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冻土断裂与损伤行为研究

刘增利  
【摘要】: 冻土作为寒区工程地基基础,其破坏形式与破坏机理研究是冻土力学重要研究领域之一。本文采用断裂力学方法对其破坏进行研究与分析,以期建立一种新的破坏准则-广义强度破坏理论。同时对冻土进行损伤量的细微观测试分析,为采用损伤力学进行冻土破坏机理分析奠定基础。具体研究内容如下: 论文第一章系统的回顾了冻土力学发展的历史,介绍了其发展现状,如土体冻结过程的数值模拟、冻土宏观力学特性研究、工程(应用)冻土力学以及细微观冻土力学的研究等。并简要介绍了断裂力学及损伤力学研究的基本理论及其在材料研究中的应用。 论文第二章为冻土断裂力学的基本理论,包括断裂力学在冻土研究中的工程适用性、条件适用性、平面应变断裂韧度测试的适用条件等,给出了冻土断裂韧度K_(ⅠC)、K_(ⅡC)、Ⅰ-Ⅱ型复合断裂测试的基本原理及试验方法,并基于Weibull脆性破坏理论推导了冻土三点弯曲试样K_(ⅠC)尺寸效应系数,为后面的工作提供理论基础。 第三章进行冻土断裂韧度K_(ⅠC)、K_(ⅡC)、Ⅰ-Ⅱ型复合断裂测试及尺寸效应研究,给出了冻土K_(ⅠC)、冻土K_(ⅡC)及冻土与混凝土界面K_(ⅡC)的测试结果,并对测试值与环境温度、含水量、加载速率的关系进行了讨论,给出了相应的数值拟合公式,对Ⅰ-Ⅱ型复合断裂准则进行了研究,给出了椭圆型断裂准则,最后研究了冻土K_(ⅠC)尺寸效应系数。 冻土断裂力学在工程中的应用在第四章中给出,在这章中介绍了冻土断裂破坏的基本准则,以桩基冻拔和挡墙基础的强度与稳定性为例,分别采用现行 大连理工大学博士学位论文 方法和冻土断裂力学方法进行研究并进行对比,指出冻土断裂力学方法是对原 有方法的补充与完善,表明了冻土断裂力学在工程应用中的有效性。 第五章进行的是冻土损伤力学的测试研究,首先介绍了冻土损伤的动态测 试原理与方法,采用附加损伤的概念推导了冻土初始与附加损伤的动态识别模 式,随后对冻土单轴压缩过程进行了动态测试,对在这一过程中的内部结构变 化特征进行了研究。随后对冻土在单轴压缩过程中的损伤特征进行了讨论,对 不同阶段的损伤量给出了计算方法,分别对饱水冻土和未饱水冻土在单轴压缩 过程中的损伤量进行了计算。建立了冻土单轴压缩的损伤型本构表达式,给出 了冻土单轴压缩下的损伤演化方程,并进行了有效应力的计算。 最后对本文工作进行了总结,分别对冻土断裂力学、损伤力学研究的发展 与展望提出了自己的观点与设想,指出将断裂力学、损伤力学引入冻土力学研 究至今还仅仅是初步工作,还需要进行大量的研究工作。 本研究属国家自然科学基金《工程地基冻胀破坏机理及冻害预报》(项目 批准号:59578039)和《冻土地基广义强度破坏理论及其应用研究》(项目批 准号:50278010)的一部分工作,同时还受到中国科学院兰州寒区早区环境与 工程研究所冻土工程国家重点试验室开放课题(项目编号:9801和 SKLFSE200301)的资助。


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