受地震荷载扰动裂隙性黄土单轴压缩力学特性研究

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我国西北黄土地区受多个地震带的影响,地震活动活跃,强震频发。再由于黄土内部含有节理裂隙、微裂隙以及孔隙等初始缺陷,具有较高的振动易损性,中强地震作用下即可发生滑坡、崩塌等地质灾害。因此,研究地震荷载扰动后裂隙性黄土的强度和变形特性,对于黄土地区各类边坡工程抗震设计及稳定性分析具有重要意义。本文以裂隙性黄土为研究对象,通过振动台输出水平正弦波来模拟地震荷载在水平方向对土体的扰动破坏,并开展单轴压缩试验和数值计算,研究裂隙性黄土在不同振动参数扰动后的破裂特征,确定裂隙性黄土应力-应变关系特征、变形和强度参数变化规律,揭示地震荷载扰动后裂隙性黄土的破坏演化机理。研究结果表明:(1)未扰动裂隙性黄土具有如下的破坏特征:裂隙倾角为0°时,主要为劈裂破坏;裂隙倾角为15°和30°时,整体发生压裂破坏;裂隙倾角为45°时,试样破坏形式为滑移—压剪复合破坏;裂隙倾角为60°时,发生滑移剪切破坏;裂隙倾角为90°时,破裂形式为压剪破坏。(2)振幅越大,土样达到破坏极限状态时破裂面两侧产生的次生裂隙越多,随着振动频率增加,黄土内部产生微小裂隙。随着持时增加,输入的能量持续增加,黄土结构阻尼耗能增大,土体的累积损伤效应明显。(3)裂隙性黄土应力-应变曲线呈应变软化特征。裂隙倾角为0°、15°、30°时,应力-应变曲线变化规律相同,经历压密、弹性变形、塑性屈服、残余变形等四个阶段;裂隙倾角为45°时,曲线具有多个应力峰值;裂隙倾角为60°时,应力-应变曲线达到峰值强度后迅速降低,峰值应力最小;裂隙倾角为90°时,应力-应变曲线存在明显的峰值点,且峰值应力最大。(4)随着振幅增大,弹性变形阶段应力-应变曲线斜率逐渐减小;随着振动频率增加,曲线峰值强度均有小幅减小,振动频率对于裂隙性黄土的影响程度有限;振动时间为300s和600s的裂隙性黄土试样峰值强度均明显大于振动时间为900s下的试样峰值强度,土体的损伤作用累积。(5)随着裂隙倾角增大,裂隙性黄土单轴抗压强度先降低后增大的“U”形,裂隙面倾角对土体强度起决定性因素。随着振动幅值增强,裂隙性黄土试样单轴抗压强度呈线性降低。随着振动频率增大,单轴抗压强度呈线性衰减,降幅较小。裂隙性黄土试样单轴抗压强度随着振动持时增大呈线性降低,振动时间越长,对土体造成的累积破坏越大。(6)通过莫尔-库仑准则对裂隙性黄土沿裂隙面发生破坏的条件进行判断,当土样的裂隙倾角满足ψf<α<90°时,试样沿裂隙面发生滑动剪切破坏;当裂隙倾角不满足时,试样发生整体压裂和裂隙面滑动剪切复合破坏。通过对裂隙性黄土单轴压缩过程进行数值计算模拟,土样轴向变形集中于裂隙面软弱层及两侧土体,上下结构块体尖端部位轴向位移场呈中心对称分布。土样裂隙面处应力集中,承受剪应力和拉应力。裂隙两侧主要为拉应力分布区,土体在破坏过程中,受裂隙面影响较大,具有滑移剪切破坏的风险。
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