论文摘要
饱和黄土地震液化是黄土地区三大岩土地震地质灾害之一。相比于非饱和黄土,饱和黄土由于水的作用导致盐晶等胶结物的部分或全部溶解使得其结构强度明显减弱,且在外界荷载的作用下产生孔隙水压力,造成土体的有效应力显著降低,从而使其在动力作用下具有更加强烈的灾变风险性。然而,受黄土地区历史地震中有关饱和黄土震害的实例甚少等因素的制约,现阶段有关饱和黄土的动力特性研究相对缺乏,对于复杂应力条件对饱和黄土液化特性的影响尚不明确,对于饱和黄土地震液化的物理过程和力学机制研究尚显不足,对于新型环保的地基抗震改良处理方法在黄土地区的应用需求十分迫切。论文以饱和黄土室内土动力学试验为基础,以动荷载作用下饱和黄土的力学性能—微结构特性—宏观灾害特征—震灾防御指标为主线,综合采用现场调查、原位测试、室内试验、微结构测试和矿物成分测试等多种研究方法,研究了动荷载作用下饱和黄土的动剪切模量、阻尼比、动变形和动孔隙水压力特征,提出了初始复杂应力条件对饱和黄土液化特性的影响,并结合历史地震中饱和黄土液化实例,分析了地震导致饱和黄土液化灾害的主要特点,探讨了饱和黄土动孔隙水压力的演化特征及动残余变形与动孔隙水压力的相互作用机制,厘清了饱和黄土地震液化的力学机制,明晰了饱和黄土地震液化灾害产生的物理过程。在此基础上,研究了饱和木质素改良黄土的抗液化性能及其固化机制,提出了基于性态设计理念的饱和木质素改良黄土的抗液化处理指标。论文所取得的主要创新性研究成果包括:(1)黄土在饱和后动刚度明显减小,大应变条件下阻尼比显著增大。相比于原状黄土,不同地区饱和黄土的动剪切模量比差异性较小,其开始衰减的动剪应变相比于原状土明显减小,衰减速率显著加快。循环剪切荷载作用下,饱和黄土产生动应力衰减,动应变和动孔隙水压力增大的“液化”现象,但受土体中封闭孔隙的存在导致的动孔隙水压力消散的影响,其最大动孔隙水压力难以达到有效围压。物性指标对饱和黄土的动力特性影响显著,干密度越大、塑性指数越大、粉粒含量越小,饱和黄土越难以液化。(2)饱和黄土的动力特性受初始应力状态的影响较为显著,复杂应力条件下饱和黄土的动力特性与简单应力条件下存在较为明显的区别。随着初始主应力方向角的增大,受预剪应力的影响,饱和黄土的抗液化强度降低,横向动应变和广义剪应变均显著增大,动孔隙水压力比总体增大。随着中主应力系数的增加,饱和黄土的抗液化强度增加,径向动应变由负转正并增长较快,广义剪应变逐渐减小,最大动孔隙水压力比在b=0.5时达到最大。固结偏应力比在循环剪切的初始阶段对饱和黄土的动强度影响较大,固结偏应力比越大,动应变越大,最大动孔隙水压力越小。(3)饱和黄土地震液化灾害以斜坡地区低角度滑移为主,具有大规模土流或泥流发育、触发地震动强度较低、场地地震效应影响显著和不常见喷泥冒水现象等特征。黄土场地地震效应对土体的液化过程影响显著,饱和黄土场地的地表地震动峰值明显低于相同条件下非饱和黄土场地的地表地震动峰值,加速度反应谱最大谱值对应的周期较非饱和黄土场地明显增长,且受饱和土体刚度和粘滞性的影响,地表地震动与输入地震动相比不存在明显的放大,甚至出现衰减,从而在保证土体结构稳定的前提下更加有利于动孔隙水压力累积,对土体液化具有较为明显的促进作用。(4)黄土在液化后结构更加破碎,孔隙边缘多棱角,大孔隙数量明显增多,孔隙之间的连通性趋于优良。从微观角度,饱和黄土液化过程可分为结构调整、通道发展和液化破坏3个阶段。饱和黄土的动孔隙水压力在整个循环剪切过程中均呈现显著的累积特征,其相对于动应变存在明显的滞后性,滞后周期随着循环剪切振次的增加而减小。循环荷载作用下土骨架变形而导致的孔隙体积压缩对动孔隙水压力的累积具有控制作用,动孔隙水压力累积增长模式受黄土物性参数和结构性的影响,分为变形前期快速增长型、持续增长型和变形后期快速增长型三种模式。(5)动荷载作用下的饱和黄土液化破坏的内在机制主要是循环荷载作用下土骨架对荷载的抵御能力的变化及其造成土中水对孔隙形变的适应性响应。循环荷载导致的土骨架强度弱化和孔隙水压力增长交替作用,直至土体丧失结构强度而表现为近似流态。根据饱和黄土循环剪切破坏时平均有效应力的大小,饱和黄土的液化机制可划分为变形主导型和孔隙水压力主导型两类。黄土的非均质性导致其液化过程具有渐进性破坏特征。(6)木质素改良可显著提升饱和黄土的动刚度和动强度,并可有效抑制动变形和孔隙水压力的增长。木质素的填隙与胶结、掺入木质素对黄土双电层的减薄、木质素中纤维物质的加筋作用及其对细颗粒和游离水的吸附作用,以及木质素与黄土的离子交换作用共同提升了改良黄土的抗液化性能。通过木质素改良,可完全消除设计地震加速度不高于0.30g的建筑地基的液化势。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 王谦
导师: 王兰民
关键词: 饱和黄土,液化,动剪切模量比,阻尼比,动变形,动孔隙水压力,复杂初始应力条件,灾害特征,木质素,性态设计
来源: 兰州大学
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑
专业: 地质学,建筑科学与工程
单位: 兰州大学
基金: 国家自然科学基金项目“地震和降雨耦合作用下黄土边坡失稳机理与预防方法(No.51478444)”,“考虑震害机制的黄土地基木质素改良加固机理与动力特性研究(No.51778590)”,“复杂应力条件下饱和黄土动力变形特性研究(No.51408567)”,中国地震局地震科技星火计划项目“饱和黄土地基震害改性处理变形控制技术研究(No.XH16038Y)”
分类号: TU435
DOI: 10.27204/d.cnki.glzhu.2019.000083
总页数: 164
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标签：饱和黄土论文; 液化论文; 动剪切模量比论文; 阻尼比论文; 动变形论文; 动孔隙水压力论文; 复杂初始应力条件论文; 灾害特征论文; 木质素论文; 性态设计论文;