本文是一篇土木工程论文，本文在阅读并汇总大量前人关于砂黏混合物研究成果的基础上，探讨细粒含量与塑性指数对砂黏混合物力学特性的影响。主要采用单调三轴试验，循环三轴试验，结合环境扫描电镜试验并引入能量法分析砂黏混合物在不同细粒含量与塑性指数情况下力学性能的发展规律。
第一章 绪论
1.1 选题背景及研究意义
土是自然界中最常见的建筑材料，如砂土、粉土、黏性土和人工重塑土等均可作为建筑物的地基，随着我国的快速发展，越来越多的基础设施需要建设。土体在承受荷载时，土可能会因发生破坏而失去承载能力。而此时土作为建（构）筑物的地基，建（构）筑物将会遭受毁灭性的破坏，对人民的生命财产安全以及社会的和谐安定造成不堪设想的后果。因此，土的相关性质特别是力学性质需要重点关注。然而，在同一荷载作用下，不同土体可能会出现不同破坏模式；同一土体受不同荷载作用时，也可能产生不同力学响应。土体在循环荷载的作用下会不断产生残余应变，即累积塑性应变。这使得土体的内部结构发生变化，而当内部结构被弱化至一定程度时，土体就会发生液化破坏。除了累积塑性应变，部分土体受到循环荷载时，孔隙水压力逐渐累积，即残余孔隙水压力，当土体的残余孔隙水压力累积至一定程度时也会发生液化破坏。
岩土工程领域中研究的荷载按加载方式可以划分为：单调荷载，循环荷载，其中，循环荷载中还包含冲击荷载、重复型荷载，地震荷载等。作为拥有 960 万平方千米的大国，我国的地理位置位于喜马拉雅-地中海地震带与环太平洋地震带的中间地带，约有三分之一的国土地处地震等级在 7 度及 7 度以上的高地震烈度区，地震现象较为活跃，曾发生过唐山地震、汶川地震和玉树地震等灾难性的地震。俨然抗震设计成了我国工程建设中的一个重点，这其中最重要的就是要解决土体液化的有关问题。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 砂黏混合物静力特性研究现状
室内静力试验对研究砂黏混合物静力特性具有十分重要的意义。室内静力试验主要包括单调三轴试验、固结试验、扭转试验以及蠕变试验等等。在过去的几十年中，国内外研究人员针对不同土体静力特性开展了大量的研究工作，获得了丰富的研究成果，并得到了一系列的研究结论。
1.2.1.1 含非塑性细粒的砂黏混合物
1997年，Lade等人[9]对细粒含量为0~50%的内达华砂与渥太华砂进行单调不排水三轴压缩试验，试验结果表明非塑性细粒有助于在粗颗粒和细颗粒之间形成一种独特的颗粒结构，从而增加砂黏混合物的压缩性和崩塌潜力。并且液化的潜力趋于与相对密度成常数。当细粒含量较高时，相对密度大于60%时，可发生完全静态液化。
1997年，Yamamuro等人[10]在围压25-1000kPa的条件下对砂黏混合物的进行一系列排水和不排水三轴压缩试验中发现，在排水条件下增加内华达砂中非塑性粉砂含量会增加试件的体积收缩参数。而在不排水剪切条件下，随着围压的增加，土体的膨胀行为更加明显。并且低压下的静态液化倾向使得砂黏混合物在排水和不排水条件下的稳态线发散。
2006年，David等人[11]在砂黏混合物的单调三轴试验中发现当细粒含量从0增加到30%时，固结后基于孔隙率的稳态线（SSLs）向下移动，当细粒含量从30增加到94%时，SSLs再次向上移动。在细粒含量为30%时发生转变。同样的转变也发生在孔隙率与细粒含量的关系。但对于所测试的材料，SSLs的位置实际上是平行的，这表明细粒含量对SSLs的位置有影响，但对SSLs的斜率没有影响。
2015年，Zuo等人[12]提出过渡细粒含量是细粒和砂粒主导行为的分界线，并总结了确定砂土与非塑性细粒混合物过渡细粒含量的试验和计算方法。结果表明，采用砂和细粒的性质指数的计算方法并不一定能预测室内试验中观察到的过渡细粒含量的值。细粒和砂粒的相对大小是影响过渡细粒含量取值的重要指标参数。当大、小粒径比例足够大时，过渡细粒含量的值保持在相对较小的范围内。
