循环动荷载下泥化夹层动力响应特性

摘要

坝基、边坡、洞室等岩体工程中常发育有软弱夹层。软弱夹层进一步恶化后形成的泥化夹层往往构成工程岩体中性质最差、强度最弱的关键部位。受到泥化夹层影响，导致工期延误、被迫停工或追加巨额投资的工程项目不知凡几。作为层状岩体中常见的特殊软弱结构面，泥化夹层是岩体抗滑稳定的控制因素。在爆破、地震、交通荷载、波浪荷载等循环扰动作用下，泥化夹层的动力响应特性对复杂岩质边坡的动力失稳机制具有显著影响。尽管已经有研究人员利用原位试验或室内试验对泥化夹层的工程地质特性进行了广泛而深入的研究，但是有关泥化夹层动力响应特性的研究却非常少，并且不够深入。 本文依托国家自然科学基金项目“循环爆破扰动下含软弱夹层岩质边坡动力失稳灾变机制（U1504523）”，以黄河中游某大型水利枢纽坝址区不同发育性质的泥化夹层为研究对象，采用动三轴试验、理论推导、数据分析等方法开展循环动荷载下泥化夹层的动力响应特性研究，并系统分析主要黏土矿物成分、黏粒含量、含水率、围压和循环周次等因素对泥化夹层动力响应特性的影响。 主要研究内容和结论如下： （1）通过动变形试验研究泥化夹层的累积应变模型及其影响因素。结果表明：泥化夹层的累积应变发展规律不符合稳定性模型特征，适合采用破坏型Monismith模型进行描述。累积应变随含水率和黏粒含量增大而增大，随围压增大而减小，主要黏土矿物成分为蒙伊混层的泥化夹层累积变形特征最明显，累积应变最大。其中，各影响因素对其累积应变的影响力相差不大。 （2）泥化夹层动应力~应变曲线符合Hardin双曲线模型，具有明显的应变硬化特征。应变硬化特征参数随围压变化不大，随含水率增大而减小。建立的动弹性模量模型为衰减型，其值随循环周次增大而减小，并最终趋于残余动弹性模量；随含水率增大而减小，随围压增大单调递增。主要黏土矿物成分为蒙伊混层的泥化夹层动弹性模量衰减最快，应变硬化特征参数最小。 （3）通过动强度试验揭示各影响因素对泥化夹层动强度特性的影响。结果表明：泥化夹层动强度特性与自身发育性质关系密切。动强度随围压增大单调递增，动强度和动黏聚力随含水率增大先增大后减小，动内摩擦角随含水率和黏粒含量增大单调递减，三者都随循环破坏周次增大先增大后减小。主要黏土矿物成分为蒙伊混层的泥化夹层，其动强度和动黏聚力最小。 （4）结合Ramberg-Osgood硬化定律，建立了一种适用于三向应力状态的疲劳损伤变量表达式。结果表明：循环动荷载下泥化夹层的疲劳损伤及其发展规律适合采用低周疲劳损伤演化模型描述，建立的疲劳损伤表达式更准确合理。泥化夹层的疲劳损伤随循环周次增大而增大，随围压增大而减小，随含水率增大而增大，主要黏土矿物成分为蒙伊混层的泥化夹层疲劳损伤值最大。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 泥化夹层工程地质特性研究现状

1.2.2 土的动力累积变形研究现状

1.2.3 土的动强度特性研究现状

1.2.4 岩土体动损伤特性研究现状

1.3 论文主要研究内容、技术路线

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 拟解决的关键问题和技术路线

2 泥化夹层动三轴试验

2.1 泥化夹层物理性质

2.1.1 泥化夹层发育特征与现场取样

2.1.2 薄片鉴定试验

2.1.3 泥化夹层颗粒分析

2.1.4 泥化夹层试样分组

2.2 试验仪器、原理与试验方案

2.2.1 试验仪器

2.2.2 动三轴试验原理

2.2.3 动三轴试验方案

2.3 动三轴试验步骤

2.3.1 制备泥化夹层重塑试样

2.3.2 试样安装与固结

2.3.3 施加动荷载

2.4 本章小结

3 泥化夹层累积应变发展规律

3.1 泥化夹层累积应变模型

3.1.1 Monismith模型拟合结果

3.1.2 稳定型累积应变模型拟合情况

3.1.3 泥化夹层累积应变模型参数

3.2 累积应变发展规律影响因素分析

3.2.1 不同围压的影响

3.2.2 不同含水率的影响

3.2.3 不同M和C的影响

3.2.4 累积应变正交试验分析结果

3.3 本章小结

4 泥化夹层动变形特性

4.1 泥化夹层动应力~应变曲线

4.2 泥化夹层的动弹性模量

4.2.1 动弹性模量随循环周次变化规律

4.2.2 不同围压的影响

4.2.3 不同含水率的影响

4.2.4 不同M和C的影响

4.2.5 动弹性模量正交试验分析结果

4.3 泥化夹层应变硬化特征

4.3.1 应变硬化特征公式与特征参数

4.3.2 不同围压的影响

4.3.3 不同含水率的影响

4.3.4 不同M和C的影响

4.4 本章小结

5 泥化夹层动强度特性

5.1 泥化夹层的动强度与动强度指标

5.1.1 动强度及τdf~Nf曲线

5.1.2 动强度指标

5.2 影响因素分析

5.2.1 含水率w对动强度的影响

5.2.2 含水率w对动强度指标的影响

5.2.3 M和C对动强度的影响

5.2.4 M和C对动强度指标的影响

5.3 动强度和动强度指标正交试验分析

5.3.1 动强度正交试验分析结果

5.3.2 动强度指标正交试验分析结果

5.4 与其他类型土的对比结果

5.5 本章小结

6 循环动荷载下泥化夹层疲劳损伤特征

6.1 泥化夹层疲劳损伤演化模型

6.2 泥化夹层疲劳损伤变量表达式

6.3 泥化夹层疲劳损伤演化规律

6.3.1 疲劳损伤变量及模型参数的求取

6.3.2 疲劳损伤演化规律

6.4 疲劳损伤表达式的适用性分析

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 全文结论

7.2 进一步研究展望

参考文献

个人简历

致谢