压实黏土二维断裂试验方法及PFC模拟研究

摘要

黏土具有良好的抗渗性、较高的强度等优点，在土质心墙堆石坝中常被用作心墙填料。心墙是土石坝的防渗体，其抗裂性能对大坝安全具有极其重要的意义，随着高心墙坝的兴起，黏土心墙的裂缝问题受到更多的关注。本文依托国家自然科学基金面上项目（编号:51479012）和重庆市研究生科研创新基金（编号:CYS16180），从断裂力学角度出发，在总结传统断裂相关试验方法基础上，结合断裂力学理论开展了适用于压实黏土的二维断裂试验方法研究。并采用离散元PFC数值方法进行了压实黏土的二维断裂的数值仿真试验，分别从宏细观层面研究了压实黏土在拉伸、剪切、拉剪、压剪应力状态下的断裂特性。具体研究内容和结论如下:
　　(1)从试样结构形式、加载方式、监测手段等方面入手，设计了适用于压实黏土的二维断裂试验装置。试验试样采用单边裂缝长方体试样，加载设备采用WDW-100微机伺服控制电子万能材料试验机，采用VIC-3D非接触全场应变测量系统进行断裂过程中试样裂缝的扩展过程、张开位移等监测。根据二维断裂中拉伸、剪切、拉剪和压剪四种应力状态下的裂纹尖端受力状态，分析了四种应力状态下的应力强度因子。
　　(2)对PFC中线性接触模型中的细观参数进行敏感性分析，研究了线性接触模型中的细观参数对宏观力学特性的影响。采用GDS动三轴试验系统进行黏土的固结排水三轴试验，获得了黏土的宏观物理力学参数。参照细观参数与宏观力学特性间的关系，采用PFC双轴数值试验进行了细观参数标定，得到了与黏土宏观物理力学参数吻合较好的线性接触模型的PFC细观参数。
　　(3)基于二维断裂试验方法，建立了相应的拉伸断裂PFC数值模型和剪切断裂PFC数值模型。采用离散元数值方法，研究了拉伸断裂和剪切断裂两种基本断裂形式的断裂破坏过程，分析了初始裂缝长度、初始裂缝宽度、加载速率以及试样尺寸等因素对两种基本断裂形式的宏观断裂特性、裂缝扩展过程及断裂破坏形态的影响。
　　(4)基于二维断裂试验方法，建立了相应的拉剪断裂PFC数值模型和压剪断裂PFC数值模型。采用离散元数值方法，研究了这两种复合断裂形式的断裂破坏过程，分析了加载角度、初始裂缝长度、加载速率等因素对两种复合断裂形式宏观断裂特性、裂缝扩展过程及断裂破坏形态的影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 物理试验方法

1．2．2 数值模拟方法

1．2．3 应力强度因子计算方法

1．3 主要研究内容

1．4 研究技术路线

第二章 压实黏土二维断裂试验方法

2．1 引言

2．2 断裂理论对压实黏土的适用性

2．2．1 研究对象适用性

2．2．2 线弹性断裂理论适用性

2．3 试验原理

2．3．1 拉伸断裂试验原理

2．3．2 剪切断裂试验原理

2．3．3 拉剪断裂试验原理

2．3．4 压剪断裂试验原理

2．4 试验装置

2．4．1 试样结构及夹具

2．4．2 加载装置

2．4．3 监测装置

2．5 试验步骤

2．5．1 试样制备

2．5．2 仪器组装

2．5．3 试验运行

2．6 应力强度因子计算

2．6．1 拉伸型应力强度因子

2．6．2 剪切型应力强度因子

2．6．3 拉剪型应力强度因子

2．6．4 压剪型应力强度因子

2．7 本章小结

第三章 压实黏土PFC细观参数标定研究

3．1 引言

3．2 PFC基本原理

3．2．1 基本假设

3．2．2 接触模型

3．2．3 模拟步骤

3．3 PFC双轴压缩数值试验

3．3．2 试样制备

3．3．3 试验运行

3．3．4 数据整理分析

3．4 细观参数敏感性分析

3．4．1 有效模量E*对宏观参数的影响

3．4．2 刚度比κ*对宏观参数的影响

3．4．3 抗拉强度Tσ对宏观参数的影响

3．4．4 抗剪强度Sσ对宏观参数的影响

3．4．5 摩擦系数μ对宏观参数的影响

3．5 黏土室内三轴剪切试验

3．5．1 试验仪器

3．5．2 试验土料

3．5．3 试验步骤

3．5．4 结果分析

3．6 黏土细观参数标定

3．6．1 基本原理

3．6．2 标定结果

3．7 本章小结

第四章 压实黏土基本断裂试验PFC模拟

4．1 引言

4．2 压实黏土基本型断裂PFC模型

4．2．1 数值试样结构

4．2．2 拉伸断裂PFC模型

4．2．3 剪切断裂PFC模型

4．3 压实黏土拉伸断裂特性分析

4．3．1 拉伸断裂破坏过程分析

4．3．2 初始裂缝长度对拉伸断裂破坏的影响

4．3．3 初始裂缝宽度对拉伸断裂破坏的影响

4．3．4 试验加载速率对拉伸断裂破坏的影响

4．3．5 拉伸断裂破坏尺寸效应

4．4 压实黏土剪切断裂破坏PFC模拟

4．4．1 剪切断裂破坏过程分析

4．4．2 初始裂缝长度对剪切断裂破坏的影响

4．4．3 初始裂缝宽度对剪切断裂破坏的影响

4．4．4 试验加载速率对剪切断裂破坏的影响

4．4．5 剪切断裂破坏尺寸效应

4．5 本章小节

5．1 引言

5．2 断裂PFC模型

5．2．1 数值试样结构

5．2．2 拉剪断裂PFC模型

5．2．3 压剪断裂PFC模型

5．3 压实黏土拉剪断裂破坏PFC模拟

5．3．1 拉剪断裂破坏过程分析

5．3．2 加载角度对拉剪断裂破坏的影响

5．3．3 初始裂缝长度对拉剪断裂破坏的影响

5．3．4 加载速率对拉剪断裂破坏的影响

5．4 压实黏土压剪断裂PFC模拟

5．4．1 压剪断裂破坏过程分析

5．4．2 加载角度对压剪断裂破坏的影响

5．4．3 初始裂缝长度对压剪断裂破坏的影响

5．4．4 加载速率对压剪断裂破坏的影响

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间主要研究成果和参与项目