浅论非饱和土的理论探讨及膨润土加砂混合物的试验研究

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1、大连理工大学博士学位论文非饱和土的理论探讨及膨润土加砂混合物的试验研究姓名：李培勇申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：杨庆20071201摘要作为土力学理论的重要组成部分，饱和土力学理论已经基本趋于成熟，而非饱和土在实际工程中分布更为广泛，其工程特性更为复杂，理论尚不十分完善，强度理论和本构关系等需要进一步完善。由于非饱和土含有固相、液相和气相，使得非饱和土的力学性质相对于饱和土要复杂得多，在试验中试样的孔隙水压和气压的控制和测量较为复杂，非饱和土试验资料仍然十分缺乏。随着核能的利用，核技术的发展，所产生的高水平放射性核废料的处置越

2、来越受到全世界范围内的关注，也成为亟待解决的世界性难题。许多国家都开展了对高水平放射性核废料深地质处置的研究工作。相比之下，我国起步较晚，在很多方面尚处于初级阶段，特别是对于作为核废料处置中缓冲、回填材料的膨润土加砂混合物的研究试验才刚刚开始，试验资料非常宝贵。因此，本文针对非饱和土理论中的本构关系、抗剪强度的非线性和非饱和膨胀土裂隙开展深度存在的一些问题进行了探讨研究，并以膨润土加砂混合物为试验研究对象，通过GDS非饱和土三轴试验系统和压力板仪等仪器进行了抗剪强度、膨胀特性和土水特征曲线的试验研究与详细分析。本文的主要研究工作包括下列方

3、面：1．针对修正膨胀土弹塑性模型中的微．宏观结构的变形耦合参数的具体计算式和非饱和土屈服吸力的确定进行了一定的探讨和研究。研究表明，干湿循环产生的微观结构层次的变形具有累积性，在干湿循环过程中不断产生变形累积，最终趋于稳定。由此可以认为微观结构层次的变形分为聍个阶段，每个阶段对应着不同的微观参量，而当土结构在经历若干次干湿循环后，微一宏观结构的耦合胀缩变形趋于稳定，可以采用稳定时的干湿循环次数，作为微观结构层次变形所经历的阶段数，由此提出微一宏观结构变形耦合参数t具体计算式，加强了微．宏观参数之间的联系。从孔隙水的不同状态和不同排出方式出

4、发，将LC和SI屈服曲线与两坐标轴所包围的区域重新划分为弹性和弹塑性两个区域，从而将非饱和土的吸力增加屈服过程划分为：弹性、弹塑性和塑性三个阶段，提出以分界吸力砘作为弹性和弹塑性两个区域的分乔线，并给出了分界吸力的计算公式，根据分界吸力进一步得到了屈服吸力如的确定方法和计算公式。2．对非饱和膨胀土的裂隙开展深度进行了研究，将膨胀土的有效粘聚力，的影响引入到裂隙开展深度的线弹性理论解中，采用有效粘聚力折减系数来反映有效粘聚力在裂隙开展中的衰减变化程度，对非饱和膨胀土裂隙开展深度的线弹性理论解进行了推导，得出更能反映实际情况的非饱和膨胀土裂隙

5、开展深度的理论关系式。进一步得到了地表基质吸力开裂值的表达式和膨胀土层不受地下水位深度影响时的裂隙开展深度表达式，并对关系式中泊松比、地下水位深度、有效内摩擦角、地表基质吸力等影响参数进行了比较和分析。在此基础上，分别就非饱和膨胀土层中的基质吸力的三种分布曲线形式，即基质吸力沿深度均匀分布、沿深度线性减小和治深度呈抛物线减小，比较分析了干燥裂隙对非饱和膨胀土层中张拉区深度的影响。3．随着非饱和土试验技术的不断发展，近年来大量的试验资料表明，单纯采用线性强度理论描述非饱和土的强度特性与试验结果不相符。许多非饱和土试验表明非饱和土的抗剪强度与

6、基质吸力之间存在着非线性的关系，即可以反映出抗剪强度随基质吸力增加而增加的情况的角矿，并不如当初所假设的为一常数，而是随基质吸力《“。一虬)的变化而发生变化，即角矿为基质吸力(‰一‰)的函数。针对总粘聚力c与基质吸力(虬一‰)之间关系的非线性特征，提出了含有非线性系数删的总粘聚力c与基质吸力(屹一‰)的非线性关系式，并迸一步得到了含有非线性系数的非饱和土的抗剪强度公式。采用四种不同类型的非饱和土的试验结果进行了验证与分析，发现非线性系数是与土的性质有关的参数，对特定的土体，与角矿不同的是，非线性系数与有效粘聚力和有效内摩角一样，不随基质吸

7、力的变化而变化，可以取为常数，因而具有了更强的适用性；当非线性系数等于l时，含有非线性系数的非饱和土抗剪强度公式可以转变成与由Fredlund等人提出的线性非饱和土抗剪强度公式相同的形式，说明线性抗剪强度公式只是本文提出的非线性抗剪强度公式的一种特殊形式，含有非线性系数的抗剪强度公式将线性形式与非线性形式进行了较好的统一。采用GDS非饱和土三轴试验系统对作为核废料处置中的缓冲、回填材料的膨润土加砂混合物进行控制基质吸力的抗剪强度试验研究，并进一步验证了所提出的含有非线性系数的非饱和土抗剪强度公式的适用性。4．土水特征曲线SWCC(Soil

8、．watt'characteristiccurve)是表示土体持水能力的重要曲线，反映了土体中基质吸力与体积含水率、质量含水率或饱和度之间的关系，是非饱和土力学研究中的一项重要内容。采用高进气