本文關(guān)鍵詞： 非飽和土 干濕循環(huán) 力學(xué)特性 本構(gòu)模型 三相耦合數(shù)值分析　出處：《大連理工大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：地表淺層的非飽和土體經(jīng)常承受由水位升降和降雨-蒸發(fā)過(guò)程引起的干濕循環(huán)的影響,土體的力學(xué)特性發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化。這部分非飽和土與淺基礎(chǔ)、邊坡、土壩和公路鐵路路基等實(shí)際工程問(wèn)題緊密相關(guān)。研究干濕循環(huán)條件下非飽和土的力學(xué)特性無(wú)論對(duì)設(shè)計(jì)新的土工結(jié)構(gòu)還是評(píng)價(jià)已有土工結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文首先從試驗(yàn)出發(fā),以大連地區(qū)典型粉質(zhì)黏土為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)干濕循環(huán)前后不同初始干密度粉質(zhì)黏土在飽和條件下的固結(jié)不排水剪切特性進(jìn)行詳細(xì)分析,發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)對(duì)不同初始干密度土體的影響存在差異,指出進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)研究時(shí)必須考慮試樣的初始密實(shí)度；基于泥漿固結(jié)三軸試樣,研究了干濕循環(huán)對(duì)不同基質(zhì)吸力下非飽和土抗剪強(qiáng)度、臨界循環(huán)應(yīng)力和動(dòng)強(qiáng)度的影響；以干濕循環(huán)條件下非飽和土力學(xué)特性試驗(yàn)為基礎(chǔ),分析了干濕循環(huán)對(duì)非飽和土力學(xué)特性影響的機(jī)理,并通過(guò)電鏡掃描試驗(yàn)佐證了所提機(jī)理的合理性。其次,以下負(fù)荷面劍橋模型為基礎(chǔ)建立了超固結(jié)非飽和土的本構(gòu)模型,并對(duì)模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證,對(duì)干濕循環(huán)前后非飽和土的力學(xué)特性進(jìn)行模擬；結(jié)合孔隙介質(zhì)理論,推導(dǎo)了非飽和土的固-液-氣三相耦合有限元控制方程,并進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算。本文主要研究成果如下：(1)通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變控制式三軸剪切試驗(yàn)儀研究了干濕循環(huán)條件下不同初始干密度粉質(zhì)黏土試樣在飽和條件下的固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)特性,結(jié)果表明：干濕循環(huán)對(duì)土體的影響與土體的初始密實(shí)狀態(tài)有關(guān)。干濕循環(huán)使得初始干密度為1.61g/cm3的試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線由應(yīng)變硬化轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變軟化,孔隙水壓力的發(fā)展由先增加后減小轉(zhuǎn)變?yōu)榭讐撼掷m(xù)增長(zhǎng),干濕循環(huán)前后有效應(yīng)力路徑的發(fā)展趨勢(shì)發(fā)生了明顯變化。初始干密度1.71g/cm3和1.76g/cm3試樣干濕循環(huán)前后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線形式未發(fā)生明顯改變,干濕循環(huán)致使孔隙水壓力的峰值所有增加,剪切初始階段的有效應(yīng)力路徑位于未循環(huán)試樣的左側(cè)。干濕循環(huán)過(guò)程中粉質(zhì)黏土力學(xué)特性的變化與干燥應(yīng)力的大小有關(guān),干燥應(yīng)力越大,力學(xué)特性變化越明顯。由干濕循環(huán)前后土體的電鏡掃描試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),干濕循環(huán)導(dǎo)致土骨架的結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)變。