动荷载作用下典型黄土变形与结构强度特性及其微观机制研究

Study on loess structural properties always is the difficult and hot aspect in geotechnical engineering and engineering geology. Loess of China is mainly distributed in the mid-west area where earthquake occurs frequently with high intensity. So it is practically significant to study the variation in structural strength of loess under dynamic load. Typical loess of China will be taken as the research objects in this study. The dynamic load will be simplified to determine the deformation and strength features of different samples under all types of dynamic stress. The structural strength of original samples and those which experienced dynamic load will be measured to analyze its variation caused by dynamic stress and determine the responding features of different samples to different dynamic loads. Microstructure characteristics will be observed of samples that loaded by different stress condition. Then combined with macro mechanical results, the failure condition of loess structural strength and damage evolution law will be discussed from the aspect of microstructure which are the essential factors to soil strength, to display the evolution mechanism of loess deformation and strength. Based on the study mentioned above, microstructure parameters and structural strength parameters will be coupled, to establish the damage constitutive model that describes the strength gradual reduction of structural loess under dynamic stress. The development rule of deformation and strength of loess under different dynamic load will be revealed through numerical simulation. The study will provide some references to the constructions and earthquake-proof engineerings in loess area.

黄土的结构性一直是岩土工程及工程地质领域研究的热点与难点。我国黄土主要集中分布于地震多发且烈度较高的中西部地区，因此动荷载作用下黄土结构强度变化规律研究具有重要的现实意义。以我国典型黄土为研究对象，简化动荷载类型，测定试样在各类动应力作用下的变形与强度特征；测定原始土样、施加动荷载后土样的结构强度，分析其结构强度参数在动荷载作用前后的变化，明确土样对不同类型动应力的响应特性。对各应力条件下试样微观结构特征进行观测，从微观角度- - 决定土体变形与强度特征的本质因素入手，结合宏观力学实验分析黄土结构强度破坏的条件及损伤破坏演化规律，揭示其变形与强度演化的机理。在此基础上，将试样微观结构参数与结构强度参数相耦合，以建立结构性黄土在动应力作用下强度逐步衰减的损伤本构模型；通过数值模拟揭示不同动荷类型下典型黄土因结构损伤引起的变形及强度发展规律，为黄土地区防震及工程建设提供一定依据。

结构性黄土的广泛分布及其破坏产生的严重灾害，对黄土结构性的研究提出了更高的要求。我国黄土多分布于地震频发且烈度较高的中西部地区。项目以典型黄土为研究对象，通过两次野外取样，获取了陕西省咸阳市及铜川市附近四个地点的黄土试样。根据研究内容，选定土样，对其结构性及动荷载作用下结构性的变化规律进行研究。主要研究内容包括以下几个方面：1. 土体结构性影响因素研究。选用综合结构势参数来表征土体的结构特征，分析含水率、干密度及碳酸钙含量对土体结构特征的影响。利用变异系数法，确定各影响因素对黄土结构性的影响权重，结果表明含水率对结构性的影响最为明显，试样干密度及碳酸钙含量次之。通过扫描电镜试验及压汞试验，获取土样微观结构照片及孔隙参数，从微观结构演化角度，定性及定量说明土体结构性转变的内因。2.土体动力特性研究。对不同波形、不同固结比条件下试样的动力特征进行了分析，基于能量损耗理论建立了土体损伤变量，分析了不同试验条件下试样动弹性模量随损伤的演化特征。结果表明固结效果较好的试样具有较高的动强度且其损伤演化较慢。在初始加压阶段，方波对固结效果好的试样性质起到一定的强化作用。相对于正弦波，方波对土体具有更强的破坏作用，土体中损伤演化较快。3. 动荷作用下黄土结构特征响应规律研究。对土样进行了不同波形、围压、频率、振幅条件下的动荷载试验。对动荷载作用前、中、后三个阶段土体微观结构参数进行提取，通过灰色关联理论及多元线性回归分析，得到了动弹性模量与微观结构参数的函数关系，并利用全局灵敏度分析方法对各参数进行全局灵敏度分析。结果表明，荷载波形、围压及振幅不同时，试样动弹性模量主要受控于孔隙的微观结构特征，频率不同时，主要受控于单元体的微观结构特征；各荷载条件下，孔隙微观结构参数的灵敏度普遍高于单元体。成果可为黄土的结构特性及动力特性研究提供一定参考。