基于细观破损机理的胶结结构性土本构模型研究

论文摘要

天然土体多具有一定的结构性,其力学特性与室内重塑土相比较为复杂。对结构性土应力变形特性的研究为目前岩土力学研究的一个热门课题。“21世纪土力学的核心问题是土体结构性的数学模型”。本文对胶结结构性土进行了系统的室内试验和细观胶结破损机理的分析研究工作。本文取得的主要新成果有:(1)采用人工制备的具有不同孔隙比和颗粒胶结强度的人工结构性土试样和相应的重塑土试样,进行了多种应力路径的常规三轴和真三轴试验。通过对比分析人工胶结结构性土和重塑土的试验成果,系统地分析和总结了人工胶结结构性土的应力和变形特性,分析了胶结强度和初始孔隙比对人工胶结结构性土应力变形特性的影响。(2)基于对胶结结构性土细观结构的观察和抽象,提出了以颗粒接触胶结特性区分胶结结构性土胶结元和摩擦元材料相的新方法,定义了可反映结构性土颗粒细观接触特性变化的破损变量。以离散介质力学宏细观积分方程为基础,推导了适用于胶结结构性土二元介质模型的基本方程。基于宏细观能量方程,利用能量平衡原理推导了破损变量的演化规律。(3)从胶结结构性土细观颗粒接触力的平衡方程出发,讨论了颗粒胶结接触发生破损的条件。通过分析颗粒接触力的构成和颗粒胶结的细观破损条件,建立了胶结元的破损准则。给出了等向压缩和三轴剪切条件下胶结元破损准则的具体表达式。推导了胶结元和胶结结构性土的强度包线。(4)应用上述有关胶结结构性土破损变量及其演化规律和胶结元破损准则的研究成果,基于岩土破损力学的理论框架,建立了一个胶结结构性土的二元介质本构模型。该模型认为,胶结结构性土的胶结元为弹脆性材料;摩擦元的本构方程满足修正剑桥弹塑性模型。该模型引入的结构性模型参数数量少,均具有明确的物理意义,且可以通过简单应力路径的室内常规三轴试验确定。通过与人工胶结结构性土试验结果的对比,表明该模型可以较好地反映胶结结构性土不同应力路径上的主要应力变形特性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号对照表
• 第1章 研究综述及论文的主要工作
• 1.1 结构性土的成因以及物理属性
• 1.1.1 结构性土的成因及普遍性
• 1.1.2 结构性土的物理属性
• 1.2 结构性土试验研究
• 1.2.1 结构性土的宏观力学试验方法
• 1.2.2 结构性土的宏观力学特性
• 1.2.3 结构性土的细观试验及细观特征表述方法
• 1.3 结构性土本构模型研究综述
• 1.3.1 结构性土的宏观模型
• 1.3.1.1 修正弹塑性本构模型
• 1.3.1.2 基于损伤理论的本构模型
• 1.3.1.3 边界面模型和多重屈服面模型
• 1.3.1.4 其他模型
• 1.3.1.5 结构性土本构模型研究评述
• 1.3.2 二元介质模型研究进展
• 1.3.2.1 结构性土的力学抽象
• 1.3.2.2 模型的基本方程
• 1.3.2.3 胶结元的破损机理
• 1.3.2.4 模型全量理论
• 1.3.2.5 模型增量理论
• 1.3.2.6 模型应用与特点
• 1.3.3 土体细观模型
• 1.3.3.1 结构性土的细观抽象及其模型
• 1.3.3.2 离散介质力学理论
• 1.4 论文的主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 人工胶结结构性土应力变形特性试验研究
• 2.1 试验方法及试验方案
• 2.1.1 试样制备方法及试样种类
• 2.1.2 试验应力路径及试验方案
• 2.2 试验结果
• 2.3 结构性土的基本力学特性
• 2.3.1 破坏方式
• 2.3.2 体积压缩模量和变形模量
• 2.3.3 体变特征
• 2.3.4 强度特性
• 2.4 胶结和初始孔隙比对结构性土应力变形特性的影响
• 2.4.1 胶结强度的影响
• 2.4.2 初始孔隙比的影响
• 2.5 应力路径对结构性土变形特性的影响
• 2.6 本章小结
• 2.7 附图：人工胶结结构性土和重塑土试验结果
• 第3章 胶结结构性土的破损变量及其演化规律研究
• 3.1 胶结结构性土细观特征及破损变量定义
• 3.1.1 胶结结构性土细观特征
• 3.1.2 结构性土的细观抽象
• 3.1.3 结构性土的细观研究对象
• 3.1.4 胶结元和摩擦元的细观定义
• 3.1.5 摩擦元和胶结元的体积以及破损变量定义
• 3.2 二元介质模型的细观基础
• 3.2.1 胶结元和摩擦元应力组合方程
• 3.2.2 胶结元和摩擦元应变组合方程
• 3.3 破损变量演化规律
• 3.3.1 能量平衡原理在宏细观的表现形式
• 3.3.2 破损变量的演化规律
• 3.4 关于破损变量演化规律的讨论
• 3.4.1 破损变量值域与单调性考察
• 3.4.2 胶结破碎能
• 3.4.3 等向压缩条件下破损变量演化规律的解析表达式
• 3.5 本章小结
• 第4章 胶结结构性土胶结破损准则研究
• 4.1 胶结接触的细观破碎条件
• 4.2 胶结破损准则
• 4.3 等向压缩条件下胶结破损准则
• 4.4 三轴剪切条件下胶结破损准则
• 4.4.1 剪应力条件
• 4.4.2 球应力条件
• 4.5 胶结破损准则参数确定方法
• 4.6 结构性土强度包线
• 4.6.1 胶结元强度包线
• 4.6.2 结构性土强度包线
• 4.7 本章小结
• 第5章 胶结结构性土的二元介质模型及验证
• 5.1 模型概述
• 5.1.1 基本方程
• 5.1.2 模型参数及其确定方法
• 5.2 模型的迭代计算步骤
• 5.3 不同应力路径三轴试验结果的模型验证
• 5.3.1 等向压缩试验结果模拟计算
• 5.3.2 常规三轴压缩试验结果模拟计算
• 5.3.3 等球应力三轴压缩试验结果模拟计算
• 5.3.4 等应力比三轴压缩试验结果模拟计算
• 5.4 模型适应性
• 5.4.1 胶结强度对结构性土力学行为影响的模拟
• 0 的参数敏感性计算分析'>5.4.2 不均匀剪切系数A₀的参数敏感性计算分析
• 0 的参数敏感性计算分析'>5.4.3 初始孔隙比e₀的参数敏感性计算分析
• 0 的参数敏感性计算分析'>5.4.4 破损变量初值b₀的参数敏感性计算分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历与在学期间发表的学术论文