大厚度自重湿陷性黄土力学特性及湿陷变形规律

There are more and more self weight collapsible loess with heavy section in the engineering construction of collapsible loess area, but the theory understanding and relevant engineering experience are poor. Aiming at research deficiency of the self weight collapsible loess with heavy section, taking the self weight collapsible loess with heavy section in Heping Town, Lanzhou city as the study object, its collapsible deformation and mechanical properties are researched by the methods of the indoor unsaturated soil tests, theoretical modeling and numerical simulation. The main contents includes, a series of mechanical tests of unsaturated undisturbed Q3 loess and its remolded soil are carried out to reveal the deformation, strength, yield and water holding characteristics. On basis of Barcelona unsaturated soil elastoplastic modified model, structural constitutive model of unsaturated undisturbed Q3 loess is established by using of damage evolution equation during loading and collapsing process. Based on the continuum mechanics, a seepage consolidation coupling model of undisturbed Q3 loess is presented. The corresponding seepage consolidation finite element program is compiled to simulate the in-situ soaking test in collapse loess ground with heavy section. The project results would provide theoretical support and scientific basis for engineering construction in self weight collapse loess regions with heavy section.

黄土地区工程建设遇到的大厚度自重湿陷性黄土越来越多，但相应的工程经验和理论认识不够丰富，针对大厚度自重湿陷性黄土研究的欠缺和空白，以兰州和平镇大厚度自重湿陷性黄土为研究对象，通过室内非饱和土试验、理论建模和数值模拟等手段，对其力学特性和湿陷变形规律进行研究，主要内容包括：进行一系列的非饱和原状Q3黄土及其重塑土的力学试验，研究其变形、强度、屈服和持水特性；以Barcelona非饱和土弹塑性修正模型为基础，引入非饱和原状Q3黄土加载和湿陷过程中的结构演化方程，提出完善的非饱和原状Q3黄土结构性本构模型；以连续介质力学为基础，建立非饱和原状Q3黄土流固耦合模型，并设计相应的有限元程序，对黄土场地的现场浸水试验进行多场耦合分析。本项目成果可以为大厚度自重湿陷性黄土地区的工程建设提供理论支持和科学依据。

随着我国国民经济的迅速发展，中西部黄土地区的建设项目日益增多，规模越来越大，建设场地由低阶地向高阶地发展，遇到的自重湿陷性黄土层厚度也在增大，特别是大厚度自重湿陷性黄土场地。然而，以往人们对于自重湿陷性黄土的诸多关键问题还存在一些疑惑，如：关键力学响应，湿陷变形规律等，这些问题也是研究人员和工程界关心的重点和难点。项目以典型大厚度自重湿陷性黄土为研究对象，通过室内非饱和土试验、理论建模和数值模拟，对其地基湿陷变形规律等问题展开了较为系统的研究，以期为认识复杂的黄土力学变形问题起到一定的抛砖引玉作用。.首先，利用非饱和土多功能土工三轴仪、四联直剪仪以及压力板仪等设备，进行了一系列非饱和土力学特性试验，研究和比较了非饱和Q3原状黄土及其重塑土的变形、强度、水量变化及其差异。.其次，对非饱和Q3原状黄土进行控制吸力为常数的各向等压加载试验。借助CT技术，对加载稳定后的试样进行实时动态扫描，从细观上认识原状黄土的力学变形响应，并建立加载过程中的细观结构演化方程。.第三，以修正Barcelona非饱和土弹塑性本构模型为基础，以结构性损伤为契入点，提出了考虑结构性影响的非饱和Q3原状黄土的弹塑性损伤本构模型(EDM)。模型包括土骨架变形与水量变化两个方面，对加载过程和加载-湿陷过程分别进行描述。.最后，将建立的EDM模型引入到非饱和土流固耦合理论中，结合非饱和原状黄土水气运移规律，建立考虑结构性的非饱和原状黄土弹塑性损伤流固耦合模型(EDSCM)。编写多场耦合有限元程序(ULEDSC)，对自重湿陷性黄土场地浸水和停水过程中的多场耦合效应进行计算，得到不同阶段的水分场、孔压场、位移场以及损伤场等变化特征，以初步揭示大厚度自重湿陷黄土地基浸水变形过程中的多场耦合响应。.本项目依托于黄土地区的大型工程实践，着眼于探究湿陷性黄土地区工程建设中的一些难点问题，着力于认识湿陷性黄土场地力学变形特征，以期为自重湿陷性黄土地区的同类工程建设提供一定的参考。