固化黄土的三轴剪切试验及数值模拟

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1、固化黄土的三轴剪切试验及数值模拟第一章绪论1.1研究背景、目的及意义土是岩石经过各种地壳运动和地质作用裸露在大气中，经受历久的风化作用而破碎后，而形成大小不同、形态各异的颗粒。这些颗粒受到各种自然力的作用，经过风、水及冰川的剥蚀，或留在原地，或被自然力搬运到不同的自然环境下堆积起来。因此在经历不同的时间，在不同的环境和地质气候条件下所形成的土性质也千差万别[1]。黄土是距今约200万年的第四纪沉积物，其地理分布呈现出一定的规律性。我国的黄土分布主要集中在以下几个省份：山西、陕西、甘肃、河南、河北等

2、地。在经纬度上为北纬33°～47°东经127°～75°之间。黄土一般呈现出黄色或褐黄色，以粉粒为主，层理不明显，但垂直节理较为发育。黄土区别于其它土的关键在于黄土的多孔性、无层理、湿陷性和结构性，黄土发生脆性破坏、湿陷的原因在于黄土的结构性[2-3]。黄土的结构性与黄土的应力应变关系、孔隙水压力、固结变形等都有关。因此黄土的工程性质中相当重要的一点就是黄土的结构性[4]。由于黄土自身的特性，往往导致黄土工程受到外力侵扰或遇到水时，造成以黄土为基础的建筑物或路基等出现

3、沉陷变形、坍塌、滑坡、冲蚀等破坏现象，从而对人民的生命和财产安全以及社会经济的发展带来重大损失。随着我国对中西部的开发，中西部地区的公路、铁路、水利等基础设施相继开展，基础建设日益增多，而中西部地区的地质条件主要为黄土，且黄土地区又存在一系列的地质灾害，对该地区基础设施的建设产生较大影响。所以如何处理好黄土工程与如何提高黄土工程的强度（即黄土的加固处理）成为了一项重要的研究课题。无论是黄土的滑坡破坏，还是地基失稳其根源在于：在施加的外力或自身的渗透力的作用下，所产生的剪应力与黄土的抗剪强度的关系，

4、当剪应力大于黄土的抗剪强度时，则发生破坏，可见黄土的抗剪强度与其变形特性是黄土工程研究的重点。1.2国内外研究现状黄土作为一种特殊土，具有多孔性，湿陷性，高压缩性及低强度等不良的工程性质，其强度问题是黄土地区工程建设问题研究的基础，随着工程地质和土力学的发展以及某些黄土工程的滑坡和失稳，引发工程界的学者和工程师对黄土抗剪强度及其影响因素的研究关注。众多学者通过野外试验与室内土工试验相结合，借助于先进的仪器，如CT机等和多种不同的数据处理办法，针对黄土的抗剪强度提出不同的看法。下面就国内外黄土抗剪强

5、度的研究做简要介绍。李雪江等[5]在真三轴试验的基础上，比较分析了不同初始干密度、不同初始含水率对加筋黄土强度的影响；倪九派等[6]先后以重庆岩溶地区黄壤为试验土壤进行室内三轴试验，测定了含水率和干密度交互作用对土壤抗剪强度的影响；申春妮等[7]开展了吸力、含水率和干密度对重塑非饱和土抗剪强度影响研究；程小勇等[8]采用人工改变原状土含水率、不同龄期内完成原状土剪切试验，定量化研究抗剪强度与含水率、龄期结构性关系。李保雄等[9]在大量的黄土试样的直剪、环剪及原位试验的基础上，研究不同含水率条件下不

6、同沉积年代黄土的抗剪强度与应力应变关系，提出黄土应力应变机制发生转变的特征含水率。刘春、丁力[10]利用常规三轴试验对非饱和黄土的强度特性进行研究，建立了非饱和黄土抗剪强度随含水率变化的方程，这为含水率对非饱和土体抗剪强度的影响提供了一定的数据支撑。米海珍、李如梦、牛军贤[11]通过三轴不固结不排水剪切试验探讨兰州黄土的含水率与其抗剪强度的关系，分析得出黏聚力c和内摩擦角φ分别与含水率的函数关系，提出回归关系方程，由回归方程可以得到非饱和黄土的黏聚力随含水率的增大而显著下降，内摩擦角也随含

7、水率的增大而减小，但是减小幅度相对较小。..第二章研究方法及试验设计2.1供试材料2.1.1黄土试验中的用土是太原地区Q2黄土，取土深度为0.5～1m。试验前将土样中的杂物祛除，风干，过筛备用（5mm的用于击实试验、2mm的用于三轴剪切试验）。黄土的基本物理性质指标如下：液限为30.1%，塑限为19.2%，粒度成分为砂粒22.8%、粉粒64.8%、粘粒12.4%。由土壤塑性图知，该土料为低液限粘质土，颗粒粒径在0.074mm筛孔以内的比例占全部土料的50%以上，并测得其液限指数在50%以内。本文依

8、据《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）通过液、塑限联合测定法分析黄土界限含水率[55]。2.1.2固化剂固化剂采用兰州大学研发并制备的SH新型高分子材料，呈乳白色的液体，有效成分为聚乙烯醇，该固化剂中溶质的质量占溶液的5%，密度值在1.27-1.31g/cm3之间，分子量约20000，带有亲水性基团羧基(-COOH)、羟基(-OH)的疏水性C-C键相联的大分子链构成其主链[40]。该种固化剂具有无毒、无公害的特点，且易溶于水，与水可以按任意比例稀释，固化完成后在土体