干濕循環(huán)過(guò)程中試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整和基質(zhì)吸力的壓密作用使得土體的力學(xué)特性發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)的變化。在研究干濕循環(huán)條件下非飽和土的力學(xué)特性時(shí),有必要考慮初始密實(shí)度和干燥應(yīng)力對(duì)土體力學(xué)特性的影響。(2)基于非飽和土的孔隙結(jié)構(gòu)差異影響其平衡飽和度并改變其力學(xué)特性這一事實(shí),對(duì)泥漿固結(jié)制樣方法進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的方法能夠一次性制備數(shù)十個(gè)三軸試樣,確保多個(gè)試樣同時(shí)進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn),保證了后續(xù)非飽和土三軸試驗(yàn)的連續(xù)性,縮短了整個(gè)試驗(yàn)周期。通過(guò)對(duì)比多個(gè)試樣的干密度、含水率分布、顆粒分布曲線和土水特征曲線,系統(tǒng)地評(píng)價(jià)了泥漿固結(jié)試樣的均一性,表明改進(jìn)的泥漿固結(jié)方法能夠制備大量的均一性試樣,有效地降低了試樣差異性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,為后續(xù)的試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。(3)采用GDS非飽和土三軸儀和改進(jìn)的可控制吸力式C.K.C循環(huán)三軸儀對(duì)干濕循環(huán)條件下的非飽和粉質(zhì)黏土進(jìn)行了常吸力下的三軸排水剪切試驗(yàn)和動(dòng)三軸試驗(yàn),探討了干濕循環(huán)對(duì)非飽和土抗剪強(qiáng)度、臨界動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)強(qiáng)度等的影響。結(jié)果表明：干濕循環(huán)后非飽和土的初始剪切剛度、臨界動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)強(qiáng)度明顯增大,但這種增長(zhǎng)隨基質(zhì)吸力的增大而減小。(4)從理論與試驗(yàn)相結(jié)合的角度分析了干濕循環(huán)對(duì)非飽和土力學(xué)特性影響的機(jī)理,即飽和條件下干濕循環(huán)對(duì)土體力學(xué)特性的影響主要取決于干濕循環(huán)過(guò)程中試樣的密實(shí)度變化和微裂隙的開展程度兩方面,最終的表現(xiàn)取決于這兩方面所占的權(quán)重；而在分析干濕循環(huán)對(duì)非飽和土力學(xué)特性的影響時(shí)則應(yīng)同時(shí)考慮密實(shí)度變化、微裂隙開展以及飽和度變化三方面的作用。干濕循環(huán)前后的電鏡掃描試驗(yàn)結(jié)果佐證了所提機(jī)理的合理性。(5)基于下負(fù)荷面劍橋模型,采用平均骨架應(yīng)力,引入有效飽和度作為自變量,假設(shè)非飽和土的壓縮曲線的斜率為有效飽和度的函數(shù),建立了超固結(jié)非飽和土的本構(gòu)模型。該模型能夠較好地描述正常固結(jié)、超固結(jié)的飽和及非飽和土的力學(xué)特性,同時(shí)能夠描述非飽和土的循環(huán)加載特性。通過(guò)對(duì)不同初始超固結(jié)度下的非飽和排水、不排水三軸試驗(yàn)進(jìn)行模擬,驗(yàn)證了模型的有效性。采用該模型對(duì)干濕循環(huán)前后非飽和土的三軸試驗(yàn)進(jìn)行模擬,取得了良好的效果。(6)以多相孔隙介質(zhì)理論和連續(xù)介質(zhì)理論為基礎(chǔ),結(jié)合超固結(jié)非飽和土本構(gòu)模型,從一些基本的假設(shè)出發(fā),嚴(yán)格推導(dǎo)了非飽和土的三相耦合控制方程。通過(guò)引入附加假設(shè),對(duì)控制方程進(jìn)行簡(jiǎn)化,最后得到了u3-pa-pw格式的三相耦合控制方程,并推導(dǎo)了該控制方程的有限元格式。通過(guò)Fortran語(yǔ)言進(jìn)行編程將該模型引入到三相耦合數(shù)值分析平臺(tái)中,建立了考慮超固結(jié)效應(yīng)的三相耦合有限元程序,并分析了干濕循環(huán)引起的土水特征曲線變化對(duì)土壩滲流的影響,為研究干濕循環(huán)條件下非飽和土壩的滲流奠定了基礎(chǔ)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TU43

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1480912