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贵阳地区红黏土动力特性及其动本构关系研究

穆锐  
【摘要】:红黏土作为特殊土中较为典型的一类,表现出高含水率、高塑性、高孔隙比、低密度、压实性较差等特殊性,主要分布于我国贵州、广西、云南以及湖南等省份,工程应用十分广泛,其力学性质对工程的设计、施工有较大的影响。在已有研究的基础上,本文以贵阳地区原状红黏土为研究对象,结合其区域性和特殊性,采用室内试验和理论分析的研究方法,对贵阳地区原状红黏土的基本物理指标、静力特性和动力特性、疲劳特性、原状结构红黏土临界动应力的确定和动本构关系式等问题开展了较为系统的研究,具体工作如下:(1)基于室内常规的土工试验,对原状红黏土试样进行基本物理指标试验、固结试验以及CU三轴试验,得到了原状红黏土试样的含水比、天然密度、比重、液塑限、孔隙比、压缩模量以及压缩系数等基本物理指标。根据CU三轴试验结果,分析了原状结构红黏土试样的破坏形态、应力-应变关系曲线、孔隙水压力-轴向应变关系曲线以及不同含水比和不同围压下红黏土抗剪强度指标的变化规律。(2)通过动剪切模量和阻尼比动三轴试验,研究了不同试验条件下贵阳原状红黏土的动应力-动应变关系变化规律,得到了原状红黏土的?_d~?_d关系曲线、G/G_(max)~?_d以及?~?_d关系曲线的变化规律。采用Hardin-Drnevich双曲线模型对试验数据进行拟合,得到贵阳原状红黏土的G/G_(max)~?_d和?~?_d经验关系曲线,对动剪切模量、阻尼比试验参数以及最大动模量G_(max)和最大阻尼比?_(max)的影响因素进行分析研究。(3)通过疲劳动三轴试验,得到了贵阳原状红黏土的累积塑性应变?_p与疲劳荷载振动次数N的关系曲线,其变化规律表现为非线性。对试验结果分析可知,随动应力加载级数的增加,?_p~lgN关系曲线类型依次表现为“稳定型”、“临界型”、“破坏型”三种;同时得到了在围压为35 kPa、45 kPa、55 kPa试验条件下贵阳原状红黏土临界动应力?_(dc)的变化范围及平均取值;通过分析?_p~lg N关系曲线及临界动应力的变化规律,可为红黏土动力稳定性的工程应用提供一定的参考依据。(4)结合疲劳试验结果,基于?_p~logN关系曲线的变化规律,从弹性、黏性等基本力学元件出发,引入分数阶微积分函数对Maxwell模型和Abel黏壶进行改进,理论推导了两种能描述原状红黏土疲劳动本构关系的理论表达式。在考虑表达式参数的影响下,根据试验数据对改进的Abel黏壶动本构关系式进行合理性验证,且给出了模型的相关参数并讨论其适用性。研究工作可为贵州地区原状红黏土动力特性及动本构关系研究提供新的思路,具有一定的参考价值和实践意义,为下一步相关领域的研究工作打下坚实的试验和理论基础。


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