周期性饱水砂泥岩混合料的三轴强度变形特性及其劣化模型研究

摘要

在长江上游地区的各类工程建设中，就地取材的砂泥岩混合料常用作建筑填料。当用于库岸、堤坝等涉水工程中时，砂泥岩混合料可能经受周期性饱水作用。周期性饱水作用将劣化砂泥岩混合料，严重时可能导致结构物发生变形、开裂甚至失稳。研究周期性饱水作用下砂泥岩混合料的强度、变形特性及其劣化规律，是具有重要的科学意义和工程实用价值的。本文依托国家自然科学基金面上项目“周期性饱水砂泥岩混合料的劣化机理及其演化过程（编号:51479012）”，在研究周期性饱水砂岩、泥岩的强度变形特性的基础上，以泥岩颗粒百分含量20％的砂泥岩混合料为主要研究对象，采用自主研发的粗粒土各向异性渗透仪和周期性饱水砂泥岩混合料的“饱水疏干”试验方法，揭示了砂泥岩混合料的各向异性渗透特性、周期性饱水作用下的强度与变形特性、建立了劣化模型，并探讨了劣化机理。本文取得的主要研究成果如下:
　　(1)揭示了周期性饱水作用下砂岩、泥岩的吸水、强度及变形特性，揭示了吸水率、单轴抗压强度和弹性模量的变化规律。周期性饱水岩石的吸水率变化速率与岩石的风化程度和力学性质有关。泥岩的吸水率变化速率比砂岩的大。采用单轴压缩试验研究了周期性饱水砂岩、泥岩的单轴抗压强度和弹性模量劣化规律及演化方程，在此基础上，分析了砂岩和泥岩的单轴抗压强度及弹性模量劣化速率。
　　(2)揭示了砂泥岩混合料的各向异性渗透特性，提出了砂泥岩混合料的周期性饱水试验方法。克服了粗粒土各向异性渗透系数测试方法的缺陷，研制了粗粒土各向异性渗透仪，并研究了级配、干密度及泥岩含量对砂泥岩混合料的各向异性渗透系数和临界水力梯度的影响，研究了不同围压下砂泥岩混合料试样的饱和度与水头为1m的垂直渗透饱和时间的关系。研制了一套温度、压力可控的气体加热装置，研究了不同围压下三轴试样的饱和度与通气干燥时间的关系。在此基础上，提出了周期性饱水砂泥岩混合料的“饱水”和“疏干”试验方法。
　　(3)揭示了周期性饱水砂泥岩混合料的三轴强度与变形特性，建立了强度和变形指标的演化方程。基于周期性饱水砂泥岩混合料的“饱水疏干”试验方法，开展了不同围压、不同应力水平、不同饱水循环次数下的砂泥岩混合料三轴剪切试验，获得了周期性饱水砂泥岩混合料的应力应变曲线、轴向应变、体积应变、非线性强度、弹性模量等试验成果;分析了周期性饱水砂泥岩混合料轴向应变、体积应变、非线性强度、弹性模量及残余系数的劣化规律，并建立了其演化方程;建立了轴向应变、体积应变及割线模量的劣化速率归一化公式。根据周期性饱水砂泥岩混合料强度及变形的演化方程，年调节库区的砂泥岩混合料填筑工程的强度及变形的变化在竣工后的前5年应引起重视。
　　(4)提出了周期性饱水砂泥岩混合料的非线性微元强度统计损伤模型和应变软化统计损伤模型，验证了模型的可靠性，并分析了其适用性。引入非线性强度理论及统计损伤理论，建立了土体非线性微元强度统计损伤模型;基于轴向应变的损伤变量演化方程和改进的土体“二元介质”模型，建立了土体应变软化统计损伤模型;结合周期性饱水砂泥岩混合料的轴向应变、体积应变、非线性强度、割线模量及残余系数的演化方程，建立了周期性饱水砂泥岩混合料的非线性微元强度统计损伤模型及应变软化统计损伤模型。通过与试验结果对比，分析了两种模型在不同围压、不同应力水平、不同周期性饱水循环次数下的模拟效果，验证了模型的可靠性，并分析了其适用性。
　　(5)获得了砂泥岩混合料在周期性饱水三轴试验中的颗粒破碎规律，揭示周期性饱水砂泥岩混合料的劣化机理。结合周期性饱水砂泥岩混合料的三轴剪切试验进行了颗粒破碎试验，研究了周期性饱水砂泥岩混合料在不同围压、应力水平、不同循环次数条件下的颗粒破碎规律;分析了周期性饱水砂泥岩混合料轴向应变、体积应变与颗粒破碎率的关系，发现轴向应变、体积应变与颗粒破碎率之间有较强的相关性;基于颗粒破碎的能量分析，发现颗粒破碎率与呈幂函数关系，与颗粒破碎能呈双曲线关系;从颗粒破碎、颗粒重排列所引起的体缩和体胀方面，揭示了周期性饱水砂泥岩混合料的变形劣化机理;从颗粒破碎、颗粒重排列和颗粒滑动所引起的内摩擦角分量方面，揭示了周期性饱水砂泥岩混合料的强度劣化机理。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文研究意义及立论依据

