土石混填體變形力學特性及其地基穩(wěn)定性分析方法.pdf

1、隨著國家的發(fā)展重心逐步向西南山區(qū)轉移，需要進行大量的基礎設施建設，出于因地制宜、節(jié)省投資及環(huán)境保護的需要，土石混填體作為一種填料被大量用于各種工程建設。然而，由于土石混填體顆粒粒徑變化較大且難以控制，致使其力學性質比較復雜，加之我國南方雨量豐沛，勢必對其工程特性產(chǎn)生進一步影響，從而對有關的設計與施工造成了諸多困難。因此，本文在國家自然科學基金《南方山區(qū)土石混填體力學性能及其高填地基穩(wěn)定性分析方法》（51078137)的支持下對土石混填體

2、的變形力學特性及其地基穩(wěn)定性分析方法展開了研究，以期為相關理論分析與工程建設提供一定指導和幫助。
　　首先，綜合考慮含水率、浸泡時間、干濕循環(huán)、含石量、巖性與土性等因素，并基于正交設計方法開展了土石混填體大型直剪試驗研究。試驗結果表明：土石混填體抗剪強度主要源于內部石料間的相互嵌入、咬合及摩擦等作用；含石量是影響土石混填體強度特性最主要的因素，隨著試樣中含石量的增加其內摩擦角近似呈線性增加；對于試驗中所涉及的3種水作用環(huán)境，含水率

3、對土石混填體抗剪強度的影響最為顯著，且含水率對其剪應力-剪切位移關系曲線亦存在非常重要的影響；試樣在浸泡48h或干濕循環(huán)4次后其抗剪強度基本不會再繼續(xù)弱化；當試樣中含石量>55％時，其抗剪強度受巖性影響較為明顯。
　　其次，分別在常規(guī)路徑、等應力比路徑與等^路徑下開展了土石混填體大型三軸試驗。發(fā)現(xiàn)含石量同樣是影響土石混填體抗剪強度最為主要的因素，而應力路徑的變化對其強度影響不大；圍壓和應力路徑是影響土石混填體體變特性的兩個外部因素

4、，即試樣會呈現(xiàn)出低壓剪脹性與高壓剪縮性，不同應力路徑下的關系曲線各不相同；含石量與壓實度是影響試樣體變特性的兩個內在因素，隨含石量或壓實度提高，其剪脹性會比較明顯，反之則剪縮性更為顯著。
　　再次，在特制的地槽內填筑了多組土石混填地基模型，分別在最佳含水率、飽水浸泡和干濕循環(huán)下對其進行了水平推剪和豎向壓剪試驗研究。正常工作環(huán)境中，土石混填地基在推剪和壓剪作用下均可表現(xiàn)出較好的結構性；干濕循環(huán)對試樣的破裂面形狀、抗剪強度影響相對不大

5、；在浸水環(huán)境下，試樣的破裂面形狀、抗剪強度、p-s曲線、破壞模式與極限荷載均會受到顯著影響，尤其是c、^值會發(fā)生較大幅度的降低。
　　此外，在深入探討土石混填體剪切變形機理與特征的基礎上，從其剪切單元微觀受力入手，將剪切單元抽象為未損傷和損傷兩部分，剪切荷載由這兩部分共同承擔，且損傷部分所受應力即為殘余強度，建立出了可反映土石混填體破壞后仍具有殘余強度的新型損傷模型；引入統(tǒng)計損傷理論，假定剪切微元破壞服從W eibull分布，在探

6、討剪切微元強度度量方法的基礎上，建立出了可模擬土石混填體剪切變形全過程的統(tǒng)計損傷本構模型。該模型不僅可反映土石混填體的應變軟化特性，還能夠體現(xiàn)出法向應力的影響及其殘余強度變形特征。
　　然后，針對土石混填地基的沉降變形機理，將其所承受的附加應力視為由體積應力與偏應力所組成，引入分級加載與沉降分層總和計算的思想，采用增量廣義 Hooke定律與Duncan-Chang模型，建立出以土石混填體初始孔隙率、泊松比、粘聚力及內摩擦角等為參數(shù)

7、的沉降計算模型；并基于反演分析法及自適應遺傳模擬退火算法，對模型參數(shù)確定方法進行了探討。通過與現(xiàn)場實測結果及其他方法進行對比，表明本文方法是可行的，能夠滿足工程建設的相關需要。
　　最后，通過深入研究土石混填地基的承載機理與破壞模式，引進滑移線場理論與方法，構建出了地基單側滑移破壞模式，利用極限分析上限法有關內容，通過構建出機動允許的速度場，導出了地基極限承載力的表達式，并結合序列二次規(guī)劃優(yōu)化算法，從而建立出了土石混填地基的極限承