考虑渗流影响的花岗岩残积土的非饱和工程性质研究

论文摘要

在陆地上非饱和土的分布是非常广泛的,其覆盖面积远远大于饱和土。非饱和土不同于饱和土,其工程性质也与饱和土有着很大的差异。随着人类各项工程行为的扩展以及科学经济的发展,越来越多的非饱和土的工程问题需要解决。本论文主要研究的是非饱和的花岗岩残积土。我国的花岗岩分布非常广泛,其中闽粤沿海地区尤为突出,加之该区位于亚热带东南季风气候区,风化作用非常强烈,所以在东南沿海地区有着很厚的花岗岩残积土的覆盖层。花岗岩残积土是一种特殊性土,有其独有的组成和结构特征及突出的工程特性,如不均匀性和各向异性、软化和崩解性、扰动性等。而这些特殊性一直没有引起普遍关注和高度重视,以至在许多场合被当作一般粘性土对待,导致工程事故或投资浪费。在天然状态下花岗岩残积土具有较低的压缩性、较高的承载力和较大的抗剪强度,但遇水后,特别是饱和状态时力学性质显著降低。所以研究在渗流影响下花岗岩残积土的非饱和工程性质具有很强的实际指导意义。本文主要通过扫描电镜、非饱和土四联剪仪、非饱和土直剪仪和非饱和土三轴仪来研究花岗岩残积土的非饱和工程性质,并结合实际工程分析在渗流影响下堤围的安全稳定性。研究工作主要有以下几个方面: 1、研究花岗岩残积土的微观结构。首先分析花岗岩残积土的微观结构特征（共性研究）,然后分别讨论在不同的基质吸力下的土体的微观结构特点,从微观的角度上探讨了非饱和土的微观结构特征。2、测定了花岗岩残积土的土-水特征曲线,并通过VG模型进行非线性拟合得到相关参数S s、S r、g a、g n,在试验过程中发现非饱和土的含水率不仅仅与基质吸力有关还和土体的上覆压力有一定的关系,然后分别测定不同竖向压力下的土-水特征曲线,并对其进行拟合。3、利用测定的土-水特征曲线求得花岗岩残积土的非饱和渗透系数,并通过VG函数拟合得到相关经验参数g l。4、花岗岩残积土的非饱和抗剪强度的研究。通过非饱和土直剪试验与非饱和土三轴试验,分别测定其直剪强度和三轴抗剪强度,探讨非饱和状态下的抗剪强度特征值以及其引伸的三维M-C破坏包面。5、非饱和花岗岩残积土的渗剪试验,通过实现在非饱和土的剪切试验中引入渗流,来探讨在有渗流的情况下,非饱和花岗岩残积土的抗剪强度的变化。6、将上述试验成果引入到数值分析中,分析实际工程算例。凭借Plaxis的二维分析功能以及其子模块PlaxFlow,分析汕头大围加固前后在稳定渗流和非稳定渗流情况下的渗流情况和安全稳定性分析,经分析得到加固后的堤围满足设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 非饱和土的研究历史及现状
• 1.2.1 非饱和土的吸力理论
• 1.2.2 非饱和土的抗剪强度理论
• 1.2.3 非饱和土的渗流理论
• 1.3 本文的主要研究思路和研究内容
• 1.3.1 研究思路
• 1.3.2 研究内容
• 第二章 非饱和花岗岩残积土的微观形态
• 2.1 汕头地区花岗岩残积土的一般工程性质
• 2.2 扫描电镜试样制备
• 2.3 电镜扫描结果分析
• 2.3.1 花岗岩残积土的土体微结构
• 2.3.2 不同基质吸力下的孔隙特征
• 2.4 本章小结
• 第三章 非饱和花岗岩残积土的土-水特征曲线
• 3.1 土-水特征曲线（SWCC）
• 3.1.1 土-水特征曲线的基本概念
• 3.1.2 典型的非饱和土的土-水特征曲线
• 3.1.3 基质吸力的量测技术
• 3.1.4 土-水特征曲线方程
• 3.1.5 土-水特征曲线的方程拟合
• 3.2 实验仪器及原理
• 3.3 花岗岩残积土土-水特征曲线的测定
• 3.3.1 零竖向压力下的试验结果
• 3.3.2 不同压力下的土-水特征曲线
• 3.4 土-水特征曲线的应用
• 3.4.1 土-水特征曲线与抗剪强度
• 3.4.2 土-水特征曲线与渗透系数
• 3.5 本章小结
• 第四章 非饱和花岗岩残积土的抗剪强度研究
• 4.1 非饱和土的抗剪强度理论
• 4.1.1 饱和土的M-C 破坏准则
• 4.1.2 引伸的非饱和土的M-C 破坏准则
• 4.2 抗剪强度的测定方法
• 4.3 非饱和直剪试验
• 4.3.1 试验步骤
• 4.3.2 试验结果分析
• 4.4 非饱和三轴试验
• 4.4.1 试验步骤
• 4.4.2 试验结果分析
• 4.5 非饱和花岗岩残积土的渗剪试验
• 4.6 本章小结
• 第五章 数值分析
• 5.1 安全稳定性的计算方法
• 5.1.1 有限元强度折减法
• 5.2 饱和-非饱和渗流
• 5.2.1 饱和-非饱和渗流理论
• 5.2.2 非饱和土的渗流方程
• 5.2.3 非饱和渗流的有限元解法
• 5.3 Plaxis 与PlaxFlow 简介
• 5.3.1 Plaxis 简介
• 5.3.2 子模块PlaxFlow 程序介绍
• 5.4 工程实例分析
• 5.4.1 工程概况
• 5.5 数值分析
• 5.5.1 加固前堤围的数值分析
• 5.5.2 加固后堤围的数值分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