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《南京水利科学研究院》 2001年
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结构性粘土的微观变形机理和弹粘塑损伤模型研究

何开胜  
【摘要】: 本文调查了天然粘土中存在的结构性,应用大变形有限元法模拟了土颗粒 骨架在内部分子吸力和电荷斥力以及外部荷载作用下的变形和蠕变机理,在此 基础上建立了考虑天然粘土变形过程中结构性不断受损的弹粘塑损伤模型,并 进行了室内和现场试验,论证了模型的有效性。 天然沉积粘土都具有一定的结构性(组构和胶结)和结构强度。大多数天然 粘土的沉积压缩曲线位于重塑土固有压缩曲线的上方,其位置取决于沉积条件 和沉积后的作用。天然粘土的沉积压缩曲线、重塑土的压缩曲线可以用孔隙指 数来归一化,它清晰地显示出结构性土和重塑土的内在差别。重塑土反映了土 体与自然状态无关的“固有特性”,它提供了一个评估原位自然沉积粘土特性 的参考构架。从固结仪压缩曲线更可反映土体受荷后结构性的渐进破坏过程。 考虑小变形分析法在吹填土、软土地基和大位移问题上的局限性,从非线 性连续介质力学出发,采用Jaumann应力率和Boit平面固结理论,推导了大变 形本构方程。编制了大变形有限元分析程序,比较了大变形Lagrange法(TL和 UL法)与小变形法的差异。结果表明:当应变小于7%时两者差异很小,只有 在应变大于10%时才显示出愈来愈大的差异,这时用小变形法分析会大大高估 地基的沉降值;大、小变形法的孔降水压力在应变较小时同步,在应变较大时 并不同步,特别是TL法,故大小变形计算法的最终沉降比较应针对完全排水 情况才有意义。大变形控制方程是高度非线性方程,经过线性化后,必须使用 很小的时间步长,才能取得合理的计算精度和沉降结果。 为了解决大变形条件下多个物体间任意接触、滑移和旋转的模拟问题,提 出了点面接触单元。将其与更新的Lagrange大变形有限元法相结合,可以很好 的模拟微观土颗粒接触面的胶结、滑动、脱开,新接触的形成和老接触的转向。 然后,用大变形有限元这个工具,研究了土颗粒骨架在双电层的物理化学力和 外加荷载作用下的变形过程,揭示了结构性土体发生变形、破坏和蠕变的微观 内在机理,为建立结构性土的本构模型提供微观基础。 针对过去用重塑土试验建立的本构模型,没能考虑天然土体中存在的结构 性,没有描述结构性土从天然原状到加荷破坏的这一过程,建立了一个描述结 构性土的弹粘塑损伤模型和参数确定方法。通过对室内试验的数值模拟表明, 提出的弹粘塑损伤本构模型能模拟结构性粘土的拟超固结现象,加荷过程中的 变形和孔压,排水蠕变和不排水蠕变,计算结果与试验值符合较好,初步验证 了模型的有效性。 对长江下游河漫滩深厚软土地基进行了堆土预压试验。预压前在地基中埋 设了沉降标、深层沉降管、测斜管、孔隙水压力计等土工观测仪器,堆土预压 过程中对地基的变形和孔隙水压力进行全面观测,以及预压后长达3年的流变 观测,为模型的工程验证提供了实测资料。堆土预压试验还表明,对26m厚淤 泥质粘土用30m深的塑料排水板是可行的。 编制了结构性粘土的弹粘塑损伤模型有限元程序,对深厚软土地基堆土预 压工程进行了数值模拟验证。通过现场钻孔取土和室内外试验,确定了淤泥质 粘土层的弹粘塑性损伤模型参数;计算结果与观测结果的一致性表明,建立的 弹粘塑损伤模型能很好反映结构性粘上的加荷变形、固结变形和蠕变变形,可 用于结构性粘土的工程设计、计算和流变预测。 本项研究由国家自然科学基金资助(批准号:19772019)
【学位授予单位】:南京水利科学研究院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2001
【分类号】:TU442

【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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10 王志俭;殷坤龙;简文星;;万州区红层软弱夹层蠕变试验研究[A];第九届全国岩土力学数值分析与解析方法讨论会论文集[C];2007年
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【同被引文献】
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中国重要会议论文全文数据库 前7条
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【二级引证文献】
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9 娄世飞;于远忠;;某白灰厂滑坡变形机制研究[J];四川建筑科学研究;2006年02期
10 徐刚;方磊;胡伍生;;渝湛高速公路击实膨胀土膨胀特性研究[J];山西建筑;2006年23期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 刘钢;苑世剑;黄少东;唐全波;;环形件摆动辗压变形机理有限元分析[A];制造业与未来中国——2002年中国机械工程学会年会论文集[C];2002年
