非饱和黄土等效吸力的研究与应用

论文摘要

饱和土作为土力学基本框架的重要组成部分,其理论已经基本趋于成熟,而非饱和土在实际工程中分布更为广泛,但由于其工程特性更为复杂,理论尚不完善。本文摒弃了非饱和土力学中用单应力变量和净应力与基质吸力双应力变量来研究非饱和土强度和变形特性的思想,选择饱和度作为物理量,避免了吸力的量测,研究土体内水分对强度和变形的影响。在非饱和土力学中,强度理论和变形理论是非饱和土力学稳定性分析理论及计算方法的重要基础。非饱和土力学的研究目前还未进入实用阶段,主要原因在于吸力量测的复杂,等效吸力的提出避免了吸力量测的困难。鉴于此,进行了用含水量（饱和度）代替吸力的试验并确定了等效吸力的拟合公式。本文以常规静三轴试验得到的原状饱和黄土以及非饱和黄土的应力-应变曲线为基础,根据变形等效的原则确定不同饱和度对应的不同的等效吸力,建立了饱和度与等效吸力之间的非线性关系,为简化非饱和土理论应用于工程实践建议了一种新的实用方法。并根据试验结果分析了吸力对非饱和黄土强度的影响,建立非饱和黄土的实用抗剪强度公式。最后按照邓肯-张模型的参数整理方法得到了不同饱和度-的非饱和黄土的模型参数,探索这些参数随饱和度的变化规律,建立了引入饱和度的非饱和黄土实用非线性模型。为了避免吸力量测的困难,采用等效吸力代替真实吸力,提出了一个计算湿陷性黄土增湿变形的方法。进行降雨入渗情况下湿陷性黄土增湿变形的计算,计算结果合理地反映了非饱和黄土变形的分布趋势,验证了方法的合理性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 黄土的基本性质
• 1.1.1 黄土的成因特性
• 1.1.2. 黄土的分布特性
• 1.1.3. 黄土的组成特性
• 1.1.4 黄土的工程性质
• 1.1.5 黄土的物理力学性质
• 1.2 非饱和黄土的力学特性研究
• 1.2.1 非饱和土力学
• 1.2.2 土工数值计算及有限元分析方法
• 1.2.3 非饱和黄土研究的展望
• 1.3 本文的研究内容和意义
• 2 非饱和黄土强度和变形的试验研究
• 2.1 试验土样及试样制备
• 2.2 非饱和黄土的应力应变特性
• 2.2.1 试验方案
• 2.2.2 侧限压缩试验
• 2.2.3 常规三轴试验条件下的应力应变特性
• 2.2.4 总应力摩尔圆
• 2.3 引入饱和度的非饱和黄土非线性本构模型
• 2.3.1 邓肯-张模型简介
• 2.3.2 参数求解
• 2.4 本章小结
• 3 非饱和黄土等效吸力特性研究
• 3.1 研究的目的和意义
• 3.2 等效吸力的确定思路
• 3.3 同一围压下等效吸力的确定
• 3.3.1 同一围压下等效吸力的公式拟合
• 3.3.2 等效吸力参数变化分析
• 3.4 不同围压下等效吸力的确定
• 3.4.1 不同围压下等效吸力的公式拟合
• 3.4.2 不同围压下等效吸力的公式验证
• 3.5 本章小结
• 4 非饱和黄土抗剪强度的研究
• 4.1 非饱和黄土的强度特性
• 4.2 引入等效吸力的非饱和黄土的抗剪强度公式
• 4.2.1 对既有抗剪强度理论的分析
• 4.2.2 非饱和黄土的抗剪强度公式
• 4.3 抗剪强度公式验证
• 4.3.1 计算结果对比
• 4.4 非饱和黄土抗剪强度随饱和度变化机理分析
• 4.5 本章小结
• 5 非饱和黄土增湿变形计算
• 5.1 非饱和黄土增湿变形特性
• 5.2 非饱和土本构模型
• 5.2.1 模型简介
• 5.2.2 模型的运用
• 5.3 数值试验实现
• 5.3.1 基本假定
• 5.3.2 基本变量
• 5.3.3 简化假定
• a. 对非饱和来说孔隙气压力简化假定
• b. 孔隙水质量守恒方程（渗流的连续方程）
• c. 孔隙流体平衡方程
• 5.3.4 基本方程
• 5.3.5 初始条件和边界条件
• 5.3.5 前处理
• 5.3.6 后处理
• 5.4 算例
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士研究生期间发表的论文
• 参加的生产课题