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冻结粉质黏土静动力学性质的试验研究与本构模拟

牛亚强  
【摘要】:冻土作为寒区建筑物的基础和土工构筑物的主体,不仅要承受持续恒定的静荷载作用,还会受到由列车或汽车引起的振动荷载作用。然而,冻土作为一种由固体矿物颗粒、冰晶体、未冻水及气体组成的多相结构体系,其力学性质对温度、含水率和外部营力及其历时非常敏感。因此,深入研究冻土在静、动荷载作用下的力学行为及其变化规律,对冻土工程设计、施工和运营维护具有重要的理论和现实意义。鉴于此,本论文通过开展一系列的静、动三轴试验,系统研究了冻结粉质黏土的变形特性、强度特性、动力学特性及动蠕变规律,并基于试验结果建立了冻结粉质黏土的强度准则、各向异性弹塑性本构模型及分数阶非定常动蠕变模型。本论文的主要研究内容和研究成果包括以下几部分:(1)在不同初始含水率和不同围压的条件下对-6℃的冻结青藏粉质黏土进行了一系列三轴剪切试验,分析初始含水状态对冻土变形和强度的影响规律,结果表明:当初始含水率较低时,随着围压的增大,冻结粉质黏土相继出现应变软化和应变硬化的特征;当初始含水率大于16%时,其应力-应变关系主要呈现出应变软化的特征。同时,冻结粉质黏土的初始切线模量随围压的增大逐渐呈现出抛物线形分布,且随着初始含水率的增大,初始切线模量随围压先增大后减小的趋势越为明显。此外,冻结粉质黏土的强度随围压的变化规律呈现出3种形式:当初始含水率为12.5%时,表现为非线性增大的趋势;当初始含水率为14%和16%时,强度随围压的增大表现出先增大后减小的趋势;当初始含水率增大到18%和20%时,强度随围压的增大基本保持不变。(2)对-6℃的冻结黄土在1-15 MPa的围压范围内进行了一系列三轴剪切试验,结果表明:随着围压的增大,冻结黄土的应力-应变曲线相继表现出应变软化和应变硬化特征,初始切线模量随围压的增大总体呈现出先增大后减小的趋势。此外,冻结黄土的强度随围压的增大表现出先增大后减小的趋势。(3)为了描述冻土强度随围压的非线性变化规律,根据包络线定理,在?-?平面建立了非线性莫尔强度准则,该准则可以较好地反映冻结粉质黏土和冻结黄土的强度随围压先增大后减小的非线性变化现象。(4)针对不同初始含水率下冻结粉质黏土的强度特征,引入修正有效静水压力的表达式来表示强度准则在子午面上的非线性曲线方程,结合Lade-Duncan强度准则构建了π平面的破坏形状函数g(_??),并建立了复杂应力状态下能够有效反映受静水压力、初始含水率及压融影响的冻结粉质黏土的强度准则。(5)通过三轴剪切加卸载试验和各向等压加卸载试验获得了冻结粉质黏土的弹性参数。结合三轴剪切试验结果,基于弹塑性本构理论,提出考虑有效静水压力修正的屈服函数,采用非关联流动法则并提出塑性势函数。同时,考虑冻结粉质黏土初始各向异性特性和剪切加载下应力诱导的颗粒旋转,提出了等向硬化和旋转硬化的双硬化准则,以此建立了适合于冻结粉质黏土的各向异性弹塑性本构模型,并结合试验结果对模型进行了验证,结果表明,本论文建立的模型能够较好地描述冻结粉质黏土的应力-应变关系。(6)在分级加载和恒应力幅值加载两种条件下对冻结粉质黏土进行了一系列低温动三轴试验,研究冻结青藏粉质黏土动力特性的变化规律。分级加载动三轴结果表明:冻结粉质黏土的动弹性模量随动应力幅的增大非线性减小;阻尼比随动应变幅的增大呈现出先减小后增大的趋势;滞回曲线面积随动应变幅的增大呈非线性增大的趋势;相比H-D模型,采用M-D模型可以较好地模拟冻结粉质黏土骨干曲线在高动应变幅下的软化现象。恒应力幅值加载动三轴试验结果表明:冻结粉质黏土累积塑性应变随振次的变化曲线呈现出三种曲线形态:稳定型、临界型和破坏型,并获得了不同围压下冻结粉质黏土的临界动应力;此外,从试验结果中发现,冻结粉质黏土的动强度随破坏振次的增大而减小,且随着围压的增大,动强度随破坏振次增大而降低幅度逐渐减弱。(7)结合冻结粉质黏土动蠕变曲线的三阶段特征,基于分数阶微积分理论,在动蠕变模型中引入了Abel黏壶,同时考虑当动应力超过临界动应力时蠕变参数的非定常性,建立了冻结粉质黏土的分数阶非定常动蠕变模型,并对模型的有效性及合理性进行了验证,结果表明,本论文建立的动蠕变模型可以同时描述冻结粉质黏土动蠕变曲线的三个阶段,且与试验结果吻合较好。


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