粗粒料浸水湿化变形特性试验及其数值模型研究

论文摘要

土石坝粗粒料浸水湿化变形,是目前高土石坝设计理论中的关键问题之一,但没有很好解决。本文采用改进的仪器、通过试验和理论分析及数值模拟,对该问题进行了系统深入研究。 基于目前三轴湿化变形试验仪器存在的问题,本文改进了一套可以进行保持应力不变的三轴剪切试验设备。该套设备结合了电子万能试验机和GDS液体压力控制器,同时采用计算机软件进行控制,实现了三轴剪切试验的应力控制、数据自动采集和不同应力路径试验的目的。 利用该仪器对粗粒料湿化变形特性进行了系统的试验研究。通过试验,揭示了湿化变形的基本规律;发现了湿化轴变和湿化体变之间的关系;对湿化后再加载表现出先线性后非线性变形性状从弹塑性理论的角度进行了解释;分析了湿化对抗剪强度的影响,认为湿化后土体峰值抗剪强度指标不随湿化应力水平而变且与饱和态值相等;论述了单双线法的优缺点,建议了“改进的双线法”;提出了“最大湿化应力水平”的概念,利用该概念合理解释了“在较高湿化应力水平下低围压的湿化轴变大于高围压的”的特殊现象;建议了密实粗粒料的“单线法”湿化变形经验公式,并讨论了该公式的适用性。 对湿化变形试验中影响试验结果的时间、停机变形及变形稳定标准进行了深入研究。得到了停机变形、湿化变形随历时变化的基本规律,表明:当达到一定历时后,上述两种变形与历时对数间呈线性关系。同时,停机变形不可忽略,否则,测得的湿化变形可能偏大。结合以上规律提出了达到“稳定变形阶段”时刻作为变形稳定标准,讨论了其合理性,同时建议了三轴湿化试验中停机变形和湿化变形稳定的参照标准。 结合湿化试验进行了粗粒料湿化颗粒破碎试验研究。根据干湿态颗粒破碎试验,得到了颗粒破碎基本规律,建议了归一化的颗粒破碎经验公式;基于颗粒破碎的能量分析,发现了颗粒破碎率与外力塑性功、颗粒破碎能之间近似成幂函数关系,特别是颗粒破碎能占外力塑性功的比例几乎不随应力状态而变;通过湿化颗粒破碎试验,揭示了湿化颗粒破碎基本规律,发现了其与湿化变形间有较好的相关性,从能量的角度指出了外力塑性功为湿化颗粒破碎提供了能量,特别地从颗粒破碎角度剖析了湿化变形基本规律。 基于试验和椭圆—抛物双屈服面弹塑性模型,提出了湿化变形塑性模型。该模型依据经典塑性理论,能够明确指定复杂应力状态下湿化变形的各分量。进一步验证表明,其能够很好的反映密实粗粒料湿化变形特性。 通过对土石坝湿化变形有限元方法的分析,指出了该方法中存在的问题并进行了改进。结合糯扎渡土石坝工程实例,设计了考虑不同因素的计算方案,结果表明:文中指出存在的问题和所做改进是正确的;本文提出的湿化变形塑性模型能够很好的模拟土石坝蓄水湿化变形,符合工程实际情况,这进一步验证了本文湿化塑性模型的合理性。最