1．2 国内外研究现状

1．2．1 周期性饱水对岩石的影响

1．2．2 湿化对土体影响

1．2．3 周期性饱水对土体的影响

1．2．4 目前周期性饱水砂泥岩混合料的劣化作用研究存在的问题

1．3 本文主要研究内容及技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

第二章 周期性饱水砂岩和泥岩的强度及变形特性

2．1 概述

2．2 砂岩和泥岩的周期性饱水试验方法及方案

2．2．1 岩石试样特征

2．2．2 试验设备及辅助装置

2．2．3 试验方案

2．2．3 周期性饱水试验步骤

2．3 周期性饱水岩石的吸水特性

2．3．1 岩石吸水率计算方法

2．3．2 吸水性试验结果

2．3．3 周期性饱水作用对岩石吸水率的影响

2．4 周期性饱水砂岩单轴抗压强度特性

2．4．1 砂岩单轴压缩试验步骤

2．4．2 砂岩单轴压缩试验结果

2．4．3 周期性饱水对砂岩单轴压缩力学特性的影响

2．5 周期性饱水泥岩的单轴抗压强度特性

2．5．1 泥岩单轴压缩试验及试验结果

2．5．2 周期性饱水对泥岩单轴压缩力学特性的影响

2．6 周期性饱水砂岩和泥岩的劣化效应

2．7 本章小结

第三章 砂泥岩混合料渗透特性及周期性饱水试验方法

3．1 概述

3．2 各向异性渗透系数测试方法的改进

3．2．1 现有各向异性渗透系数测试方法的缺陷

3．2．2 各向异性渗透仪

3．2．3 渗透试验试样尺寸

3．2．4 渗流速度线性条件

3．2．5 渗流方向

3．2．6 绕侧壁渗流

3．2．7 脱气水的运用

3．2．8 试样制备方法

3．2．9 试样饱和方法

3．3 渗透试验土料及方案

3．3．1 试验土料

3．3．2 试验方案

3．4 渗透系数及临界水力梯度的取值方法

3．4．1 渗透系数测试方法

3．4．2 临界水力梯度测试方法

3．5 各向异性渗透试验结果

3．5．1 渗透系数各向异性试验结果及分析

3．5．2 临界水力梯度各向异性试验结果及分析

3．6 各向异性渗透机理

3．7 周期性饱水试验的饱和水头

3．8 周期性饱水试验方法

3．8．1 试样饱和及疏千方法

3．8．2 试验方案

3．8．3 试验结果

3．8．4 周期性饱水砂泥岩混合料试验方法

3．8．5 周期性饱水停机变形稳定标准

3．9 本章小结

第四章 周期性饱水砂泥岩混合料的强度及变形特性

4．1 概述

4．2 试验方法

4．2．1 试验土料

4．2．2 试验方案

4．2．3 试验步骤

4．3 湿化试验成果

4．3．1 湿化试验应力应变曲线

4．3．2 湿化应力水平对湿化体变与湿化轴变的影响

4．3．3 湿化体变与轴变关系

4．3．4 湿化对剪切强度的影响

4．3．5 湿化对残余强度的影响

4．3．6 湿化对弹性模量的影响

4．4 周期性饱水砂泥岩混合料的三轴剪切试验

4．4．1 试验结果

4．4．2 轴向应变劣化规律及其演化方程

4．4．3 体积应变劣化规律及其演化方程

