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考虑损伤效应的黄土流变模型研究

林斌  
【摘要】:本文以非饱和黄土的结构性和流变性为研究中心,在对黄土的微观结构特征和流变效应研究文献综述的基础上,以室内试验为基础,采用土力学的研究方法,试图寻求一个能将微观结构和宏观力学参量联系起来的损伤变量,并深入研究了黄土的结构损伤特征随含水量变化及应变发展而变化的规律,依据等效应变的假说,建立了考虑损伤效应的黄土流变本构模型,借助数学、力学的方法将该模型推广到复杂应力条件下。 通过对搜集到的黄土资料整理和分析后,总结了西安地区马兰黄土(Q_3黄土)的化学组成、胶结物质以及孔隙特征等基本物理指标特征。在此基础上,试验研究了黄土结构强度以及凝聚力c、摩擦系数tanφ等宏观力学参量随含水量的变化规律;CU剪切试验表明,黄土的应力应变关系呈弱软化型,在有工程应用意义的变形范围内,该本构关系可以用存在应力上限的指数型函数来描述,本构模型中的参数亦随着球应力和湿度状态而呈指数规律变化。对黄土不同应力状态下的压缩试验结果分析表明,黄土的损伤应变门槛值ε_c与含水量的关系并不明显,近似可以认为ε_c与含水量无关,但是损伤的应力门槛值则随着含水量的增加而线性降低,黄土的弹性模量也具有相同的变化规律。根据刚度损伤的假定,黄土的损伤演化规律只与塑性变形的历史有关,而与弹性变形无关,其演化方程可以用轴向塑性应变的指数函数来描述,其中反映损伤速率的参数则同时受应力状态和含水量变化的影响。当黄土中含水量和应力状态按照某种特定的组合关系变化时,黄土的应变状态可以保持不变化,从广义上来说,非饱和黄土中的水具有应力的性质。 大量蠕变试验的结果表明,不同含水量的Q_3黄土具有明显的线性粘、弹、塑性流变特征,试验加载方式对于黄土的极限强度影响显著,分级连续加载条件下的低蠕变应力可导致黄土的结构硬化,能有效的提高黄土的极限承载能力。本文依据试验结果建立的考虑黄土损伤效应的流变模型能够很好的描述黄土加速蠕变阶段的变形特点。 利用ADINA软件二次开发功能所编制的有限元软件,能够很好的模拟黄土的流变规律,试验与模拟结果的对比表明本文所建立的黄土流变模型是正确的。


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