考虑干湿循环累计损伤效应的膨胀土持水特性研究

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膨胀土的工程特性主要表现为超固结性、胀缩性和多裂隙性,这些特性常常使膨胀土边坡在工程周期内发生失稳、塌落等问题。膨胀土裂隙主要是由构造运动等外部原因和湿胀干缩等内部原因所导致。在工程使用年限这个周期内,构造运动往往不是膨胀土裂隙发展的主因,因此,越来越多的学者将研究重点置于胀缩性和裂隙发育之间的关系上。膨胀土在含水率增大时,体积膨胀,膨胀土在含水率降低时,体积收缩。此外,膨胀土体所具有的低渗透性还导致表层土体的水分蒸发速率大于内部土体,所以土体内部不同厚度之间存在明显的含水率梯度。当表面土体干缩导致的收缩应力大于土体薄弱处的抗拉强度时,表面产生开裂,随着土体干燥的加剧,土体表面的裂隙分布得到进一步发展,表面开裂后的裂隙面会形成新的蒸发面,加剧了裂隙面附近土体中水分的蒸发,使水平方向土体收缩,促进了裂隙沿竖向的发展。分形维数是一种研究局部和整体、功能和信息等方面的统计学参数。现有研究表明膨胀土裂隙网络和裂隙形态特征具有很好的统计自相似性,分形维数能较详实、精确地描述膨胀土裂隙的形态特征。损伤是影响材料力学性能的重要因素,以往的研究多采用力学指标和几何学指标来描述材料的损伤效应。采用土体裂隙的分形维数构建函数式表征损伤变量,可以准确的描述干湿循环引起的裂隙发展对土体带来的损伤。本文以南阳中等膨胀土制作的直径70mm、厚度65mm的土柱作为研究对象,利用浴霸灯模拟自然环境下的光照以及水膜转移法进行干湿循环(0-3次)试验。通过拍照和CT扫描得到土柱裂隙图像,运用图像处理技术对表观裂隙和内部裂隙进行损伤计算,利用压力板仪法、滤纸法和蒸汽平衡法测定不同损伤状况下裂隙膨胀土的吸力,提出了包含累计损伤效应的土水特征曲线模型。研究结论如下:(1)运用分形维数对膨胀土柱表观裂隙和内部裂隙进行评价分析,发现表观裂隙分形维数随着含水率的降低不断增大,且表观分形维数在干燥过程中依次表现为快速增加阶段、缓慢增加阶段和稳定阶段。表观分形维数和内部分形维数均随着干湿循环次数的增加而不断增大。(2)应用损伤理论构建了以分形维数为因子的损伤变量,以表观损伤变量和内部损伤变量描述了膨胀土在干湿循环作用下的累计损伤。随着干湿循环次数的增加,表观损伤变量不断增加,但增幅依次减少。干湿循环作用下,内部损伤变量沿厚度方向先增大后减小,这是由于土柱靠近表层(0-6mm)的裂隙在润湿过程中愈合程度较高,但土柱上部区域(6-20mm)在干湿循环的反复作用下发生了胀裂破坏而愈合程度较低,土柱下部区域在干湿循环作用下生成的裂隙较少。(3)定义了裂隙膨胀土的饱和含水率以及整体损伤变量。在0-3次干湿循环作用下,裂隙膨胀土的饱和含水率随着干湿循环次数的增加不断降低,且降低幅度不断增大。整体损伤变量的增幅在0-3次干湿循环过程中不断增大,意味着土柱整体裂隙结构对其持水能力影响显著。(4)结合三种方法测定的土体吸力,分析了整体损伤变量对土柱进气值、残余值、裂隙膨胀土的饱和含水率以及土水特征曲线中不同参数的影响,最后在全吸力范围建立了以整体损伤变量和吸力为变量的土水特征曲线模型。
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