环境侵蚀下水泥土的损伤破裂试验及其本构模型

论文摘要

水泥土及其桩体被广泛应用于地基处理、基坑围护和公路堤坝等工程之中，起到了非常重要的作用。然而，水泥土的应用特点，使其经常用于地下水受到诸如：海水、生活污水等侵蚀环境污染的地下工程中，研究水泥土的力学性质，特别是侵蚀环境条件下力学性能试验，是环境岩土工程领域的一项基础性前沿课题，在环境侵蚀条件下探讨水泥土力学性能的演化，分析其损伤演化规律并建立相应损伤本构模型，具有重要的理论意义和工程实际意义。 首先在实验室配置了各种化学溶液来模拟各种侵蚀环境，将水泥土试件在溶液中进行预定时间的侵蚀。利用土力学三轴系统、冻融循环系统和高精度数码像机等，成功完成了正常条件下及各种侵蚀环境下水泥土的单、三轴压缩破裂过程的对比试验，得到了不同环境条件下水泥土的环境侵蚀效应和破裂过程的数码图片以及荷载位移曲线。另外，利用中国科学院武汉岩土力学研究所提供的岩石细观力学实验系统等设备，进行了单轴细观破裂全过程实时观测试验，得到了水泥土破裂全过程的应力-应变、弹性模量、极限强度等曲线和相关试验数据，获取了破裂全过程的全场以及局部显微图像。 根据试验得到的有关数据，分析了不同pH值、不同浓度、不同化学溶液以及冻融条件等侵蚀环境对水泥土的宏-细观力学特性的影响。基于Matlab平台，首次应用神经网络理论编制了相应辩识程序，建立了环境侵蚀条件下水泥土的神经网络本构模型，试验数据与模拟结果的比较一致，说明该模型在描述环境侵蚀条件下水泥土内在属性的变化具有较高的精度和良好的泛化能力。本研究结果进一步说明神经网络模型适合于描述多影响因素的非线性复杂因果规律，为研究材料本构特性提供了一条新的途径。 其次，分析了水泥土受各种侵蚀环境作用的破裂特征、方式和损伤机理。环境侵蚀条件下水泥土单轴压缩破坏以脆性破坏为主，各种环境下的破裂特征和方式基本相同。水泥土的环境侵蚀主要是其各种矿物成分与侵蚀环境中的化学溶液发生了一系列物理-化学作用，导致水泥土微细观结构发生了损伤破坏，水泥土变得松散脆弱，随之力学性能发生变化。水泥土的冻融循环破坏主要是物理作用的结果。另外，应用损伤力学理论，考虑水泥土的初始密度、初始损伤以及孔隙侵

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的意义
• 1.2 国内外研究现状与评述
• 1.2.1 岩土工程环境效应研究现状与评述
• 1.2.2 损伤力学与岩土工程研究现状
• 1.2.3 细观力学与岩土工程研究现状与评述
• 1.2.4 神经网络与岩土本构模型
• 1.3 本文研究的思路、方法和内容
• 1.3.1 本文研究的思路
• 1.3.2 研究方法
• 1.3.3 主要研究内容
• 1.3.4 本文的创新点
• 第二章 环境侵蚀下水泥土宏观压缩试验
• 2.1 引言
• 2.2 试验设计
• 2.2.1 试验方案设计与优化
• 2.2.2 环境侵蚀溶液的配置
• 2.2.3 加载装置与观测系统
• 2.3 水泥土试样的制备
• 2.3.1 水泥加固土的原状土特征
• 2.3.2 单轴压缩试样的制备
• 2.3.3 三轴压缩试样的制备
• 2.3.4 试件的侵蚀
• 2.4 环境侵蚀下水泥土的单轴压缩破裂试验
• 2.4.1 试验过程
• 2.4.2 试验结果分析
• 2.5 环境侵蚀下水泥土力学特性的时间效应
• 2.5.1 不同pH值影响的强度增长趋势
• 2.5.2 不同离子浓度影响的强度增长趋势
• 2.5.3 不同化学溶液影响的强度增长趋势
• 2.6 水泥土冻融和侵蚀的双重效应
• 2.6.1 试验材料
• 2.6.2 试验方案
• 2.6.3 试验方法
• 2.6.4 试验结果分析
• 2.6.5 冻融循环侵蚀对水泥土力学性能的双重效应
• 2.7 环境侵蚀下水泥土的三轴压缩试验
• 2.7.1 试验设备及其原理
• 2.7.2 三轴破裂试验步骤
• 2.7.3 试验结果分析
• 2.8 本章小结
• 第三章 环境侵蚀下水泥土细观破裂过程的实时观测试验
• 3.1 引言
• 3.2 水泥土的细观加载仪及其观测系统
• 3.2.1 岩石的细观力学加载仪简介
• 3.2.2 岩石的细观力学加载仪观测记录系统
• 3.2.3 实施过程
• 3.3 水泥土的细观破裂实时观测试验试件的制备
• 3.3.1 试件的制备
• 3.3.2 侵蚀溶液的制备和侵蚀
• 3.4 水泥土的细观破裂特征实时观测试验
• 3.4.1 水泥土的单轴压缩破裂过程及实时图像
• 3.4.2 水泥土的细观破裂特征分析
• 3.5 环境侵蚀下水泥土的细观破裂特征实时观测
• 3.5.1 环境侵蚀下水泥土的细观破裂试验
• 3.5.2 环境侵蚀下水泥土的细观破裂特征
• 3.5.3 环境侵蚀下水泥土的细观破裂过程
• 3.6 本章小结
• 第四章 环境侵蚀下水泥土的本构模型
• 4.1 引言
• 4.2 神经网络本构模型简介
• 4.2.1 人工神经网络
• 4.2.2 神经网络本构模型
• 4.3 环境侵蚀条件下水泥土的神经网络本构模型
• 4.3.1 神经网络本构模型的建立
• 4.3.2 神经网络计算框图
• 4.3.3 网络模型的训练和优化
• 4.3.4 实例验证
• 4.4 本章小结
• 第五章 环境侵蚀下水泥土的损伤破裂机理及其工程应用
• 5.1 引言
• 5.2 环境侵蚀下水泥土的宏-细观损伤机理
• 5.2.1 水泥土的矿物成分
• 5.2.2 环境侵蚀下水泥土宏-细观损伤的化学作用分析
• 5.2.3 环境侵蚀下水泥土的冻融损伤机理分析
• 5.2.4 环境侵蚀下水泥土的表面损伤分析
• 5.2.5 环境侵蚀下水泥土的破裂特征分析
• 5.2.6 环境侵蚀下水泥土的损伤力学分析
• 5.3 环境侵蚀下水泥土搅拌桩的设计承载力
• 5.3.1 试验结果讨论
• 5.3.2 环境侵蚀下水泥土搅拌桩承载力的设计值
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文研究成果
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简介
• 博士在读期间完成的科研成果