颗粒介质接触应力网格测试及拱效应特性研究

发布时间：2017-12-24 14:26

本文关键词：颗粒介质接触应力网格测试及拱效应特性研究　出处：《华南理工大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：土是岩石经风化作用,由重力、流水和风力等搬运和沉积而成的产物,是一种由矿物颗粒、液体和气体三相物质组成的、具有结构性复杂多变的离散颗粒材料,但岩土体被当作连续介质来研究已有近200年的历史,且基于弹性力学、塑性力学及流体力学等发展了可广泛应用于工程实际的经典土力学理论体系,可用于解释和分析绝大多数岩土力学问题。但是至今仍有众多现有理论无法有效解释的现象,如泥石流、河道淤塞、剪胀剪缩现象、土拱效应等,其主要原因在于传统土力学忽略了土体的颗粒性和结构性特征,把土体介质处理成均匀连续介质,从而湮灭了颗粒性和结构性导致的非连续性、非线性以及多尺度特性等。因此众多学者认为从颗粒尺度重新认识岩土材料是岩土力学研究领域变革及继续发展的关键。颗粒介质的离散性质造成其与连续体材料在外部荷载作用下的力学响应有很大不同,其中颗粒材料内部“应力网格”及“拱效应”特性是其主要区别,“应力网格”是指材料内部应力局部化造成的强弱力链不均匀分布现象,“拱效应”主要是由于颗粒与颗粒直接搭接形成的应力屏蔽效应,这两种特性都会对颗粒材料的整体变形及宏观强度产生巨大影响。因此本文通过对“应力网格”和“拱效应”特性产生过程及分布特征的研究,探索颗粒介质在准静态荷载作用下细观层次的力学响应,同时模拟岩土工程中的“土拱效应”现象,为岩土工程的基础理论创新与发展提供指导与借鉴。在前人研究的基础上借助于光弹实验法的应力可视化优点,通过研究加工出的小粒径光弹颗粒和自制的加载装置,探索颗粒介质在压缩、剪切及其共同作用下表现的应力屏蔽效应、剪切带的形成、剪胀与剪缩等现象。结合数字图像处理技术,通过光弹颗粒材料彩色条纹梯度值与接触力大小的函数关系,研究颗粒材料内部的几何及力学特性。然后将上述研究方法其应用于岩土工程中广泛存在的土拱效应问题,从颗粒尺度重新认识土拱的形成过程、演化机理、形状变化等。本文的主要研究工作及结论如下:(1)探索研究出三种小粒径光弹颗粒成型方法及针对不同粒径、考虑热辐射后的颗粒退火曲线,设计研制了一种适用于本课题研究的加载装置,能够进行平面光弹压缩试验、剪切试验以及结合相关工程结构进行模拟试验,实现颗粒体系内部粒间力传递的可视化。(2)采用光弹颗粒材料的应力网格可视化实验,发现颗粒介质内部应力传递与基于连续体假设的材料内部应力分布有很大不同,颗粒材料内部形成非均匀的应力网格分布形式,有强力链及弱力链之分,表现出更加明显的局部化特征。基于力链网格形成的颗粒体系的研究基础上,定义一种新的多尺度划分方法:微观尺度的颗粒单体、细观尺度的力链屏蔽圈网格、宏观层次的颗粒体系。(3)应用颗粒几何接触角和强力链接触角为衡量参数,分析颗粒介质内部的几何及力学变化特性。初始无荷载状态下,颗粒的几何接触角并不是各向均匀分布的,在六个方向上频率较大,呈现“六角形”分布形状,表现出明显的初始各向异性,说明颗粒材料在细观层次的各向异性是颗粒材料的本质属性。(4)将颗粒材料的光弹实验法应用于岩土工程中常见的应力土拱效应的研究中,定义了土拱形成的判定标准。随着填土高度的增加,土拱由三角拱向半圆拱或梯形拱过渡。荷载的大小变化不会影响土拱效应的出现,但会极大的影响土拱的结构形状。随着桩距比的增加,土拱效应会逐渐消失。(5)高跨比是影响土拱形成的重要因素,当高跨比H/S小于1时,无法形成土拱效应。本文采用MATLAB图像处理软件编制的界面程序StressDisplacement、ForceChain可以实现光弹实验结果的自动化处理。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU43

【相似文献】