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 粗粒料湿化变形研究意义
• 1.2 粗粒料湿化变形研究现状
• 1.2.1 湿化变形的定义及机理
• 1.2.2 湿化试验仪器及试验方法
• 1.2.3 湿化变形的影响因素
• 1.2.4 湿化变形对土体参数的影响
• 1.2.5 湿化变形的数学模型
• 1.2.6 湿化变形的数值模拟
• 1.2.7 湿化变形研究存在的问题
• 1.3 粗粒料颗粒破碎研究现状
• 1.3.1 粗粒料颗粒破碎原因、形式及影响因素
• 1.3.2 粗粒料颗粒破碎的量化指标
• 1.3.3 粗粒料颗粒破碎量的估算
• 1.3.4 粗粒料颗粒破碎对抗剪强度指标的影响
• 1.3.5 颗粒破碎对粗粒料变形的影响
• 1.3.6 考虑颗粒破碎的粗粒料本构模型
• 1.3.7 粗粒料颗粒破碎研究存在的问题
• 1.4 本文研究的技术路线及主要内容
• 第二章 湿化变形和颗粒破碎试验方案
• 2.1 试验目的
• 2.2 试验仪器
• 2.2.1 湿化试验现有仪器
• 2.2.2 湿化试验仪器的改进
• 2.2.3 湿化颗粒破碎试验仪器
• 2.3 试验材料
• 2.4 试验方法及试验方案设计
• 2.4.1 三轴试样的制备
• 2.4.2 试验方案设计
• 2.4.3 三轴湿化变形试验方法
• 2.4.4 颗粒分析试验方法
• 2.5 三轴湿化变形试验标准
• 2.5.1 湿化水头标准
• 2.5.2 浸水湿化饱和标准
• 2.5.3 变形稳定标准
• 2.6 颗粒破碎试验标准
• 2.7 本章小结
• 第三章 粗粒料湿化变形特性试验研究
• 3.1 试验初步结果
• 3.1.1 乳胶膜嵌入的处理
• 3.1.2 试验初步成果
• 3.2 湿化变形基本规律
• 3.3 湿化体变与湿化轴变关系探讨
• 3.3.1 等压固结下湿化体变与湿化轴变关系
• 3.3.2 不同湿化应力水平下湿化体变与湿化轴变关系
• 3.4 湿化对应力应变特性的影响
• 3.5 湿化对抗剪强度的影响
• 3.5.1 试验结果
• 3.5.2 试验结果分析
• 3.6 单双线法的探讨
• 3.6.1 “单线法”和“双线法”优缺点
• 3.6.2 “单线法”和“双线法”试验成果
• 3.6.3 改进的双线法
• 3.7 单线法经验公式
• 3.7.1 最大湿化应力水平的概念
• 3.7.2 最大湿化应力水平的应用
• 3.7.3 “单线法”经验公式
• 3.8 本章小结
• 第四章 湿化变形试验中影响因素探讨
• 4.1 时间和停机变形因素试验
• 4.1.1 时间和停机变形因素研究意义
• 4.1.2 试验设计
• 4.1.3 试验初步结果
• 4.2 停机变形随历时变化基本规律
• 4.3 湿化变形随历时变化基本规律
• 4.4 停机变形与湿化变形的比例关系
• 4.5 停机变形和湿化变形稳定标准的探讨
• 4.5.1 变形稳定历时的计算公式
• 4.5.2 变形稳定标准的探讨
• 4.6 本章小结
• 第五章 粗粒料湿化颗粒破碎试验研究
• 5.1 粗粒料颗粒破碎试验结果
• 5.1.1 湿化颗粒破碎研究意义及试验设计
• 5.1.2 颗粒破碎量化指标的选取
• 5.1.3 颗粒破碎的试验结果
• 5.2 干湿态粗粒料颗粒破碎
• 5.2.1 干湿等压固结下的粗粒料颗粒破碎
• 5.2.2 干湿不同顺序对粗粒料颗粒破碎的影响
• 5.2.3 干湿态三轴剪切峰值时粗粒料颗粒破碎
• 5.2.4 干湿态三轴剪切不同应力水平时粗粒料颗粒破碎
• 5.2.5 干湿颗粒破碎率与应力状态的关系
• 5.3 颗粒破碎的能量分析
• 5.3.1 颗粒材料抗剪强度的分量
• 5.3.2 基本内摩擦角的确定
• 5.3.3 本文粗粒料抗剪强度的分量
• 5.3.4 颗粒破碎能的求取
• 5.3.5 外力塑性功的求取
• 5.3.6 干态颗粒破碎率与破碎能、外力塑性功关系
• 5.3.7 湿态颗粒破碎率与破碎能、外力塑性功关系
• 5.3.8 部分剪切颗粒破碎率与破碎能、外力塑性功关系
• 5.3.9 全剪切颗粒破碎率与破碎能、外力塑性功关系
• 5.3.10 不同干湿状态颗粒破碎率、破碎能、外力塑性功关系分析
• 5.4 湿化颗粒破碎试验研究
• 5.4.1 湿化颗粒破碎原因及破碎形式分析
• 5.4.2 湿化颗粒破碎率试验结果
• 5.4.3 湿化颗粒破碎对颗粒级配曲线的影响
• 5.4.4 湿化颗粒破碎的基本规律
• 5.4.5 湿化颗粒破碎与湿化变形关系
• 5.4.6 湿化颗粒破碎与湿化过程中的外力塑性功、破碎能的关系
• 5.4.7 湿化变形的颗粒破碎机理分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 基于双屈服面的湿化变形塑性模型
• 6.1 湿化变形模型研究现状
• 6.2 基于双屈服面弹塑性模型的湿化变形塑性模型
• 6.2.1 湿化模型的基本假定
• 6.2.2 殷宗泽椭圆-抛物双屈服面弹塑性模型
• 6.2.3 基于殷宗泽椭圆-抛物双屈服面模型的湿化塑性模型建立思路
• 6.2.4 考虑湿化变形的弹塑性矩阵计算方法
• 6.2.5 湿化塑性模型参数的确定方法
• 6.3 湿化模型的初步验证
• 6.3.1 验证的方法
• 6.3.2 存在的问题及验证的结论
• 6.4 本章小结
• 第七章 土石坝湿化变形的有限元模拟
• 7.1 土石坝湿化变形有限元模拟的改进
• 7.1.1 存在的问题
• 7.1.2 本文中有关改进
• 7.2 工程实例分析
• 7.2.1 工程概况
• 7.2.2 三维有限元网格剖分
• 7.2.3 本构模型和湿化模型参数的确定
• 7.2.4 有限元模拟计算方案
• 7.2.5 有限元数值模拟计算结果及分析
• 7.3 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的主要论文
• 攻读博士期间参加主要科研情况
• 致谢