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原文传递冻融-干湿循环对非饱和黄土抗剪强度的影响及边坡稳定性分析

论文题名：	冻融-干湿循环对非饱和黄土抗剪强度的影响及边坡稳定性分析
关键词：	公路边坡;非饱和黄土;冻融-干湿循环;抗剪强度;稳定性分析
摘要：	本文以甘肃省通渭-定西高速公路边坡的非饱和黄土为研究对象，通过现场调查、室内试验、数值模拟手段，探讨了冻融循环、干湿循环及耦合作用对非饱和黄土在不同含水率、不同干密度及不同循环次数下的抗剪强度的影响，进而通过对非饱和黄土的抗剪强度特性分析判定土体边坡的稳定性。通过宏观层面和微观层面相结合的方法来研究，微观层面采用扫描电镜试验与核磁共振试验，分析非饱和土体的土体结构，进而从微观层面解释土体强度的变化。利用试验得到的土体强度参数，采用COMSOLMulti-physics数值模拟软件模拟边坡在冻融循环、干湿循环条件下的稳定情况。　　通过研究深入了解冻融循环、干湿循环及耦合作用对土体工程性质的影响及其灾害效应间的相互关系和作用，为非饱和黄土地区工程建设提供参考依据。　　(1)冻融循环、干湿循环及耦合作用下非饱和黄土抗剪强度特性试验研究　　利用动三轴剪切试验研究非饱和原状黄土及重塑黄土抗剪强度，探究原状与重塑黄土的应力-应变曲线的变化，分析不同工况及循环次数对非饱和黄土粘聚力及内摩擦角的影响，并采用函数对各工况下的强度参数进行拟合。　　(2)冻融循环、干湿循环及耦合作用下非饱和黄土扫描电镜试验研究　　通过扫描电镜试验结合计算机图像处理技术，定性分析经历冻融循环、干湿循环及耦合作用条件下原状与重塑黄土颗粒微观结构变化，定量研究土体的孔隙特征。　　(3)冻融循环、干湿循环及耦合作用下非饱和黄土核磁共振试验研究　　通过核磁共振试验，绘制不同含水率与干密度下，冻融循环、干湿循环、耦合作用时非饱和黄土的T2谱分布曲线，通过横向弛豫时间及核磁信号强度判断土体孔径的分布情况，以此来定性分析不同循环次数下的土体孔隙变化规律；通过定量分析计算T2谱分布曲线的面积，以面积的大小体现非饱和土体中微小孔隙、小孔隙、中孔隙及大孔隙的含量变化，通过各孔隙在土体中所占的比例关系分析黄土强度的变化规律。　　(4)冻融循环、干湿循环条件下非饱和黄土边坡数值模拟分析　　利用COMSOL数值模拟软件，基于非饱和黄土水-热-力三场耦合的理论，采用系数型偏微分方程（PDE）接口实现热传导方程与水分场方程的耦合，通过固体力学模块实现应力场的耦合，完成冻融循环条件下水-热-力的耦合。通过土体温度场、未冻含水量、含冰量、位移的变化分析冻融作用对边坡的影响。在分析干湿循环时，将冻融循环的应力作为初始应力，利用渗流理论分析降雨后边坡的渗流场与应力场的分布情况，并基于强度折减法，对边坡的稳定性进行分析。模拟中采用试验得到的参数数据，更好地将试验与数值模拟相结合，可将实验数据与数值模拟应用于实际的边坡工程中，为非饱和黄土地区的边坡防治和灾害预测提供理论依据。
作者：	杨喜莲
专业：	水利水电工程
导师：	何文社
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022