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第二章 试验材料与方法
2.2 试验材料
2.2.1 砂黏混合物组成材料
为探究塑性指数与细粒含量对土体动力特性的影响，需要保证矿物组成相同的材料制备砂黏混合物进行三轴试验，研究其力学特性的差异。本文的试验对象是砂黏混合物，其中砂土选用粒径范围为0.1mm-0.4mm的中国ISO标准砂，作为砂黏混合物中的粗粒部分。砂黏混合物中的细粒部分由两种非塑性细粒与两种塑性细粒共同组成，其中非塑性细粒包括石英、长石；塑性细粒包括高岭土、蒙脱土。在本次试验研究中，细粒含量对土体静动力学特性的影响通过改变粗粒土与细粒土的含量比例来实现，而塑性指数的影响则需要使用不同塑性指数的细粒土与粗粒土混合后的土样进行三轴试验来进行分析。
通过控制细粒部分中的四种矿物成分的相对比例，均匀混合后经过界限含水率试验，确定3种细粒土质量比例，即3种不同塑性指数（低塑性，中塑性，高塑性）的细粒土。在本文，用“L土”代表由低塑性细粒土与标准砂组成的砂黏混合物；用“M土”代表由中塑性细粒土与标准砂组成的砂黏混合物；用“H土”代表由高塑性细粒土与标准砂组成的砂黏混合物。为了研究细粒含量(Fine Content，FC)对土体静动力学特性的影响，设置了 FC=10%，20%，30%，50%共 4 种细粒含量，并增加空白对照组FC=0%。将细粒土 L、细粒土 M与细粒土 H 分别与标准砂按照相应比例混合，即得到共 13 种试验用的土样。
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2.3 试验制备
2.3.1 试样制备准备
依据前人试验经验，制样方法的差异可能影响试验结果[33-35]。因此，所有试验试样采用相同的制样方便，尽量避免因制样方法不同导致的试验误差。目前常用的制样方法有干沉积法、击样法、压样法、泥浆沉积法等等[36]。同时，试样的均匀性在三轴试验中会对试验结果产生较大影响，不同的制样方法可能会影响到试样的均匀性。由于本文研究对象为以标准砂为主混合而成的砂黏混合物，如果采取击样法或压样法，土样拆模时可能会坍落，导致无法成功拆模，而泥浆沉积法一般适用于天然海相细粒土沉积物重塑试样[37]。根据现有试样的性质以及试验条件，选用干沉积法制备。同时现场填样时分五层均匀填样，以此控制试样的均匀性和表层的平整性。需要注意的是，每填好一层后需要对其表面进行刨毛，以更好地保证试样的均匀性。填样时，确保试样质量和计算要求的质量之间的误差小于±0.5g 。
本文中，同样使用 50%的相对密实度开展所有的室内试验。文中单调三轴和循环三轴试验样品都是实心圆柱体样品，依据仪器适配的基座，单调三轴和循环三轴剪切样品大小均定为39.1mm直径,高80mm实心圆柱体。试样尺寸都满足土工试验规程关于试样土体内部应力和应变分布均匀性要求。制备土样前，准备好丰浦砂、石英、长石、高岭4种土样，以108℃的温度在烘箱中烘24小时。然后按照相应的配比，配出细粒含量为FC=0%、10%、20%、30%和50%的3组共13种砂黏混合物，精确到0.01g。基于上文2.2节的试验结果，根据试样尺寸得到不同组别的试样质量见表 2-4。
土木工程论文参考
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第三章 砂黏混合物静三轴试验结果与分析 ........................ 18
3.1 引言 .......................................... 18
3.2 单调三轴试验原理、设备及方案 ....................... 18
第四章 砂黏混合物动三轴试验结果与分析 ........................ 37
4.1 引言 ....................................... 37
