【摘要】：膨脹土是一種特殊的災害性土,在我國的分布范圍非常廣泛。隨著我國經(jīng)濟建設的迅速發(fā)展,越來越多的基礎設施不可避免地要修建在膨脹土地基上。由于對膨脹土的蠕變、應力松弛和長期強度等流變特性方面的理論研究還相對滯后,阻礙了對膨脹土災害治理方面的工程技術的發(fā)展。因此,開展膨脹土的應力松弛特性研究,對于保證膨脹土地區(qū)工程建設的安全和長期穩(wěn)定具有重要的意義。本文針對廣西南寧膨脹土,依托國家自然科學基金資助項目“膨脹土非線性流變特性研究”(項目編號:50978097),以及湖南省科技廳資助項目“膨脹土非線性流變特性本構模型研究”(項目編號:2010SK3047),在通過大量閱讀國內(nèi)外有關研究文獻的基礎上,針對南寧膨脹土的非線性應力松弛特性,開展了相關的試驗研究和理論分析。所開展的主要研究工作如下。(1)試驗研究工作①膨脹土的基本物理、力學性質試驗:根據(jù)試驗規(guī)程,開展了液塑限、擊實試驗、膨脹性試驗等基本物理、力學性質試驗,測定了膨脹土的各項基本物理和力學性質指標。②膨脹土的三軸試驗研究:采用非飽和土三軸試驗系統(tǒng)的不固結不排水模塊(UU),對不同初始條件下的膨脹土進行三軸試驗。③膨脹土的三軸應力松弛試驗研究:采用長春機械科學研究院有限公司生產(chǎn)的TSS10型土體三軸流變試驗機,對在不同初始條件下的膨脹土進行一系列的室內(nèi)應力松弛試驗。(2)理論研究工作①基于土流變學理論,并通過分析室內(nèi)三軸應力松弛試驗結果,探索了在不同初始條件下膨脹土的應力松弛規(guī)律。②根據(jù)對試驗結果的分析,確定了應力松弛的特征指標。探索了各種因素對膨脹土應力松弛特征指標的影響規(guī)律,并對膨脹土的應力松弛特征及其演化過程規(guī)律開展了相關探索性研究。③基于分數(shù)階微積分理論和土流變學理論,根據(jù)應力松弛試驗結果,引入了分數(shù)階軟體元件對膨脹土非線性應力松弛模型進行了改造;在此基礎上,考慮膨脹土的粘滯劣化,建立了膨脹土非線性應力松弛分析理論,確定了各模型參數(shù),并進行了試驗驗證和對比分析。通過上述研究,主要得到了以下研究進展和創(chuàng)新結論。(1)在不同的初始條件下,膨脹土的應力松弛規(guī)律均相似,應力松弛曲線具有明顯的非線性。應力松弛曲線可以劃分為快速松弛、減速松弛以及穩(wěn)定三個階段。膨脹土的應力松弛屬于非完全衰減型松弛。(2)在不同的初始條件下,膨脹土的應力-應變等時曲線呈現(xiàn)出兩個不同的變形階段。也就是說,在較低的應變水平時,其應力-應變關系表現(xiàn)為線粘彈性變形階段;隨著應變水平的提高,其應力-應變關系表現(xiàn)為非線性粘彈性變形階段。應變水平越高,其非線性特性越明顯。(3)膨脹土的含水量越高、受到的圍壓越小、壓實的程度越小以及應變水平越高,其應力松弛程度就越高。(4)應用分數(shù)階導數(shù)理論構造的軟體元件取代了傳統(tǒng)元件模型中的理想粘滯元件,并考慮粘滯系數(shù)的損傷劣化,可以更加準確地反映膨脹土的非線性應力松弛特性。(5)在應力松弛過程中,膨脹土的模量不再是常量,而是與初始條件有關的變量。其實質是,由于在長期應變作用下,土體內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫而引起的損傷累積所致。這正是反映了在常應變條件下應力松弛的內(nèi)在機理,即模量隨時間增加而減小,導致應力隨時間增加而減小。(6)通過對傳統(tǒng)的整數(shù)階模型的改進,得到了分數(shù)階的St.Venant應力松弛分析模型。建立了膨脹土的應力松弛分析理論,提出了膨脹土的松弛模量和松弛應力的計算公式。在此基礎上,確定了各松弛模型參數(shù),明確了模型參數(shù)的物理意義。通過與其它模型計算結果的對比分析,驗證了所提出的膨脹土應力松弛分析理論的可靠性和優(yōu)越性。綜上所述,本文通過開展對廣西南寧膨脹土的非線性應力松弛的試驗與理論研究,探索了南寧膨脹土非線性應力松弛規(guī)律,揭示了膨脹土應力松弛過程的內(nèi)在機理,建立了能更好地反映膨脹土非線性應力松弛特性的分析模型和計算理論。研究結果為膨脹土非線性應力松弛分析奠定了理論基礎,也對膨脹土工程災害治理具有重要的指導意義。
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【學位授予單位】：中南林業(yè)科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TU443

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本文編號：2362606