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冻结粉质粘土细观变形机理及其各向异性损伤模型研究

孙星亮  
【摘要】:寒区工程建设的迅速发展,要求我们对冻土的力学特性及变形机理进行更深一层次的研究,以建立有效的本构模型以描述冻土的应力—应变关系。现有大量关于冻土微、细观结构变化的研究成果已经表明:在荷载作用下,冻土体内存在大量微裂纹的萌生和扩展及土颗粒的重新定向现象,前者使冻土有效面积减小,导致承载能力的降低;后者则导致冻土损伤的各向异性,因而采用各向异性损伤理论来研究冻土变形过程是比较恰当的,而且是非常必要的。在试验的基础上分析了冻结粉质粘土的细观变形机理,建立了冻土的各向异性损伤本构模型,主要内容如下: 1、在大量试验基础上,分析了冻结粉质粘土在不同围压、不同温度下应力—应变特性,体应变随轴向应变的变化规律。发现其应力—应变曲线均呈“S”形,相同围压下的应力—应变曲线具有相似性,围压的增大使冻土的塑性变形能力明显增强。蠕变过程中粘塑性变形占主导,因而其三轴蠕变曲线没有出现渐进流动阶段。 2、冻结粉质粘土的三轴抗剪强度随温度的降低、围压和应变速率的增大而增大,且与负温的绝对值、围压成线性关系,与应变速率则成指数函数关系。其弹性模量随温度的降低而增大,成线性关系;随应变速率的增大而非线性增大,成指数函数关系;与围压没有明显的相关关系。 3、冻土的三轴剪切过程中CT图像和CT数变化分析表明:试样在受荷之前,冻土体内已经存在多种形状的孔隙和低密度区,组构单元与矿物颗粒呈无序化分布。在荷载作用下,冻土中矿物颗粒及冰晶的重新排列和定向,制约了冻土的变形和破坏,也导致了冻土力学性能的各向异性。与冻土蠕变过程中的结构变化类似,在剪切变形过程中,同样存在冻土结构的弱化和强化现象。反映冻土颗粒、孔隙胶结冰之间的相对滑移和位错造成的塑性损伤,不能用CT数的变化来计算。 4、依据不可逆热力学理论和基本原理,通过引入考虑静水压力影响的塑性势函数,导出了冻土的弹塑性各向异性损伤的本构方程,提出了基于等效应变能释放率的损伤累积势函数,导出了各向异性损伤演化方程。模型参数试验资料确定,并讨论了模型中参数随冻土温度、围压的变化规律,通过室内试验资料与模型计算结果对比,初步验证了模型的正确性;最后导出了弹塑性各向异性损伤分析的有限元方程。 5、将Perzyna方程引入到冻土的粘塑性分析之中,得到了考虑冻土各向异性损伤的弹


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