發(fā)布時(shí)間：2020-05-27 16:13

【摘要】：凍土作為寒區(qū)建筑物的基礎(chǔ)和土工構(gòu)筑物的主體,不僅要承受持續(xù)恒定的靜荷載作用,還會(huì)受到由列車或汽車引起的振動(dòng)荷載作用。然而,凍土作為一種由固體礦物顆粒、冰晶體、未凍水及氣體組成的多相結(jié)構(gòu)體系,其力學(xué)性質(zhì)對(duì)溫度、含水率和外部營(yíng)力及其歷時(shí)非常敏感。因此,深入研究?jī)鐾猎陟o、動(dòng)荷載作用下的力學(xué)行為及其變化規(guī)律,對(duì)凍土工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。鑒于此,本論文通過(guò)開(kāi)展一系列的靜、動(dòng)三軸試驗(yàn),系統(tǒng)研究了凍結(jié)粉質(zhì)黏土的變形特性、強(qiáng)度特性、動(dòng)力學(xué)特性及動(dòng)蠕變規(guī)律,并基于試驗(yàn)結(jié)果建立了凍結(jié)粉質(zhì)黏土的強(qiáng)度準(zhǔn)則、各向異性彈塑性本構(gòu)模型及分?jǐn)?shù)階非定常動(dòng)蠕變模型。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和研究成果包括以下幾部分:(1)在不同初始含水率和不同圍壓的條件下對(duì)-6℃的凍結(jié)青藏粉質(zhì)黏土進(jìn)行了一系列三軸剪切試驗(yàn),分析初始含水狀態(tài)對(duì)凍土變形和強(qiáng)度的影響規(guī)律,結(jié)果表明:當(dāng)初始含水率較低時(shí),隨著圍壓的增大,凍結(jié)粉質(zhì)黏土相繼出現(xiàn)應(yīng)變軟化和應(yīng)變硬化的特征;當(dāng)初始含水率大于16%時(shí),其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系主要呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化的特征。同時(shí),凍結(jié)粉質(zhì)黏土的初始切線模量隨圍壓的增大逐漸呈現(xiàn)出拋物線形分布,且隨著初始含水率的增大,初始切線模量隨圍壓先增大后減小的趨勢(shì)越為明顯。此外,凍結(jié)粉質(zhì)黏土的強(qiáng)度隨圍壓的變化規(guī)律呈現(xiàn)出3種形式:當(dāng)初始含水率為12.5%時(shí),表現(xiàn)為非線性增大的趨勢(shì);當(dāng)初始含水率為14%和16%時(shí),強(qiáng)度隨圍壓的增大表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì);當(dāng)初始含水率增大到18%和20%時(shí),強(qiáng)度隨圍壓的增大基本保持不變。(2)對(duì)-6℃的凍結(jié)黃土在1-15 MPa的圍壓范圍內(nèi)進(jìn)行了一系列三軸剪切試驗(yàn),結(jié)果表明:隨著圍壓的增大,凍結(jié)黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線相繼表現(xiàn)出應(yīng)變軟化和應(yīng)變硬化特征,初始切線模量隨圍壓的增大總體呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。此外,凍結(jié)黃土的強(qiáng)度隨圍壓的增大表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。(3)為了描述凍土強(qiáng)度隨圍壓的非線性變化規(guī)律,根據(jù)包絡(luò)線定理,在?-?平面建立了非線性莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則,該準(zhǔn)則可以較好地反映凍結(jié)粉質(zhì)黏土和凍結(jié)黃土的強(qiáng)度隨圍壓先增大后減小的非線性變化現(xiàn)象。(4)針對(duì)不同初始含水率下凍結(jié)粉質(zhì)黏土的強(qiáng)度特征,引入修正有效靜水壓力的表達(dá)式來(lái)表示強(qiáng)度準(zhǔn)則在子午面上的非線性曲線方程,結(jié)合Lade-Duncan強(qiáng)度準(zhǔn)則構(gòu)建了π平面的破壞形狀函數(shù)g(_??),并建立了復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下能夠有效反映受靜水壓力、初始含水率及壓融影響的凍結(jié)粉質(zhì)黏土的強(qiáng)度準(zhǔn)則。(5)通過(guò)三軸剪切加卸載試驗(yàn)和各向等壓加卸載試驗(yàn)獲得了凍結(jié)粉質(zhì)黏土的彈性參數(shù)。結(jié)合三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果,基于彈塑性本構(gòu)理論,提出考慮有效靜水壓力修正的屈服函數(shù),采用非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則并提出塑性勢(shì)函數(shù)。同時(shí),考慮凍結(jié)粉質(zhì)黏土初始各向異性特性和剪切加載下應(yīng)力誘導(dǎo)的顆粒旋轉(zhuǎn),提出了等向硬化和旋轉(zhuǎn)硬化的雙硬化準(zhǔn)則,以此建立了適合于凍結(jié)粉質(zhì)黏土的各向異性彈塑性本構(gòu)模型,并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明,本論文建立的模型能夠較好地描述凍結(jié)粉質(zhì)黏土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。(6)在分級(jí)加載和恒應(yīng)力幅值加載兩種條件下對(duì)凍結(jié)粉質(zhì)黏土進(jìn)行了一系列低溫動(dòng)三軸試驗(yàn),研究?jī)鼋Y(jié)青藏粉質(zhì)黏土動(dòng)力特性的變化規(guī)律。分級(jí)加載動(dòng)三軸結(jié)果表明:凍結(jié)粉質(zhì)黏土的動(dòng)彈性模量隨動(dòng)應(yīng)力幅的增大非線性減小;阻尼比隨動(dòng)應(yīng)變幅的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì);滯回曲線面積隨動(dòng)應(yīng)變幅的增大呈非線性增大的趨勢(shì);相比H-D模型,采用M-D模型可以較好地模擬凍結(jié)粉質(zhì)黏土骨干曲線在高動(dòng)應(yīng)變幅下的軟化現(xiàn)象。恒應(yīng)力幅值加載動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果表明:凍結(jié)粉質(zhì)黏土累積塑性應(yīng)變隨振次的變化曲線呈現(xiàn)出三種曲線形態(tài):穩(wěn)定型、臨界型和破壞型,并獲得了不同圍壓下凍結(jié)粉質(zhì)黏土的臨界動(dòng)應(yīng)力;此外,從試驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn),凍結(jié)粉質(zhì)黏土的動(dòng)強(qiáng)度隨破壞振次的增大而減小,且隨著圍壓的增大,動(dòng)強(qiáng)度隨破壞振次增大而降低幅度逐漸減弱。(7)結(jié)合凍結(jié)粉質(zhì)黏土動(dòng)蠕變曲線的三階段特征,基于分?jǐn)?shù)階微積分理論,在動(dòng)蠕變模型中引入了Abel黏壺,同時(shí)考慮當(dāng)動(dòng)應(yīng)力超過(guò)臨界動(dòng)應(yīng)力時(shí)蠕變參數(shù)的非定常性,建立了凍結(jié)粉質(zhì)黏土的分?jǐn)?shù)階非定常動(dòng)蠕變模型,并對(duì)模型的有效性及合理性進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明,本論文建立的動(dòng)蠕變模型可以同時(shí)描述凍結(jié)粉質(zhì)黏土動(dòng)蠕變曲線的三個(gè)階段,且與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。
【學(xué)位授予單位】：蘭州交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TU41

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