4.2 动三轴试验原理、设备及方案 ............................. 37
第五章 砂黏混合物微观结构特征与力学特性分析 ............................ 64
5.1 引言 .......................................... 64
5.2 砂黏混合物的微观结构特征 ........................ 64
第五章 砂黏混合物微观结构特征与力学特性分析
5.1 引言
在实际工程项目中，荷载作用下土的力学响应是多种因素共同作用的结果，例如矿物成分、地质历史和自然环境条件诸因素，这几个要素是互相联系，互相制约的，而复杂的关联大多将以土体颗粒之间的排列、链接和孔隙特征组合形式呈现出来。而土体的微观结构是土体的重要特征之一，它一方面体现了土体形成条件，还决定了土的物理力学性质等。因此，土的微观结构特征[54] 是分析土体力学响应机理的关键因素，并为阐明不同土体力学响应差异性奠定重要理论基础。通过了解砂黏混合物中粗粒与细粒的微观颗粒行为更有助于讨论砂黏混合物的力学特性。近几年来，许多学者对土体内部的微观结构特征进行讨论分析。此前，Thevanayagam[23]就曾基于阈值细粒含量划分砂黏混合物，从而讨论细粒含量不同对颗粒间的排列方式及其对土体的力学响应机制的影响。Karim等人[25]基于试验结果推测了在阈值细粒含量前后，砂黏混合物的微观结构从砂粒为主转化为以细粒为主。另外，塑性细粒与非塑性细粒对土体结构的影响也存在明显差异[55, 56]。塑性指数不同的细粒会使颗粒间的链接结构不同[57]，从而造成砂黏混合物液化表现的差异。
本文进行了两个组别类型的静动力学特性试验，其中一组控制所有试样的细粒含量，另一组控制所有试样的细粒土的塑性指数。在本节中，将尝试探索细粒含量分别对两个试验组别的静动力学特性的影响。
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第六章 结论与展望
6.1 研究结论
砂黏混合物作为自然界常见的土体状态，其力学特性为广大基础工程设计与建设的重点。本文在阅读并汇总大量前人关于砂黏混合物研究成果的基础上，探讨细粒含量与塑性指数对砂黏混合物力学特性的影响。主要采用单调三轴试验，循环三轴试验，结合环境扫描电镜试验并引入能量法分析砂黏混合物在不同细粒含量与塑性指数情况下力学性能的发展规律，得出以下结论：
（1）在细粒土塑性指数相同的情况下，细粒含量的变化会对砂黏混合物的静力特性与动力特性产生显著影响。在静力特性方面，细粒含量的增加会促使砂黏混合物从应变软化型向应变硬化型转化；相应的试样体积应变随之减小，并向剪缩方向发展；其临界状态线斜率与临界摩擦角则呈波浪式发展，转折点发生在FC10与FC30；在动力特性方面，存在一阈值细粒含量30%，使得砂黏混合物的由孔隙水压力与应变共同主导的液化破坏逐渐向以应变为主导转变，有效应力路径曲线变疏松后变密集，砂黏混合物的循环强度则随细粒含量增加而先减小后增大。
（2）细粒土塑性指数对砂黏混合物力学特性影响在不同细粒含量阶段的影响程度不同。其主要表现在，在静力特性方面，塑性指数对低细粒含量（FC0、FC10、FC20、FC30）的砂黏混合物的影响在低塑性与中塑性范围内较为显著，而对高细粒含量（FC50）的砂黏混合物在低塑性到中塑性至高塑性范围内均具有较大影响。塑性指数的增加会促进砂黏混合物向应变硬化，体缩方向发展，而对临界状态指标的影响则在细粒含量为30%时发生变化。在动力特性方面，随着细粒含量的增加，塑性指数增加引起的砂黏混合物的应变发展与循环强度之间的差异逐渐缩小。另一方面，随着细粒含量的增加，塑性指数的增大则对砂黏混合物的孔隙水压力与有效应力路径的发展从促进到先促进后抑制，再到抑制方向发展，即使得砂黏混合物的液化破坏逐渐向以应变为主导转变。
参考文献（略）