非饱和黄土的动力固结特征及其微观机理定量研究

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1、北京交通大学博士学位论文非饱和黄土的动力固结特征及其微观机理定量研究姓名：王立朝申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：张鸿儒;胡瑞林20050601摘要非饱和黄土的动力固结特征及其微观机理定量研究要自从1970年法国岩土T程师LouisM6mrd提山强夯法施-J二至今，该方法被迅速推J“应用到世界各地。强夯法是使用巨人的冲击能量(锤重10_40t，落距10—40m)重复夯击，使地层加固达到设计深度。我国用强夯法加固黄土已有几十年的历史。众所周知，用强夯法处理黄土地基．可消除湿陷性、提高地基承载力和压缩模量，并且由于该方法具有施工

2、方便、经济效益显著等诸多优点，得到愈来愈广泛的应用。到目前为止，由于其本身的复杂性和缺乏系统的强夯现场试验和必要的室内精确实验，非饱和黄十的强夯理论还不完善，还也没有一套成熟的理论和设计计算方法，强夯设计还处于经验设计阶段。土的结构性是决定土的力学性质的一个重要因素，黄土的微结构研究成果十分显著。因此，以室内模拟试验为基础，研究夯后土体物理力学性质的变化，并进行同夯击次数条件下的微观结构研究，阻期获得非饱和黄土力学性质变化规律的微观结构变化的支持。同时，编制数值模拟分析程序，检验强夯参数的台理性，进而形成一套完善的强夯理论和设计计算

3、方法。基于相似理论基础，研制了强夯的室内模拟试验装置。采用该装置，设计了不同的施工条件，进行了强夯的室l』!

4、模拟试验。得到了夯点夯沉量随夯击次数的变化规律。在夯击能一定的情况下，夯坑深度与夯击次数之间存在着非线性关系。夯击初期，各击夯沉量增幅较人。此时地基受到冲击挤压，土的密实度增加显著，主要表现为塑性变形。其J『亓，随着击数的增加，每击的夯沉量逐渐减少，此时地基土的变形包括塑性变形和弹性变形。为了研究夯击过程中土体强度的变化规律，在应变控制式电动直剪仪采用快剪方法对取自不同夯击次数的试样进行了强度试验。试验结果表明：在前三击，土

5、体强度增长较快。此后强度增长速率减慢，直到7击时达到峰值。7击后，强度值出现了负增长。总的米讲，这一变化规律与夯击点地表变形规律相近。上述强度变化在其强度指标≯和c上也有所反映。随着夯击次数的增大，凝聚力f与夯击次数的关系曲线亦呈单峰型，峰点位置也与强度关系基本吻合，显示出应有的一致性。相对而言，内摩擦角的变化幅度却相对较小。这说明夯击过程中十体强度的变化主要是由丁凝聚力变化所致。天然黄土是固、液、气三相非饱和体。实践表明，无论怎样选择夯击参数，强夯也不可能将十中的气体和水全部夯出，其夯实变形主要是由于十体孔隙中气相被排出土颗粒相对

6、位移重新排列而引起的。经强夯处理后，土体达到密实状态，由含水量所决定的极限孔隙比I北京交通大学博士学位论文可≥1．25wd．这是夯击结束时所能达到的最小孔隙比。另外，强夯法加固湿陷性黄土地基时，含水量是一个重要的影响因素。只要地基土的含水量不低于最优含水量5％，强夯屙地基_十-就能满足设计要求。由于数值模拟能较全面地考虑地基条件和施工条件，故可认为它是完善强夯法设计计算理论的方向。针对非饱和黄土特点，建立弹塑性模型，采用粘滞边界条件，使用FLAc3D的动力模块，编制了模拟程序。数值模拟结果表明；夯击点的位移以垂直分最为主，水平位移分

7、量很小，士的竖向位移约为横向位移的5～15倍。在冲击荷载作用F，十中形成脉冲应力波，其峰值到来时间从夯锤与地面作用处向下逐渐滞后，这反映了应力在土中的传播。脉冲波过后，土中仍有应力传播，但应力幅值己减小。浅部土体应力波频率高，向深处波形变简单。从速度监测曲线可以看出，地面垂直振动速度随距夯点中心距的增加，呈负幂指数衰减。数值模拟结果还发现，如果夯击参数选择不合理，夯后一定深度的土体会山现强度弱化现象。十的力学性质在本质上受控于土的内部结构，它所显示的不确定性、不规则性和模糊性是其结构复杂性的具体反映。使用KYKY-2800型扫描电镜

8、，获得了不同夯击阶段的试样的微观图像，然斤经过专用于土体微结构图像定量分析的计算机软件系统(MⅢs)得到了微结构参数的变化规律。(t)随着夯击次数的增加，颗粒数量呈F降趋势。(2)颗粒大小的调整比颗粒数的变化要曲折，在夯击初期，颗粒的总面积和粒径大小不是随夯击数的增加而增大的，而是略有下降或变化很小。但是．这一过程很快就过去了，取而代之的是颗粒大小逐渐增大。(3)夯击过程中的孔隙变化应当与颗粒的变化具有一定的协调性。一般情况F，颗粒增大屙同样范围内的孔隙面积和孔径将会相应减小。(4)颗粒的形状系数总体上是随夯击次数的增大而降低的，也

9、就是说夯击过程中颗粒的等粒性是降低的，形状是趋向于扁平化的。(5)随夯击次数的变化．颗粒定向熵(占∞的变化总体趋势是逐渐减小的，但是减小的绝对量并不大，只有O．2左右，而且降低幅度比较平稳。本文还采削舣变量相关分析，发现力学参数与部分