2 蒋明镜;沈珠江;严丽雪;;人工制备结构性粘土性质研究[A];岩土力学的理论与实践——第三届全国青年岩土力学与工程会议论文集[C];1998年
3 温世游;陈云敏;;钻孔灌注桩变形机理的理论分析和数值模拟[A];中国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集(下册)[C];2003年
4 王正道;汪越胜;;形状记忆聚合物复合材料变形机理及在空间展开技术中的应用[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(下)[C];2007年
5 祁方坤;赵祉君;;应用围岩松动圈理论支护特大断面硐室[A];2005年度山东煤炭学会优秀学术论文集[C];2005年
6 范爱玲;高红叶;田文怀;孙起;;电铸超细晶Cu超高速变形机理的TEM研究[A];第十二届全国电子显微学会议论文集[C];2002年
7 尚彦军;刘英;杨志法;;五强溪水电站左岸船闸边坡变形规律探讨[A];岩石力学理论与工程实践[C];1997年
8 王世梅;王伟;田斌;;清江水布垭古树包滑坡变形机理研究[A];岩石力学新进展与西部开发中的岩土工程问题——中国岩石力学与工程学会第七次学术大会论文集[C];2002年
9 马威;王海波;;减少和避免钢坯在R_1机架轧制时扣头研究[A];中国金属学会第一届青年学术年会论文集[C];2002年
10 林刚;张志霞;沈继程;;双相不锈钢热变形裂纹形成过程[A];2007中国钢铁年会论文集[C];2007年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 蔡湛 徐红;茂名乙烯专用料开发步步领先[N];中国石化报;2004年
2 蔡湛 李海;茂名乙烯专用料新品迭出卖得俏[N];中国石化报;2002年
3 蔡湛 张东林;茂名乙烯专用料成增效亮点[N];中国石化报;2003年
4 蔡湛;茂名乙烯专用料两月创效六千万[N];中国石化报;2004年
5 云子;挑选复合木地板附料搭配有讲究[N];中华工商时报;2001年
6 ;大型岩体工程稳定性关键技术获重要进展[N];科技日报;2003年
7 辛华;岩体工程稳定性出成果 混凝土导电技术有新招[N];中华建筑报;2003年
8 张晓冬 阳雄 郑明朗;陈正汉:厚木板钻二十年[N];科技日报;2003年
9 黄寰;做精研材料大文章[N];科技日报;2005年
10 黄璜;西南石油局博士后科研工作站5名博士出站[N];中国石化报;2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 何开胜;结构性粘土的微观变形机理和弹粘塑损伤模型研究[D];南京水利科学研究院;2001年
2 陈铁林;结构性粘土本构模型与参数测定研究[D];南京水利科学研究院;2001年
3 张永波;老采空区建筑地基稳定性及其变形破坏规律的研究[D];太原理工大学;2005年
4 吴红刚;隧道—滑坡体系的变形机理及控制技术研究[D];中国铁道科学研究院;2012年
5 郑勇刚;纳米晶体材料中晶粒生长及变形机理的研究[D];大连理工大学;2008年
6 丁献文;基于SAR的阿尔金东段变形特征监测及机理分析[D];浙江大学;2007年
7 郭伟国;BCC金属的塑性流动行为及其本构关系研究[D];西北工业大学;2007年
8 昝祥;TiAl金属间化合物高温动态力学行为及变形机理研究[D];中国科学技术大学;2008年
9 谷长栋;电沉积纳米结构镍及镍钴合金的微观结构和力学性能[D];吉林大学;2007年
10 沈喜训;块体电沉积纳米晶镍及镍钴合金的微观结构和力学行为[D];吉林大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 徐帮树;三峡永久船闸中隔墩和闸室直立边墙变形机理的数值研究[D];山东科技大学;2003年
2 孙全;丸都山城瞭望台变形破坏机理及稳定性分析[D];中国地质大学(北京);2006年
3 李东田;钎焊铝蜂窝板的研制与力学性能研究[D];昆明理工大学;2005年
4 赵宝友;深部巷道围岩变形机理的数值模拟研究[D];辽宁工程技术大学;2006年
5 朱麟晨;窑头2号隧道进口段斜坡不良地质体与隧道相互作用机理的研究[D];西南交通大学;2009年
6 张鹏;复合顶板煤巷锚杆作用机理研究[D];湖南科技大学;2009年
7 江山;基于原子模拟的铜纳米线扭转力学性质的研究[D];大连理工大学;2009年
8 柴红保;大风垭口隧道变形机理的研究[D];广西大学;2004年
9 白永学;软土地铁车站深基坑变形的影响因素及其控制措施[D];西南交通大学;2006年
10 夏孝够;深井回采巷道围岩变形机理及支护技术研究[D];安徽理工大学;2006年
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