,边坡破坏时所需降雨量最小。因此研究边坡稳定性时,应该将超过一定降雨量历史降雨形成的干湿循环作用考虑在内。