周期性饱水砂泥岩混合料的三轴强度变形特性及其劣化模型研究

发布时间：2018-10-11 09:58

【摘要】：在长江上游地区的各类工程建设中,就地取材的砂泥岩混合料常用作建筑填料。当用于库岸、堤坝等涉水工程中时,砂泥岩混合料可能经受周期性饱水作用。周期性饱水作用将劣化砂泥岩混合料,严重时可能导致结构物发生变形、开裂甚至失稳。研究周期性饱水作用下砂泥岩混合料的强度、变形特性及其劣化规律,是具有重要的科学意义和工程实用价值的。本文依托国家自然科学基金面上项目“周期性饱水砂泥岩混合料的劣化机理及其演化过程(编号:51479012)”,在研究周期性饱水砂岩、泥岩的强度变形特性的基础上,以泥岩颗粒百分含量20%的砂泥岩混合料为主要研究对象,采用自主研发的粗粒土各向异性渗透仪和周期性饱水砂泥岩混合料的“饱水疏干”试验方法,揭示了砂泥岩混合料的各向异性渗透特性、周期性饱水作用下的强度与变形特性、建立了劣化模型,并探讨了劣化机理。本文取得的主要研究成果如下:(1)揭示了周期性饱水作用下砂岩、泥岩的吸水、强度及变形特性,揭示了吸水率、单轴抗压强度和弹性模量的变化规律。周期性饱水岩石的吸水率变化速率与岩石的风化程度和力学性质有关。泥岩的吸水率变化速率比砂岩的大。采用单轴压缩试验研究了周期性饱水砂岩、泥岩的单轴抗压强度和弹性模量劣化规律及演化方程,在此基础上,分析了砂岩和泥岩的单轴抗压强度及弹性模量劣化速率。(2)揭示了砂泥岩混合料的各向异性渗透特性,提出了砂泥岩混合料的周期性饱水试验方法。克服了粗粒土各向异性渗透系数测试方法的缺陷,研制了粗粒土各向异性渗透仪,并研究了级配、干密度及泥岩含量对砂泥岩混合料的各向异性渗透系数和临界水力梯度的影响,研究了不同围压下砂泥岩混合料试样的饱和度与水头为1m的垂直渗透饱和时间的关系。研制了一套温度、压力可控的气体加热装置,研究了不同围压下三轴试样的饱和度与通气干燥时间的关系。在此基础上,提出了周期性饱水砂泥岩混合料的“饱水”和“疏干”试验方法。(3)揭示了周期性饱水砂泥岩混合料的三轴强度与变形特性,建立了强度和变形指标的演化方程。基于周期性饱水砂泥岩混合料的“饱水疏干”试验方法,开展了不同围压、不同应力水平、不同饱水循环次数下的砂泥岩混合料三轴剪切试验,获得了周期性饱水砂泥岩混合料的应力应变曲线、轴向应变、体积应变、非线性强度、弹性模量等试验成果;分析了周期性饱水砂泥岩混合料轴向应变、体积应变、非线性强度、弹性模量及残余系数的劣化规律,并建立了其演化方程;建立了轴向应变、体积应变及割线模量的劣化速率归一化公式。根据周期性饱水砂泥岩混合料强度及变形的演化方程,年调节库区的砂泥岩混合料填筑工程的强度及变形的变化在竣工后的前5年应引起重视。(4)提出了周期性饱水砂泥岩混合料的非线性微元强度统计损伤模型和应变软化统计损伤模型,验证了模型的可靠性,并分析了其适用性。引入非线性强度理论及统计损伤理论,建立了土体非线性微元强度统计损伤模型;基于轴向应变的损伤变量演化方程和改进的土体“二元介质”模型,建立了土体应变软化统计损伤模型;结合周期性饱水砂泥岩混合料的轴向应变、体积应变、非线性强度、割线模量及残余系数的演化方程,建立了周期性饱水砂泥岩混合料的非线性微元强度统计损伤模型及应变软化统计损伤模型。通过与试验结果对比,分析了两种模型在不同围压、不同应力水平、不同周期性饱水循环次数下的模拟效果,验证了模型的可靠性,并分析了其适用性。(5)获得了砂泥岩混合料在周期性饱水三轴试验中的颗粒破碎规律,揭示周期性饱水砂泥岩混合料的劣化机理。结合周期性饱水砂泥岩混合料的三轴剪切试验进行了颗粒破碎试验,研究了周期性饱水砂泥岩混合料在不同围压、应力水平、不同循环次数条件下的颗粒破碎规律;分析了周期性饱水砂泥岩混合料轴向应变、体积应变与颗粒破碎率的关系,发现轴向应变、体积应变与颗粒破碎率之间有较强的相关性;基于颗粒破碎的能量分析,发现颗粒破碎率与呈幂函数关系,与颗粒破碎能呈双曲线关系;从颗粒破碎、颗粒重排列所引起的体缩和体胀方面,揭示了周期性饱水砂泥岩混合料的变形劣化机理;从颗粒破碎、颗粒重排列和颗粒滑动所引起的内摩擦角分量方面,揭示了周期性饱水砂泥岩混合料的强度劣化机理。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV41

【参考文献】