基于数字图像测量的非饱和压实土应力—应变特性研究

论文摘要

基于亚像素角点检测的数字图像测量方法在三轴试验试样变形测量中的应用，为三轴试验试样变形测量提供了一项新方法，该方法通过捕捉跟踪角点的位移对试样变形进行测量，测量结果能够达到较高的亚像素精度（0.02像素），精度分析结果表明应变测量精度可以达到10-4数量级。应用该方法能够更加准确地测量饱和土和非饱和土三轴试验试样的局部变形，进而深入研究土在三轴应力状态下的应力-应变特性。同时，还可以利用其独特的测量机理，获取相当于将试样表面离散化的变形试验数据，计算出三轴试样的表面应变场对三轴试样的变形性质进行研究。在控制吸力条件下的非饱和压实土三轴试验中应用基于亚像素角点检测的数字图像测量方法，使非饱和压实土三轴试验试样的局部变形测量更加简便，同时克服了接触式传感器会对试样产生径向约束、测量截面少等不足，提高了局部变形测量的精度。由于受到端部约束的影响，测量非饱和压实土试样整体变形的试验结果相对真实情况而言强度被提高，变形能力被降低，由此获得的试验数据不能够真实地反映非饱和土的强度和变形性质。通过比较控制吸力条件下非饱和压实土三轴试验中试样整体与试样中部1／3区域的试验结果，证明测量试样中部1／3区域受端部约束的影响较小，其试验结果更能代表非饱和土的基本受力变形特性，对于研究非饱和土的应力-应变关系可以提供更为可靠的试验数据。采用双应力状态变量强度理论系统分析了试样的抗剪强度，结果表明端部约束对抗剪强度公式的参数取值有较大影响。应用非饱和土Alonso弹塑性模型研究探讨了模型参数取值对非饱和土数值计算结果的影响，使用包含端部约束影响的试样整体变形确定的模型参数进行有限元数值计算将产生误差，同时也高估了非饱和土体的强度。在常吸力的各向等压压缩试验中，试样整体与试样中部1／3区域的变形测量结果趋势一致，同一平均净应力下前者变形小于后者；前者的屈服应力值大于后者，二者的屈服应力都是随着吸力的增加而增大。由试样整体与试样中部1／3区域变形确定的LC屈服曲线模型参数差别较大，试验值和模型计算的p—s平面LC屈服曲线的形式也存在差别，前者的弹性区域明显大于后者。针对Alonso模型中LC屈服轨迹方程中存在的计算结果与试验结果误差较大以及存在不具有普遍意义的假设的问题，基于局部变形试验结果深入研究了LC屈服轨迹方程的合理形式。在一系列常吸力的非饱和压实土三轴剪切试验中，应用数字图像测量方法测量试样中部1／3区域的强度及变形的试验结果表明：吸力对非饱和土抗剪强度的提高有重要影响，抗剪强度随着吸力的增加而增加。基于局部变形测量的常吸力非饱和压实土三轴剪切试验结果，全面描述了非饱和土p—g—s三维应力空间中临界状态面的合理形态：在p—q平面，临界状态线斜率M是与吸力无关的物理量；临界状态面与LC屈服面交线在三维应力空间中是一条存在极值的曲线；该交线在p—s平面的投影曲线在三轴压缩应力状态下应位于第一象限；该交线在q—s平面的投影曲线应存在渐近线；反映凝聚力与吸力关系的函数曲线也应存在渐近线。修正了Alonso模型中临界状态线的表达式，验证了其合理性。依据局部变形试验结果绘制的塑性体应变等值面形状为水滴形，并针对非饱和土Alonso弹塑性模型的不足，将水滴形屈服面扩展到非饱和土中，提出了非饱和土水滴形屈服面函数，采用相关联的流动法则，应用合理的LC屈服轨迹方程和临界状态线的修正表达式，结合对偶应力硬化理论改进了模型，改进模型的计算结果与原模型及试验结果的对比表明，改进模型能够较好地对控制吸力条件下的非饱和土三轴压缩试验进行模拟，其结果与试验结果吻合得较好，优于原模型，进而验证了改进模型是一种合理的形式。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 非饱和土的研究意义
• 1.2 非饱和土的研究历史
• 1.3 非饱和土的研究现状
• 1.3.1 微结构
• 1.3.2 有效应力原理
• 1.3.3 渗透性
• 1.3.4 应力-应变关系
• 1.3.5 变形与固结
• 1.3.6 非饱和土强度理论
• 1.4 非饱和土控制吸力三轴试验的变形测量
• 1.4.1 流体法
• 1.4.2 总和法
• 1.4.3 直接法
• 1.5 非饱和土控制吸力三轴试验中测量试样局部变形的意义
• 1.5.1 刚度的测量
• 1.5.2 端部约束影响
• 1.5.3 基座误差
• 1.6 数字图像测量技术在非饱和土三轴试验变形测量中应用的意义
• 1.7 本文的主要研究内容及主要工作
• 1.7.1 研究内容
• 1.7.2 论文的组织结构
• 2 基于亚像素角点检测的三轴试样变形数字图像测量方法
• 2.1 基于亚像素角点检测的数字图像测量方法
• 2.1.1 亚像素角点检测基本原理
• 2.1.2 系统组成
• 2.2 测量精度分析
• 2.3 测量方法
• 2.4 测量结果异常数据的剔除
• 2.5 试验检验与比较
• 2.6 试样变形表面应变场
• 2.6.1 曲面展开
• 2.6.2 试样表面应变场的计算
• 2.7 小结
• 3 基于数字图像测量的非饱和压实土三轴试验
• 3.1 试验系统组成
• 3.2 控制吸力的非饱和土三轴试验
• 3.2.1 试验土样
• 3.2.2 试验过程
• 3.2.3 试验内容
• 3.2.4 试验结果与分析
• 3.3 抗剪强度研究
• 3.4 参数取值对计算结果的影响
• 3.5 小结
• 4 基于局部变形的非饱和压实土p-s平面屈服轨迹研究
• 4.1 研究方法
• 4.1.1 LC屈服曲线的提出
• 4.1.2 试验路径
• 4.2 整体与局部测量试验结果的对比与分析
• 4.2.1 试验结果
• 4.2.2 端部约束对 LC屈服曲线的影响
• 4.3 基于局部变形的LC屈服曲线研究
• 4.4 小结
• 5 基于局部变形的非饱和土三维应力空间临界状态面研究
• 5.1 试验内容
• 5.2 试验结果
• 5.3 分析探讨
• 5.3.1 p-q平面曲线
• 5.3.2 p-s平面曲线
• 5.3.3 q-s平面曲线
• 5.3.4 p-q-s空间临界状态面
• 5.4 Alonso模型临界状态线的修正
• 5.5 小结
• 6 基于局部变形的非饱和土弹塑性本构模型研究与改进初探
• 6.1 Alonso弹塑性基本模型
• 6.1.1 应力屈服面
• 6.1.2 流动法则
• 6.1.3 硬化规律
• 6.1.4 弹性应变
• 6.1.5 模型参数的确定
• 6.2 两类屈服面的对比研究
• 6.2.1 水滴形屈服面
• 6.2.2 模型计算参数
• 6.2.3 结果与分析
• 6.3 Alonso模型改进初探
• 6.3.1 LC屈服曲线
• 6.3.2 临界状态线
• 6.3.3 屈服面
• 6.3.4 硬化理论
• 6.3.5 模型验证
• 6.3.6 结果与分析
• 6.4 小结
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所完成与发表的学术论文及所参加的科研项目情况
• 创新点摘要
• 致谢