随着黄土高原一系列重大工程的实施，桩基础在相关工程建设中发挥着举足轻重的作用。近年来，极端气候事件频发，超量降雨引起的黄土湿陷进而诱发黄土桩基灾变的事件时有发生。湿陷作用下黄土桩基破坏的根本原因是土体增湿导致黄土水力特性改变及复杂的桩土相互作用过程。目前尚未查明黄土湿陷过程中的水力耦合行为以及桩土相互作用规律。因此，厘清黄土的水力特性以及黄土与桩相互作用，构建考虑桩与黄土相互作用的水力耦合模型，阐明黄土湿陷过程中的水力耦合规律，揭示湿陷作用下桩土相互作用具有重要的科学意义和工程运用价值。本文围绕非饱和黄土水力耦合行为及桩土相互作用规律开展系列研究，主要研究内容和结论如下： （1）基于轴平移技术，开展了不同沉积深度非饱和黄土水力耦合作用下的变形行为研究，从孔径分布及颗粒排列等微观角度辅助解释了沉积深度对非饱和黄土压缩、屈服以及湿陷的影响效应。与已有的试验相比，系统研究了非饱和黄土持水、压缩特性以及湿陷特性并探究了沉积深度的影响效应。主要结论是：饱和度、沉积深度及吸力协同影响黄土的屈服特性，两个深度黄土的屈服应力在不同吸力范围内表现出相反的大小关系，两个沉积深度黄土的压缩指数都随着吸力的增加先增加随后有缓慢减少的趋势，而黄土的湿陷系数随着轴向应力的增加先增加后减小存在一个明显峰值，颗粒间胶结的作用会显著减小黄土的压缩指数和湿陷系数，而非饱和黄土的屈服特性受到颗粒胶结及前期应力历史的协同影响。 （2）通过对比研究非饱和黄土持水特性的力学增湿，自由体变增湿和限制体积增湿，引入3种常见的可考虑孔隙比变化的持水模型，厘定了不同增湿条件下非饱和黄土持水曲线的模型参数。利用压汞试验从不同增湿条件下孔径演化特征的角度揭示了三种增湿方式导致的持水特性差异的原因，并从模型建立的基本假设条件出发分析上述模型拟合效果存在差异的根本原因。主要结论是：黄土持水曲线受水力边界的影响，在饱和度-吸力-孔隙平面存在一定的差异，差异的主要原因为力学增湿、水力增湿以及等体积增湿的试样经历了不同的水力路径，在不同的增湿环境下其孔径特征的演化不同，导致试样在相同的孔隙比下具有不同的孔径分布。 （3）开展了不同波纹度结构物界面与不同含水量黄土的直剪试验，结合不同孔隙比黄土的持水曲线，分析了波纹度及吸力对界面-黄土的非饱和剪切效应，优选出黄土与结构物界面的剪切模型并确定剪切模型参数。与已有试验相比，研究了界面波纹度对结构物界面-土剪切强度的影响。主要结论是：在相同的轮廓高度下，不同的轮廓角度对结构物-土界面剪切强度的影响不显著，在低法向应力剪切过程中会表现出剪缩现象，反之亦然；界面剪切强度会随着含水量的增加而呈非线性增加，在试样含水量大于10%时，其在剪切过程中均表现出剪胀现象，并且剪胀量会随着法向应力的增加显著增加；利用单应力变量的非饱和剪切模型能够较好地刻画不同轴向应力和不同吸力下非饱和黄土与结构物界面的剪切强度。 （4）基于室内试验得到黄土的水力特性以及结构物与黄土的剪切行为，引入考虑孔隙比变化的持水模型、渗透系数模型和非饱和土-结构物剪切模型，构建了基于经典非饱和土弹塑性本构模型的黄土与结构物相互作用水力耦合模型，通过前人开展的室内试验和前文开展的室内试验从室内单元尺度验证了模型的适用性并进行了数值实现。与已有模型相比，本文建立的模型考虑了孔隙比对持水模型和渗透系数的影响、黄土真实的渐进湿陷过程以及吸力对非饱和黄土-结构物剪切强度的影响。 （5）基于考虑持水特性随孔隙比变化的黄土水力耦合模型，构建了现场尺度黄土浸水试验模型，通过室内试验得到剖面湿陷系数以及现场试验表面湿陷量确定了模型参数并验证了模型的合理性，查明了现场尺度黄土湿陷过程中的水力耦合规律，变参分析了126个潜在可能场地的湿陷量，厘清了影响现场浸水试验湿陷量大小的主控因素，揭示了室内试验和现场试验湿陷量存在差异的原因。主要结论：黄土现场尺度的湿陷量随着压缩指数的增大而增大，随着前期固结应力的增加而减小，而在给定的吸力范围内，初始吸力对黄土场地的湿陷量影响不明显。室内试验和现场试验得到的湿陷量存在差异的主要原因是其所处的应力状态不同、现场湿陷过程中的应力重分布以及室内试验间隔1 m进行试验的代表性等问题。 （6）基于考虑非饱和黄土与结构物相互作用的黄土水力耦合模型，构建了场地尺度湿陷作用下的桩-黄土相互作用模型，揭示了湿陷作用下桩顶荷载、桩土界面强度以及桩的嵌入深度对桩的轴向应力、桩侧负摩阻力和桩端变形的影响机制。最后，对比了模型结果与规范建议的负摩阻力值并查明了导致这种差异的原因，优化了桩侧负摩阻力的计算方法。主要结论：在端承摩擦桩中，桩的中性点位置一般位于水分的最大影响深度处。桩的中性点位置在桩底饱和后会随着轴向应力的增加而下移。桩-土界面摩擦系数会显著影响桩的摩阻力的大小，导致规范建议值和模拟值差异生的主要原因是桩对土的悬挂作用以及湿陷作用下应力的重分布导致的桩侧正压力的变化，从而影响了桩侧摩阻力的发育。 |
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