4．4．4 非线性抗剪角劣化规律及其演化方程

4．4．5 周期性饱水对残余应力的影响

4．4．6 周期性饱水对弹性模量的影响

4．5 周期性饱水砂岩料的三轴剪切试验

4．5．1 试验结果

4．5．2 轴向应变劣化规律及其演化方程

4．5．3 体积应变劣化规律及其演化方程

4．5．4 非线性抗剪角劣化规律及其演化方程

4．5．5 周期性饱水对残余应力的影响

4．5．6 周期性饱水对弹性模量的影响

4．6 周期性饱水泥岩颗粒料的三轴剪切试验

4．6．1 试验结果

4．6．2 轴向应变劣化规律及其演化方程

4．6．3 体积应变劣化规律及其演化方程

4．6．4 非线性抗剪角劣化规律

4．6．5 周期性饱水对弹性模量的影响

4．7 周期性饱水砂泥岩混合料的劣化效应

4．7．1 轴向应变劣化速率

4．7．2 体积应变劣化速率

4．7．3 非线性强度劣化速率

4．7．4 残余系数劣化速率

4．7．5 割线模量劣化速率

4．8 本章小结

第五章 周期饱水砂泥岩混合料的损伤模型

5．1 统计损伤本构模型

5．2 强度准则的讨论

5．3 微元强度统计损伤模型及损伤变量

5．4 微元强度统计损伤模型参数求解

5．5 考虑应力应变曲线软化的损伤模型研究

5．5．1 土体软化型的应力应变曲线性质

5．5．2 考虑应变软化的损伤模型及损伤变量

5．5．3 确定模型参数方法

5．6 周期性饱水砂泥岩混合料的统计损伤模型

5．6．1 周期性饱水砂泥岩混合料损伤模型的基本假定

5．6．2 模型的建立方法

5．6．3 周期性饱水砂泥岩混合料的非线性微元强度统计损伤模型

5．6．4 周期性饱水砂泥岩混合料的应变软化统计损伤模型

5．8 两种模型验证

5．8．1 湿化条件下周期性饱水统计损伤模型验证

5．8．2 应力水平不同时的周期性饱水统计损伤模型验证

5．8．3 围压不同时的周期性饱水统计损伤模型验证

5．8．4 围压及应力水平相同时的周期性饱水统计损伤模型验证

5．9 本章小结

第六章 周期饱水砂泥岩混合料的颗粒破碎及劣化机理

6．1 颗粒破碎试验结果

6．1．1 颗粒破碎试验方案及方法

6．1．2 颗粒破碎量化指标

6．1．3 颗粒破碎试验结果

6．2 周期性饱水砂泥岩混合料的颗粒破碎规律

6．2．1 颗粒破碎与围压的关系

6．2．2 颗粒破碎与应力水平的关系

6．2．3 颗粒破碎饱水循环次数

6．3 颗粒破碎与应变的关系

6．3．1 颗粒破碎与轴向应变的关系

6．3．2 颗粒破碎与体积应变的关系

6．5 颗粒破碎对非线性抗剪强度的影响

6．5．1 颗粒破碎能及土体变形能

6．5．2 颗粒破碎与外塑性功

6．5．3 颗粒破碎与破碎能EB

6．5．4 颗粒破碎所引起的内摩擦角分量

6．6 周期性饱水砂岩料的颗粒破碎

6．7 周期性饱水泥岩料颗粒破碎

6．8 周期性饱水砂泥岩混合料的劣化机理

6．9 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论著及取得的科研成果