人工制备结构性土率敏性试验及其流变本构模型研究

发布时间：2021-04-10 21:38

随着社会的发展和国民经济的快速增长,中国的城市化进程已经愈来愈快,伴随着城市化进程涌现出大量的摩天大楼、地下交通系统、地下商场等超大型工程建设。尤其在经济快速发展的东部沿海地区,该地区分布着广泛的软粘土地层,受地理条件的限制不得不将大型建筑物建设在这类软土基础上。天然软土由于其具有特有的结构性(高含水率、大孔隙和压缩变形量大)导致地基排水固结慢、稳定性差和沉降问题等工程问题,同时软粘土在荷载作用下表现出突发性的破坏往往会给工程造成极大危害。如何表征结构性软土的物理力学特性,并以此为基础有效计算和预测软土工程的施工和工后沉降仍是工程建设难题。其中,建立能够反映结构性软土的结构性特征及时间相依性的基于上下负荷面的弹粘塑性本构模型被认为是解决这一问题的有效途径。基于此,论文的主要工作包括以下几个方面:(1)针对大孔隙和胶结作用两个特征,利用原料土、高岭土、水泥和盐室内人工制备结构性土。对试样进行一维固结和SEM扫描电镜试验,验证试样具有一定结构性特征并得到相应的压缩指数、回弹指数和结构性屈服应力,为建立结构性土的弹粘塑性本构模型提供基础。(2)改变原料配比,通过控制盐和水泥的含量得到不同孔隙比和胶结作用的人工制备结构性土试样,在三种试验围压(50kPa、100kPa和200kPa)条件下进行加载速率为0.07mm/min的固结不排水三轴剪切压缩试验,探究了结构性特征(孔隙比和胶结作用)对结构性土的强度变形、孔隙水压力以及应力路径的影响,得到相应的抗剪强度指标。(3)对三种不同结构性特征的人工制备结构性土试样进行三种不同加载速率(0.007mm/min、0.07mm/min和1mm/min)以及不用围压(50kPa、100kPa和200kPa)条件下的固结不排水三轴剪切压缩试验,探究了结构性特征对应变速率效应的影响。(4)以Asaoka和Hashiguchi的上下负荷面作为某一应变速率下的参考屈服面,按照相对过应力的基本思路,新引入了两个能通过不同应变速率三轴压缩实验测定的率敏性参数0c和m?,建立了一种能够考虑结构性土应力-应变特性和率敏性的弹粘塑性本构模型。通过对结构性土的剪切蠕变试验验证,表明提出的模型能够较好的表征结构性土的结构性特征、应变软化和率敏性等特征,为软土工程的数值计算奠定了基础。(5)以日本佑贺市有明海岸公路路堤工程为依托,采用修正剑桥模型和提出的结构性土弹粘塑性本构模型分别表征地基软土。通过ABAQUS数值计算,结合现场观测结果,后者能够有效的预测路堤的长期沉降,为工后沉降控制提供指导,同时验证了本构模型的正确性。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU43

文章目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.2.1 考虑结构性的弹塑性本构模型

1.2.2 考虑结构性的流变本构模型

1.2.3 天然结构性软土的宏微观实验

1.3 现有研究存在的问题

1.4 主要研究内容

第2章人工制备结构性土制备方案

2.1 引言

2.2 原料土的基本物理力学性质试验

2.2.1 比重试验

2.2.2 界限含水率试验

2.2.3 原料土的基本物理性质指标

2.3 试样的制备

2.4 一维固结试验

2.5 SEM扫描电镜试验

2.6 本章小结

第3章人工制备结构性土结构性特征试验

3.1 引言

3.2 试验设备与步骤

3.2.1 DYNTTS系统

3.2.2 GDSLAB控制和数据采集

3.2.3 试验操作步骤

3.3 不同孔隙比对结构性特征的影响

3.3.1 试验方案

3.3.2 试验结果分析

3.3.3 归一化处理分析

3.4 不同胶结作用对结构性特征的影响

3.4.1 试验方案

3.4.2 试验结果分析

3.4.3 归一化处理分析

3.5 结构性土试样破坏形式

3.6 本章小结

第4章人工制备结构性土率敏性三轴试验

4.1 引言

4.2 结构性土率敏性三轴试验

4.2.1 试验方案

4.2.2 试验结果分析

4.2.3 归一化处理分析

4.3 本章小结

第5章结构性土弹粘塑性本构模型及验证

5.1 引言

5.2 结构性土弹粘塑性本构模型

5.2.1 过应力理论基本概念

5.2.2 相对过应力函数

5.2.3 基于上下负荷面的动屈服准则函数

5.3 含率敏性的应力积分算法

5.3.1 粘塑性应变积分

5.3.2 弹性预测及粘塑性应力修正

5.3.3 迭代确定粘塑性偏应变增量

5.4 结构性土结构性特征试验和率敏性试验表征

5.4.1 模型参数

5.4.2 结构性特征试验预测

5.4.3 结构性土率敏性试验预测

5.5 结构性土蠕变特性验证

5.5.1 蠕变试验方案

5.5.2 蠕变试验结果和模型验证

5.6 本章小结

第6章基于弹粘塑性本构模型的软土路堤工后沉降数值分析

6.1 引言

6.2 软土路堤工后沉降的数值模拟

6.2.1 有限元模型建立

6.2.2 有限元模型参数

6.3 数值模拟结果及分析

6.3.1 软土基底沉降分析

6.3.2 地基软土水平侧移分析

6.4 本章小结

第7章总结与展望

7.1 主要结论

7.2 展望

参考文献

致谢

个人简历及在学期间的研究成果

【参考文献】