粗粒土的颗粒破碎特性与本构关系研究

论文摘要

粗粒土通常是指块石、碎石(或砾卵石)、石屑、石粉等粗颗粒组成的无粘性混合土,或者是粘性土中含有大量粗颗粒的混合土。它具有压缩性小、强度高、填筑密度大、透水性强、固结快等工程特点。由于以上工程特性及优点,粗粒土作为一种填料被广泛地应用于各类工程中,尤其是大坝工程和地基基础工程。在大坝工程中,堆石坝具有良好的适应性和经济性,是我国目前水电建设中优选的坝型之一,随着碾压堆石技术的发展以及调节性大库建设的需要,近年来堆石坝的坝高已经有了较大的发展。例如,水布垭面板堆石坝坝高233m,在建的糯扎渡心墙堆石坝坝高262m,拟建的西藏澜沧江如美心墙堆石坝坝高315m。高坝与低坝相比,坝体应力水平有较大的提高,如300m级高土石坝坝料承受的围压可达到3MPa以上。而前人的试验表明,在围压为800KPa的剪切试验后,筑坝堆石料的颗粒破碎率能够达到15%。因此,颗粒破碎已经成为高土石坝建设中一个非常重要的现象。论文首先总结了前人对土体本构模型的研究现状,分析了各模型的优缺点。根据常规三轴试验,分析了试验结果,研究了粗粒土三轴剪切过程中的颗粒破碎以及颗粒破碎对粗粒土力学特性的影响。目前所建立的粗粒土本构模型中,考虑颗粒破碎对其影响的还比较少。本文结合三轴试验,根据剪切过程中的能量平衡关系,将颗粒破碎耗能引入土体受力变形过程中的能量平衡方程,推导得到土体流动法则,并采用直线型屈服轨迹和非相关联流动法则,利用不排水应力路径计算得到硬化函数,建立了一个考虑颗粒破碎的粗粒土本构模型。然后,再采用改进的微粒群算法拟合三轴试验曲线,确定模型参数。通过对比分析可得:该模型对粗粒土在各围压下的应力应变和体应变计算结果与试验曲线吻合较好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 岩土本构模型的建立
• 1.3 土的本构关系与土工试验
• 1.4 土的本构模型研究的回顾
• 1.4.1 弹性模型
• 1.4.2 弹塑性模型
• 1.4.2.1 Lade-Duncan模型
• 1.4.2.2 原始剑桥模型和修正剑桥模型
• 1.4.2.3 Rowe剪胀模型
• 1.4.3 小结
• 1.5 课题的提出背景及意义
• 1.6 本文的主要工作
• 2 粗粒土的颗粒破碎研究
• 2.1 粗粒土颗粒破碎试验
• 2.1.1 试样制备
• 2.1.2 原岩物理力学试验
• 2.1.3 固结试验
• 2.1.4 排水三轴剪切试验
• 2.2 粗粒土颗粒破碎研究现状
• 2.2.1 颗粒破碎分类
• 2.2.2 颗粒破碎的度量
• 2.2.3 颗粒破碎参量的选取
• 2.2.4 颗粒破碎的影响因素
• 2.3 颗粒破碎对粗粒土力学性质的影响
• 2.3.1 围压对颗粒破碎的影响
• 2.3.2 颗粒破碎对抗剪强度的影响
• 2.3.3 颗粒破碎对应力应变关系的影响
• 2.4 破碎耗能与塑性功的关系
• 2.4.1 颗粒破碎耗能的求取
• 2.4.2 塑性功的求取
• 2.4.3 破碎耗能与塑性功的关系
• 2.5 粗粒土颗粒破碎对剪胀性的影响研究
• 2.6 本章小结
• 3 考虑颗粒破碎的粗粒土本构关系
• 3.1 弹塑性理论
• 3.1.1 屈服准则和破坏准则
• 3.1.2 硬化规律
• 3.1.3 流动规则
• 3.1.4 弹塑性本构模型的弹塑性模量矩阵的一般表达式
• 3.2 塑性势函数
• 3.3 屈服函数
• 3.4 硬化函数
• 3.5 本章小结
• 4 模型参数优化及其模型的计算
• 4.1 模型计算的步骤及方法
• 4.2 模型参数的确定
• 4.2.1 通过试验直接确定模型参数
• 4.2.2 通过优化算法确定模型参数
• 4.2.2.1 微粒群算法简介
• 4.2.2.2 微粒群算法原理
• 4.2.2.3 算法的改进
• 4.2.2.4 算法流程及伪码描述
• 4.2.2.5 算法参数的选取
• 4.3 算例
• 4.4 小结
• 5 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