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基于颗粒物质热动力学理论的土的多场耦合本构模型研究

杨光昌  
【摘要】:岩土体的多场耦合模型研究是工程及地质灾害预防、核废料储存、地热或天然气资源开发等实际工程问题的理论基础和关键技术。随着工程建设的发展,工程难度越来越大,岩土工程面临着严峻挑战,迫切需要岩土体多场耦合理论及分析技术的支持,以达到改善岩土工程性质、节省工程建设投资、提高资源开采效率以及增强防灾减灾能力的目的。此外,含气土作为一种特殊存在的土体,其工程性质很容易受到外界环境的扰动,探索含气土在扰动前后的性质演化规律,可以建立合理的理论体系来揭示其灾变机理,从而为天然气的开发利用和海洋工程的基础建设提供保障。本文基于颗粒物质热动力学理论,发展了一个非饱和土的多场耦合本构模型,并在此模型框架下,针对饱和黏土、含气细粒土、饱和砂土以及含气砂土的情形,分别进行了模型的应用分析。主要研究成果包括:(1)基于颗粒物质流体动力学理论(GSH)以及混合物理论,将GSH建模方法扩展到非饱和土的三相混合物体系中,考虑温度和饱和度变化引发相应的颗粒层次能量耗散过程,结合改进的考虑变形和温度效应的土水特征曲线(SWCC)模型,建立了一个非饱和土热-水-力全耦合的热力学本构模型。模型引入颗粒熵和颗粒温度的概念,从理论上确定热力学体系的耗散结构组成以及迁移系数关系,结合非饱和土的热力学全微分方程以及守恒方程和熵增方程,建立热力学恒等式,并通过热力学恒等式得出非弹性变形的本构关系。从而可通过迁移系数模型和能量函数模型将土体颗粒层次的耗散机制与宏观物理力学行为建立联系。通过对现有试验结果的模拟分析,证明了模型具有描述非饱和土水-力以及热-水-力耦合特性的能力,包括干湿循环对固结特性的影响,不同温度和吸力下的固结和剪切特性,以及非等温条件下热体应变演化规律等。(2)在本文所提出的非饱和土多场耦合本构模型的理论框架基础上,针对饱和黏土的特殊情况,将该模型应用到饱和黏土的层面上,从而形成了一个可描述饱和黏土热水力耦合特性的热力学本构模型。基于自主研发的适用于中空圆柱体试样的轴对称的试验装置,研究了不同超固结比的饱和粉质黏土试样在不同围压和不同升温-降温路径下的热固结响应,重点分析了不排水升/降温产生的孔隙水压力以及排水固结体应变随时间的演化规律。并通过所得到的热固结试验结果以及循环温度荷载产生的热响应试验结果与模型模拟结果的对比分析,验证了所提出模型描述饱和黏土热固结特性的能力。(3)基于本文所提出的非饱和土多场耦合模型的理论框架,结合理想气体的状态方程,考虑气相对土骨架塑性变形的影响,发展了一个可描述含气细粒土力学特性和温度效应的热力学本构模型,并分析了含气细粒土的有效应力。根据Wheeler(1988a)提出的大气泡模型的概念,把含气细粒土看作是由大气泡和周围的饱和土基质组成。模型中,气压受总应力和孔隙水压力的影响,并与总应力呈线性关系,而饱和土基质部分由“类有效应力”控制。通过对试验结果的模拟分析,验证了模型描述含气细粒土固结压缩和不排水剪切特性的能力。此外,对含气细粒土的温度特性进行了探讨,并利用所提出模型,分析并模拟了不同排水条件和超固结比含气细粒土的温度响应,包括温度对固结压缩、不排水剪切强度、孔隙水压力以及热体应变的影响规律。(4)基于本文所提出的非饱和土多场耦合本构模型的理论框架,针对饱和砂土的情形,引入考虑状态参数的剪胀方程,从而形成了一个可描述饱和砂土剪胀性的热力学本构模型。模型的形式较为简单,通过一组模型参数便可以描述饱和砂土在剪切过程中由于相对密度和有效围压的变化对强度和变形特性产生的影响。基于模拟计算与饱和砂土等向压缩、三轴不排水以及排水剪切试验结果的对比,验证了模型描述饱和砂土压缩和剪切特性的能力。对于含气砂土,认为气泡的存在只是增大了压缩性,并不会对土骨架的变形产生影响,在饱和砂土热力学模型的基础上,结合Hilf(1948)建立的孔隙气压力与孔隙气体积变化之间的关系,从而发展了一个含气砂土的热力学本构模型。通过对不同饱和度重塑砂土的三轴不排水剪切试验结果的模拟,验证了模型描述含气砂土不排水剪切特性的能力。


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