摘 要

本文通过文献调研、室内试验、数值模拟和理论分析的方法研究了结构性对于膨胀土的收缩特性的影响，其中着重探究了孔隙分布情况和初始含水率对收缩特性的影响，具体内容如下：首先，通过对原状和重塑膨胀土的室内收缩试验，研究了原状土及膨胀土试样的线缩率、含水率变化情况；其次，借助ORIGIN拟合了两者的收缩曲线并计算了收缩系数、缩限、最大线缩率等3个反映膨胀土收缩特性的参数；然后，借助ABAQUS有限元分析软件，对不同初始含水率的膨胀土试样模型进行了数值计算，得到了收缩模型；最后，结合文献调研，分析了孔隙分布和初始含水率对于膨胀土收缩特性的影响。

论文研究结果表明：无论是初始含水率的变化还是膨胀土受扰动的情况，本质上都是通过改变土体的微结构，尤其是土颗粒的胶结特性，从而影响膨胀土的收缩性能。而且受扰动土体和初始含水率高的膨胀土，其收缩特性更强，轴向收缩以及体积收缩更显著。

关键词：结构性；收缩特性；收缩试验；孔隙分布；初始含水率；胶结特性

Abstract

According to the result of paper research, in-home experiments, numerical calculation and theoretical analysis, this paper discuss what impact the soil structure makes to the characteristics of the expansive soil and how it works, especially the pore distribution and the initial moisture content. Main content is as below: First, make in-home shrinkage experiment for undisturbed and remolded expansive soil to study the regularity of their linear shrinking rate and moisture content; next, use software ORIGIN to fit shrinkage curves and calculate the shrinkage factors, shrinking limit, maximum linear shrinking rate; then make numerical analysis for expansive soil models in different initial moisture content with ABAQUS, a software of finite element analysis; finally, combined with result of paper research, this paper analyzes how pore distribution and initial moisture content of expansive soil influence its shrinking characteristics, and raises some advice for practical construction projects.

The achievements in this paper mainly contain as follows: no matter the variety of initial moisture content or the disturbing state, they are some aspects of the change in soil structure, especially bonding property. The structure turns out to decide its shrinking characteristics .When initial moisture contents are the same, the remolded soil has more small and tiny pore than the undisturbed soil because its pore structure turns out to be broken, which leads to the increase of linear shrinking rate and shrinking factor; as for expansive soil in different initial moisture content, the higher initial moisture content keeps, the stronger its shrinking characteristic shows, with more axial linear shrinkage and volume shrinkage.

Key Words：soil structural；shrinking characteristics；shrinkage test; pore distribution；initial moisture content ；bonding property

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.1.1 选题背景 1

1.1.2 选题意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 膨胀土收缩特性的研究现状 1

1.2.2 膨胀土结构特性的研究现状 2

1.3 研究内容和研究方法 2

1.3.1 研究内容 2

1.3.2 研究方法 3

第2章 膨胀土收缩特性理论分析 4

2.1 收缩过程与机理 4

2.2 收缩特征参数 4

2.3 收缩经验方程 5

2.4 本章小结 5

第3章 膨胀土室内收缩试验 6

3.1 实验方法 6

3.2 收缩过程记录 6

3.3 收缩结果分析 8

3.3.1 线缩率-含水率曲线拟合 8

3.3.2 孔隙比-含水率收缩特征曲线 9

3.3.3 收缩特性指标的计算 11

3.4 本章小结 13

第4章 基于ABAQUS的收缩模型数值分析 15

4.1 ABAQUS有限元分析介绍 15

4.2收缩模型数值分析 15

4.2.1 构建数值计算模型 15

4.2.2 模型相关参数 16

4.2.3 有限元数值计算及结果 17

4.4 本章小结 20

第5章 结构性对收缩试验作用机理分析 21

5.1 原状与重塑膨胀土收缩特性的差异 21

5.2 结构性对于收缩特性的影响分析 21

5.3 本章小结 22

第6章 总结与展望 23

6.1 总结 23

6.2 展望 23

参考文献 25

致 谢 27

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 选题背景

在膨胀土的众多性质中，最为显著的就是膨胀土及其强烈的胀缩特性。而膨胀土独特的胀缩特性离不开它特殊的成分组成以及结构。首先，膨胀土的矿物组成一般以蒙脱石、伊利石和高岭石为主，而这些矿物均为强亲水性粘土矿物，使得膨胀土也具有强烈的亲水性。其次，膨胀土结构上裂隙发育，有利于水沿着层理间的裂隙进行传导，加剧了吸水和失水的过程。

膨胀土因为其显著的胀缩特性，很大程度威胁工程施工和后期建筑物的使用。一方面，膨胀土在水分充足时吸水膨胀，在缺少水分时失水收缩，导致局部地面鼓起和沉陷，从而导致地面上道路开裂、建筑损坏等极易产生不良后果的情况；另一方面，膨胀土的膨胀收缩不是一成不变的，而是时刻随水文气候条件的变化而变化，因而膨胀土反复的吸水膨胀、失水收缩使得其造成的破坏具有反复性，变相通过疲劳破坏加剧了对建筑物的危害。

土体的结构性，是指土体结构物理力学性质的综合，具体包括土体的粒径大小、颗粒形状、土颗粒间的联结方式、土颗粒集合体排列的形式以及土颗粒间孔隙的大小、形状等性质。而这些土体自身的物理化学性质都深刻地影响着膨胀土的收缩，因此膨胀土的结构性与收缩特性之间是紧密相关的^[1]。

1.1.2 选题意义

膨胀土的微观结构，紧密地影响着地质稳定性与安全性。膨胀土收缩过程的进行往往伴随着裂隙的产生，随着裂隙的不断开展，土体结构的完整性会遭到破坏，进而造成地质破坏。目前，对于膨胀土的胀缩特性，国内外研究关注的主要还是膨胀土的吸水膨胀变形，而较少关注失水收缩方面的研究。但与此同时，实际工程中却往往存在着诸多由膨胀土失水收缩引发的工程事故和工程破坏，膨胀土的收缩特性具有很强的研究价值^[1]。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 膨胀土收缩特性的研究现状

膨胀土收缩机理研究取得了许多进展，孙长龙^[1]、牟智 ^[2]分别就关于膨胀土性质和膨胀土收缩相关研究的最新进展分别做了综述，不仅整理了研究方法，而且还指出了研究中存在的不足之处，而对研究的重点也做了相关分析。