卸荷路径下超固结膨胀土的力学特性与水化时间效应

Expansive soils in cutting slopes are prone to sliding after excavation frequently,but the understanding of over-consolidation stress release to the mechanical characteristics of expansive soil is lack.Mechanical characteristics of expansive soil considering unloading path and hydration time are carried out to analyze the mechanical characteristics evolution mechanism.Based on disturbed state concept theory(DSC),the theoretical model is established.Firstly,a variety of unloading mechanical properties tests simulating slope excavation will be performed to study the mechanical response under the synergistic effect of over-consolidation and unloading path. The mechanical properties influenced by over-consolidation and hydration time under typical unloading paths are studied.Secondly, combining mechanics test and microcosmic test, the evolution rule of deformation and strength is revealed of expansive soil.Thirdly,associate microstructure parameters and unloading path and hydration time and establish the disturbed function.The disturbed theoretical model using the theory of disturbed state concept(DSC) is built considering the effect of over-consolidation with unloading path and hydration time.Consequently,the influence mechanism of over-consolidation stress release and hydration time to the cutting slope in expansive soil will be understood essentially. The cognition of over-consolidated expansive soil will be deepened and it can reveal the damage rule of expansive soil caused by over-consolidation stress release and hydration time.Furthermore,scientific basis for controlling measures and comprehensive treatment of the cutting slope disaster in expansive soil will be provided.

项目以人工开挖膨胀土边坡失稳灾害频发，其机理特别是膨胀土超固结应力释放力学机制认知不清为背景，开展膨胀土卸荷力学特性与水化时间效应试验研究，分析其力学特性的宏微观演化机制，基于扰动状态理论建立超固结膨胀土扰动状态理论模型。模拟人工开挖边坡实际工况设计膨胀土多种卸荷路径下的力学特性试验，研究超固结性与卸荷路径协同作用下膨胀土的力学响应；选取典型卸荷路径，研究超固结性与水化时间协同作用下膨胀土的力学性状；从微观角度入手，结合宏观力学试验阐述膨胀土力学性质对卸荷路径与水化时间的依赖性，揭示其变形与强度演化机理，关联微观结构参数与卸荷路径及水化时间并建立扰动函数，基于扰动状态理论提出考虑超固结性的膨胀土扰动状态模型及其参数确定方法。研究成果将深化膨胀土超固结性的认识，揭示工程建设中因超固结应力释放与水化引起的膨胀土边坡变形与失稳破坏规律，为膨胀土地区边坡工程灾害有效防治提供理论依据和技术支持。

膨胀土的“超固结性”与边坡开挖中的应力释放耦合作用机制不清。项目从膨胀土卸荷力学特性和水化时间影响两个方面出发，对不同卸荷幅度下的超固结膨胀土三轴剪切力学特性及其形成机制进行了研究。发明了基于常规三轴仪的拉伸实验装置、硬粘土削样装置及适用于土样的恒温恒湿箱，为超固结膨胀土力学特性的精确测试提供了保障；首次进行了系统的考虑应力速率影响的膨胀土剪切力学特性，并引入ρ0.02指标进行了量化分析，并进一步发现原状膨胀土样的破坏模式与剪切速率及裂隙性有关，表现为小卸荷速率下主剪切带与副剪切带共存，而大卸荷速率下仅有主剪切带。利用基于常规三轴仪的拉伸实验装置，进行了长达30d卸荷时间作用下的膨胀土力学特性试验，发现卸荷幅度越大，膨胀土强度及模量越小，达到稳定状态所需时间越长。为边坡开挖后及时支护的施工措施找到了理论依据。无论是卸荷时间还是卸荷速率影响，在边坡稳定性分析中建议采用qumax进行计算。结合压汞试验与吸（排）水量结果，卸荷间歇时间对原状膨胀土剪切特性的影响受微裂隙发展与颗粒间胶结强化的耦合作用。膨胀土再加荷剪切力学特性与初始卸荷速率有关。原状膨胀土力学性状随卸荷速率损伤的演化规律受卸荷阶段轴向应变大小及裂隙性综合影响。同时，发现由于膨胀土裂隙性影响，使其力学特性的卸荷速率效应变化规律与软土存在显著不同。建立了K0固结膨胀土的初始切线模量Ei与极限偏应力qult与固结应力及卸荷速率的关系式，并进行了模型验证，效果较好。此外，还关注了不同水化时间下的膨胀土膨胀特性，指出了水化时间对浅层膨胀土工程影响较大。对不同冻融循环次数下南阳改性膨胀土的力学特性进行了研究，提出了施工建议配合比。最后，对河南区域粉土力学特性及其在土遗址中的应用进行了初步探讨。这些研究揭示了工程建设中因超固结应力释放与水化引起的膨胀土边坡变形与失稳破坏规律，可为膨胀土地区边坡工程灾害有效防治提供理论依据和技术支撑。