考虑界面效应的黄土抗拉强度衰减规律研究

来源 :长安大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:S20090908
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抗拉强度是黄土的一项重要力学特性,其影响并控制着许多黄土工程问题,黄土区填方土石坝开裂、边坡坡顶拉裂等均为黄土拉张破坏的表现形式,在破坏过程中裂缝、接触面等岩土体界面为拉张破坏的薄弱区域。由于黄土的抗拉强度数值较小且测试方法复杂,目前大部分研究忽略了黄土抗拉强度特征,仅有的少数研究也只针对于抗拉强度的影响因素,并未对黄土及界面黄土的抗拉强度衰减过程、规律、机制进行深入的研究。本文针对黄土及界面黄土的抗拉强度特征及粘聚强度衰减机制等问题,采用自行改造适用于土体的巴西劈裂抗拉试验仪器,对不同含水量、干密度的均质黄土试样,含不同角度异质接触界面的黄土试样开展了巴西劈裂抗拉特性研究,并采用PFC2D颗粒流数值模拟予以验证,在此基础上总结分析了含水量、干密度对黄土抗拉强度的影响,界面黄土的抗拉强度特征及粘聚强度衰减机制等。本文的主要结论如下:(1)不同工况黄土的抗拉试验表明,黄土的抗拉强度随含水量的增大而减小,随着干密度的增大近似线性增大。试验过程中试样的破坏模式随含水量的增大由出现单条裂缝后的脆性破坏变为多条分支裂缝的渐进破坏,含水量升高后试样发生破坏的极限应变量明显增大。黄土的含水量逐步升高至10%左右时,黄土抗拉强度出现明显的“断崖式”衰减现象,随着含水量增大至16%以上,抗拉强度随含水量变化的敏感性逐渐降低。(2)含异质接触界面黄土试样的抗拉强度随界面角度的增大而增大,界面在破坏过程中改变了应力传递和裂纹扩展的优势路径,裂缝扩展至异质接触界面时会出现显著的裂缝折射现象。采用PFC2D数值模拟手段对黄土-古土壤异质接触界面试样的破坏过程进行了模拟验证发现:异质接触界面控制着对界面土样的抗拉强度、裂纹扩展路径和最终破坏模式;异质接触界面同时也是力链分布和传递的界面,古土壤介质中颗粒间接触力传递速度更快,传递效率更高;黄土介质中颗粒具有更大的位移矢量,更容易拉张变形产生裂纹。(3)黄土及界面黄土抗拉强度衰减的本质是其粘聚强度的衰减。抗拉强度和粘聚强度在不同含水量、界面角度条件下的变化规律均具有较高的一致性。粘聚强度随着含水量的增大明显衰减,含水量的增大会软化胶结物质,颗粒材料的毛细压力减小,进而导致固化粘聚强度的衰减;黄土-古土壤界面试样粘聚强度随界面角度的增大而增大,界面改变了试样拉裂破坏过程中的应力状态,随着界面角度的增大,古土壤介质中拉张裂缝的数量变多,拉裂破坏产生更大的胶结应变能,从而界面黄土整体的抗拉强度增大。
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