冷热及干湿循环影响非饱和土小应变模量的试验与理论研究

Unsaturated soil is widely spread all over the world. It is commonly used as construction material for slopes, landfill covers, pavements and other earth structures. The deformation characteristics of these earth structures depends on the small strain stiffness of surrounding unsaturated soil. Due to climate changes, soils always subject to thermal and wetting-drying cycles. As a result, soil properties are changed. Variations of small strain stiffness can result in soil deformation, settlement and even cracking, which affects the performance and serviceability of earth structures. Therefore, study of thermal and wetting-drying effects on small strain stiffness of unsaturated soil is very important for geotechnical engineering. This project proposes to conduct advanced triaxial tests and microsructural analyses to investigate the fundamental mechanism of thermal and wetting-drying effects on small strain stiffness of unsaturated soil. Based on test results and theories, a consititutive model is to be developed for simulating small strain behaviour of unsaturated soil, with considering thermal and wetting-drying effects. Experimental results are to be imported in to numerical analyses. Numerical simulationa are performed to further study the deformation mechanism of earth structures and surrounding soils under thermal and wetting-drying cycles.

非饱和土在自然界分布广泛，常被应用于边坡、垃圾填埋场、路基及各种土工建筑物。这些土工建筑物的变形取决于周围非饱和土的小应变模量。由于气候变化，土体不时经历冷热及干湿循环，导致非饱和土性质发生变化。小应变模量的变化，可能导致土体发生变形、沉降甚至开裂，从而威胁土工建筑物的安全性能。因此，研究冷热及干湿循环对非饱和土小应变模量的影响是岩土工程结构设计迫切需要认识的问题。本项目拟通过高精度三轴试验、微观结构分析等方法进行全面系统的试验研究，揭示冷热及干湿循环影响非饱和土小应变模量的根本机理。试验结果结合理论，建立考虑冷热及干湿循环作用的非饱和土小应变本构模型。将试验结果应用于数值模拟，进一步探究土工建筑物及周围土体在冷热及干湿循环作用下的变形机理。

土的小应变剪切模量是研究基坑开挖、路基、隧道等土工构筑物发生变形的重要参数。现场土往往处于非饱和状态，并不断经历冷热及干湿循环。研究冷热及干湿循环对非饱和土小应变剪切模量的影响对岩土工程具有重要参考价值。本项目以可控制吸力的非饱和土三轴仪为基础，加入高精度局部应变传感器、弯曲元测试系统及温度控制系统，改装加工成可控制温度及测量小应变的非饱和土三轴仪；选取典型非饱和粉土进行高精度三轴试验，研究温度、吸力及干湿循环对非饱和粉土小应变剪切模量的影响；选取典型非饱和黄土进行共振柱和压汞试验，研究干湿循环对非饱和黄土极小应变剪切模量G0和微观结构的影响；基于试验结果，建立考虑干湿循环影响的非饱和土极小应变剪切模量理论模型。主要结论如下：.（1）非饱和压实粉土样的小应变剪切模量随吸力增大而增大，随温度升高而减小，可能是由毛细水表面张力导致的。沿着湿润路径的非饱和土小应变剪切模量明显高于沿着干燥路径的，沿着第二次干燥路径的非饱和土小应变剪切模量略高于沿着第一次干燥路径的。.（2）干湿循环过程中，压实黄土G0随基质吸力的增大而增大，再随吸力的减小而减小。因为干燥段试样内孔隙密度最大的孔径大小随基质吸力的增大而减小，试样内大孔隙减少，小孔隙增多，毛细水所占比例增加，土颗粒接触更加紧密；湿润段试样中大孔隙密度随吸力减小而增大，微小孔隙密度减小，毛细水作用减弱。.（3）压实黄土G0随着干湿循环次数的增加而增大。在1次干湿循环过程中，同一吸力状态下，湿润段的G0大于干燥段的G0。因为湿润段孔隙最大孔径小于干燥段，该孔隙密度也大于干燥段。.（4）提出了一个考虑干湿循环影响的非饱和土极小应变剪切模量G0的简单理论模型，综合考虑了净应力、基质吸力、孔隙比、饱和度等对非饱和土G0的影响，并且通过本研究的试验结果进行了模型验证。