基于有限元计算细观力学的泥化夹层宏观峰值强度预测方法研究

发布时间：2017-10-04 05:09

  本文关键词：基于有限元计算细观力学的泥化夹层宏观峰值强度预测方法研究

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【摘要】：泥化夹层作为顺层边坡中常见的软弱夹层之一,其物理力学性能极大的影响着整体边坡的稳定性。但由于其成因及依附环境的原因,其性能指标一般情况下远远小于边坡体的整体性能,因此,泥化夹层的强度是边坡稳定与否的重要影响因素。当前泥化夹层的强度研究多集中于室内宏观试验,并获得了一定的成果。但大多数泥化夹层由于地质条件等原因,其厚度无法满足室内宏观室内实验的要求,并且泥化夹层的宏观强度又受制于其细观结构及缺陷,因此,将泥化夹层作为均质介质体分析其强度及应力应变关系时,无法准确的反应微细观参量对其整体强度的影响,故存在一定的不足。鉴于此,从细观尺度入手,将泥化夹层看做作是孔隙-基质复合材料,通过考虑泥化夹层细观结构特点,然后结合室内试验,并运用有限元计算细观力学分析孔隙及基质体之间的相互影响作用,达到预测其强度的目的,主要研究内容、方法包含以下几个方面：(1)通过SEM环境扫描电镜获取泥化夹层细观组构特性,运用图像处理软件MATLAB及WINTOPO对泥化夹层的黏土基质体-孔隙进行分割,提取孔隙率及基质体的矢量边界,形成一种从SEM图像到可编辑数字图像的简化方法。(2)分析泥化夹层细观组构图像,考虑细观孔隙的大小及分布情况,结合细观力学中对复合材料夹杂体的基本假设,将泥化夹层细观结构进行分类、简化,建立一条从无序夹杂图像转换到有限元数值模型图像的新途径。(3)通过室内单轴压缩试验获取泥化夹层的变形模量,同时运用白光三维应变测量技术获取泥化夹层在外力作用下的应变发展,确定其破坏应变值。然后通过细观力学M-T法及混合定律反分析泥化夹层黏土基质体的有效模量及泊松比,完成从宏观综合体到细观基质体参数的转化,并完成泥化夹层应变破坏准则的建立。(4)采用有限元软件ANSYS建立细观尺度下泥化夹层数值模型,分析在极限弹性应变条件下,泥化夹层内应力的分布情况及孔隙对泥化夹层极限强度的影响。通过数值模型模拟室内单轴压缩作用下泥化夹层的应变发展,结合定义的应变破坏准则,确定泥化夹层峰值强度,与室内试验进行对比,分析数据及模型的合理性。然后对泥化夹层数值模型进行剪切试验,获取竖向应力与剪应力之间的关系曲线。本论文通过考虑泥化夹层细观组构特点,运用细观力学理论,结合室内试验及有限元等方法,探索得出一条从细观角度分析泥化夹层峰值强度的路径,即：综合体参数(E、v)获取—基质体参数(E、v)反分析—细观组构等效简化—应变破坏准则建立—峰值强度确定。从而避免了因将泥化夹层看做是均质体而忽略其内部的微信息对泥化夹层强度的影响。
【关键词】：边坡 泥化夹层 细观力学 细观结构 有限元 峰值强度
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU43
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-20
• 1.1 研究目的及意义8-9
• 1.2 研究现状9-16
• 1.2.1 细观力学的研究与应用9-12
• 1.2.2 泥化夹层的研究现状12-13
• 1.2.3 有限元计算细观力学在岩土体工程中的应用13-16
• 1.3 本文的研究内容及方法16-17
• 1.3.1 本文的研究内容16
• 1.3.2 本文的研究方法16-17
• 1.4 本文的技术路线17-19
• 1.5 本文的创新点19-20
• 第二章 泥化夹层基质体力学参数E、v的确定20-38
• 2.1 概述20
• 2.2 泥化夹层孔隙基质综合体参数E、v的获取20-30
• 2.2.1 泥化夹层采样20-22
• 2.2.2 泥化夹层变形模量的获取22-24
• 2.2.3 泥化夹层泊松比的计算24-28
• 2.2.4 泥化夹层弹性模量的确定28-30
• 2.3 泥化夹层基质体细观参数E、v反分析30-36
• 2.3.1 Eshelby’s理论30-32
• 2.3.2 Miri-Tanaka方法32-33
• 2.3.3 两相复合材料有效弹模的推导33-35
• 2.3.4 泥化夹层基质体有效弹模及有效泊松比反算35-36
• 2.4 本章小结36-38
• 第三章 细观尺度下泥化夹层组构等效简化方法38-52
• 3.1 概述38
• 3.2 泥化夹层细观组构特征38-41
• 3.2.1 泥化夹层细观组构提取38-39
• 3.2.2 泥化夹层细观组构矢量化39-41
• 3.3 泥化夹层细观组构等效简化41-51
• 3.3.1 简化原则的定义41-42
• 3.3.2 图片划分及结构分类42-51
• 3.4 小结51-52
• 第四章 不同简化原则下空隙对泥化夹层性能的影响52-66
• 4.1 概述52
• 4.2 孔隙百分比对泥化夹层内应力的影响52-65
• 4.2.1 泥化夹层孔隙含量分析52-53
• 4.2.2 ANSYS单元的选取53-58
• 4.2.2.1 PLANE183单元说明53-54
• 4.2.2.2 PLANE183输入数据54-55
• 4.2.2.3 PLANE183输出数据55-57
• 4.2.2.4 PLANE183假设和限制57-58
• 4.2.3 极限弹性应变条件下孔隙对泥化夹层最大内应力的影响58-63
• 4.2.4 极限弹性应变条件下孔隙对泥化夹层有效应力的影响63-65
• 4.3 本章小结65-66
• 第五章 破坏准则的确定66-74
• 5.1 概述66
• 5.2 材料的破坏与屈服66-68
• 5.3 泥化夹层的变形实验研究68-73
• 5.3.1 泥化夹层原样土加载试验68-69
• 5.3.2 泥化夹层应变分析69-72
• 5.3.3 破坏带泥化夹层应变值分析72-73
• 5.4 小结73-74
• 第六章 泥化夹层峰值强度研究74-87
• 6.1 概述74
• 6.2 100um*100um尺度下泥化夹层峰值强度研究74-86
• 6.2.1 坐标系的转化74-76
• 6.2.2 100um尺度下泥化夹层数值模型的建立76-78
• 6.2.3 泥化夹层峰值压缩强度78-84
• 6.2.4 泥化夹层峰值剪切强度84-86
• 6.3 小结86-87
• 第七章 结论与展望87-89
• 7.1 主要结论87
• 7.2 工作展望87-89
• 致谢89-90
• 参考文献90-96
• 攻读硕士期间发表的论文及科研成果96

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本文编号：968770