干湿交替作用下裂隙性红黏土的细观组构效应及宏观力学特征

How to measure and evaluate the inner fissure situation of laterite, reveal the macro-mechanical and meso-mechanical characters of fissured laterite under the dry-wet cycles, is an unsolved theoretical problem of engineering practice at the hot and rainy laterite soil area. For that reason, the project take fissured laterite in Guanxi and Hunan province as objects to study, which is regarded as a heterogeneous material consisting of bonded blocks, weakened bands and fissures. The X-ray CT Scan, super mini-penetrometer and electrical resistivity test will be used to measure the meso mechanical characters of fissured laterite, and unsaturated direct shear testing apparatus will be used to study the macro-mechanical strength and deformation. The project tries to propose a method to evaluate the crack ratio, and reveal the macro-mechanical characters under the dry-wet cycles. Base on them, homogenization theory will be used to study the heterogeneous fissured laterite with the evolution law of breakage parameters, and build a model which can describe the fissured state, strength and deformation evolution precisely,and provide a new way to develop and improve the unsaturated soil mechanics theory, analysis and forecast the accumulated deformation of fissured laterite and evaluated engineering stability.

如何对红黏土内部裂隙发展程度进行准确量化评价及揭示裂隙性红黏土在干湿交替作用下的细观组构效应与宏观力学特征，一直是炎热多雨红黏土地区工程实践的理论困扰。鉴此，本项目以广西、湘西的典型裂隙性红黏土为研究对象，以强胶结团聚体、弱胶结过渡带和裂隙带在干湿交替作用下的细观演化特征为主线，以CT扫描、超微型贯入试验、电阻率试验为细观测量手段，以室内非饱和土三轴为宏观试验基础，研究其土体内部裂隙演化的定量评价方法，揭示其在干湿交替环境下细观组构效应及宏观强度变形特征和破坏模式；在此基础上，从非均质材料的均匀化理论出发，结合细观损伤演化因子进行理论推导和数值模拟，并以现场试验与原位连续监测数据为验证，建立准确描述红黏土破损状态、强度演化和变形规律的模型，有助于发展和完善非饱和土力学理论，为分析和预测裂隙性红黏土累积变形和各类工程的稳定性评价提供一种新的途径。

本项目以广西、湘西的典型裂隙性红黏土为研究对象，以干湿交替作用下的宏细观演化特征为主线，进行了超微型贯入、电阻率和室内非饱和土三轴等宏细观试验，主要研究内容及结果如下：（1）建立了裂隙性红黏土的微细观结构模型以分析和解释红黏土不良物理性质和良好的工程力学性质的矛盾性，在此结构模型中裂隙性红黏土被抽象成复合结构（强胶结团聚体、弱胶结过渡带和裂隙带）；（2）通过原状裂隙性红黏土的干湿循环试验探索了其胀缩变形特征，发现胀缩循环后，呈胀势，但增加的幅度值逐渐减小，并趋于稳定。绝对膨胀率随着干湿循环次数的增加而增加，绝对收缩率随着干湿循环次数的增加而减小；（3）采用自行设计的试验装置结合数字电阻率测试系统进行了不同含水率、饱和度、干密度、温度、土体结构等系列试验，发现电阻率随温度的升高而降低，但温度超过40℃时，减低的幅度有所减小；含水率对电阻率的影响非常重大，但含水率超过23.4%时，其影响减弱；电阻率随干密度增加而降低；干湿循环前期对电阻参数影响较大，后期对电阻率的影响已明显减弱；（4）用电阻率测试技术与图像处理技术相结合的方法探索裂隙的产生和发展的演化过程，发现试样的电阻率时程曲线与裂隙率时程曲线的形态非常相似，基于此，建立了电阻率与裂隙率数学模型，可用电阻率参数来评价红黏土裂隙发育情况；（5）结合修正剑桥（MMC）模型进行了不排水条件下的球形孔扩张的弹塑性分析，并在GDS 三轴试验系统中进行了固结试验和不排水剪切试验，获取模型所需要的土性参数，随后进行了超微型贯入试验，发现探针直径对贯入应力的影响较小，贯入速率越大，贯入应力越大，在探针直径为1.75 mm~2.95mm时的计算结果和试验结果偏差大部分在10%以内，采用通过基于修正剑桥模型推导的小孔扩张理论来预测压实样的贯入阻力和平均贯入应力基本可行；（6）结合电阻率测试技术和力学测试探索了红黏土单轴压缩过程中的应力-应变-电阻率演化特征，发现了应力-应变和电阻率-应变曲线可以划分为6个阶段，两个曲线表现出反对称性特征。土体的破坏模式受初始含水率的影响较大，初始含水率达到15.2%时，其抗压强度最大，随后随着含水率的增大抗压强度减小，电阻率也受初始含水率的影响，干密度越大电阻率越小。另外，根据试验结果建立了基于电阻率为变量的损伤演化模型。