古城寨遗址粉土力学性状的干湿循环效应与城墙响应特征

摘要

中原地区土遗址数量众多，历史及文化价值极高。然而，由于其暴露在自然环境中且与大地直接相连，土遗址掏蚀、坍塌及裂隙等病害十分普遍。土遗址病害形成主要与赋存环境及遗址本体土性有关。中原地区土遗址以粉土夯筑为主，多临水修筑或周边遍布农田。由于粉土特殊的颗粒级配特征导致其毛细作用显著，水敏性较强。而降雨及农田浇灌所致积水加剧了土遗址根部的毛细水干湿循环效应。但目前针对中原地区土遗址本体性能研究相对较少，粉土-水相互作用机制尚不明确，给中原地区土遗址保护造成巨大困难。因此，有必要对遗址粉土力学特性的干湿循环效应及其微观机制进行系统研究，这对于丰富土遗址保护理论，指导土遗址预防性保护及修复工程具有重要意义。 本文以中原地区土遗址根部掏蚀等病害为背景，首先从试验出发，设计符合中原地区土遗址赋存水环境的试验装置及方法，系统研究了制样条件、干湿循环次数、干湿循环幅度对遗址粉土剪切力学特性的影响规律；然后，结合压汞、扫描电镜及核磁共振等微观试验手段探究其内在机制；最后，建立考虑非线性强度准则和干湿循环次数的遗址粉土邓肯-张模型，并通过Fortran语言编程对其进行数值化，进而对土遗址根部掏蚀等病害形成机制进行探讨。主要研究内容及成果如下： （1）对静力压实法和动力击实法制取遗址粉土试样的力学特性及其孔隙结构分布进行了系统研究。发现制样方法对遗址粉土力学特性存在明显影响，且与剪切试验方法紧密相关。直接剪切试验所得静力压实试样剪切强度及黏聚力均高于动力击实试样，而三轴剪切试验结果则相反。因此，在粉土遗址工程修复时，强度参数的选择需结合现场施工方法及可能出现的破坏形式综合考虑。 （2）采用自制的可分层取样试验装置开展了长达15个月的干湿循环测试工作。结果表明，与初始土样相比，1次干湿循环土样的应变软化特征显著增强，但随着干湿循环次数的增加，其应变软化性减弱；同时，黏聚力、切线模量也都呈现出1次循环后明显增大随后逐渐减小的变化规律。结合压汞和核磁共振试验结果，认为遗址粉土力学特性的干湿循环次数效应主要受粉土中黏粒“三维网架”的均匀收缩和局部破坏所控制。 （3）采用土柱模型试验对不同干湿循环幅度下遗址粉土的力学特性进行了系统研究。结果表明，粉土试样剪切强度的变化规律与固结围压和吸湿含水率稳定值紧密相关。在围压10~40kPa范围内，与初始试样相比，随着干湿循环幅度的增大，剪切强度呈现先小幅增大后显著减小的变化规律，而在围压100~400kPa时则单调衰减。在试验围压范围内，以缩限含水率为分界线，吸湿含水率对剪切强度的影响存在阈值效应。 （4）对比低围压与常规应力下遗址粉土抗剪强度，发现遗址粉土具有一定的强度非线性特征。因此，在土遗址病害修复工程中，建议采用相应应力水平下的力学参数进行相关计算。Baker所提出的广义幂函数强度准则，能够较好描述遗址粉土的非线性强度特性，强度准则参数A值随干湿循环次数的增加呈现先增大后逐渐减小并趋于稳定的趋势，n值受干湿循环作用影响较小。 （5）引入考虑非线性强度准则的邓肯-张模型对遗址粉土的应力-应变关系进行描述，得到了各干湿循环次数下土的模型参数值，并建立了模型参数与干湿循环次数的相关函数，给出了可描述中原地区遗址粉土干湿循环效应及非线性强度特征的邓肯-张模型。 （6）利用ABAQUS进行二次开发，通过Fortran语言编程对改进邓肯-张模型进行了数值化，并结合室内单元试验验证了数值模型的合理性。基于干湿循环作用对古城寨遗址城墙典型断面的数值响应特征，发现该数值模型可较好反映中原地区粉土遗址根部掏蚀类病害形成过程。

目录

声明

1 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 制样方法对土体力学特性的影响

1.2.2 干湿循环作用对土体力学特性的影响

1.2.3 微观结构特征对土体力学特性的影响

1.2.4 土的非线性强度特征描述

1.3 主要研究内容与技术路线

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 技术路线

2 古城寨遗址粉土基本物理力学特性与制样方法评价

2.1 引言

2.2 粉土基本物理性质

2.3 试样制备及试验方法

2.3.1 直剪试样制备方法

2.3.2 三轴试样制备方法

2.3.3 压汞试验原理及步骤

2.3.4 电镜扫描试验步骤

2.3.5 试验方案

2.4 直剪试验结果与分析

2.4.1 应力-位移关系

2.4.2 剪切强度与强度参数

2.5 三轴试验结果与分析

2.5.1 应力-应变关系曲线

2.5.2 剪切强度

2.5.3 强度参数

2.6 不同制样条件下粉土的孔隙分布特性

2.7 粉土力学特性的影响机制

2.8 本章小结

3 遗址粉土力学特性的干湿循环次数效应

3.1 引言

3.2 河南地区典型土遗址赋存环境

3.3 土柱制备及试验方法

3.3.1 土柱制备

3.3.2 干湿循环过程

3.3.3 土柱分层取样

3.3.4 试验仪器及方法

3.4 三轴试验结果分析

3.4.1 应力-应变关系曲线

3.4.2 轴向应变-体变关系

3.4.3 土的变形特性

3.4.4 土的剪切强度特性

3.5 不同干湿循环次数下遗址粉土的孔隙分布特性

3.5.1 压汞测试结果分析

3.5.2 核磁共振测试原理及结果分析

3.6 遗址粉土力学特性的干湿循环次数效应机理分析

3.7 本章小结

4 遗址粉土力学特性的干湿循环幅度效应

4.1 引言

4.2 试验方案设计

4.2.1 土柱制备

4.2.2 干湿循环过程

4.2.3 干湿循环幅度的确定

4.2.4 试验方案

4.3 三轴试验结果与分析

4.3.1 围压对应力-应变关系的影响

4.3.2 干湿循环幅度对应力-应变关系的影响

4.3.3 体变-应变关系

4.3.4 剪切强度变化规律

4.3.5 强度参数变化规律

4.4 不同干湿循环幅度下粉土的孔隙分布特征

4.4.1 压汞试验结果分析

4.4.2 核磁共振试验结果分析

4.5 遗址粉土力学特性的干湿循环幅度效应机理分析

4.6 本章小结

5 基于非线性强度准则的遗址粉土邓肯-张模型

5.1 引言

5.2 非线性强度准则

5.3 基于非线性强度准则的Duncan-Chang模型

5.3.1 模型简介

5.3.2 模型参数的确定

5.4 本章小结

6 城墙干湿循环效应数值分析与根部掏蚀病害机制探讨

6.1 引言

6.2 UMAT子程序开发

6.3 模型程序验证

6.3.1 有限元模型建立

6.3.2 计算结果分析

6.4 古城寨城墙变形响应分析

6.4.1 有限元模型建立

6.4.2 计算结果分析

6.5 掏蚀病害演化机制初探

6.6 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

附录：UMAT子程序

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

一、个人简历

二、在学期间发表的学术论文

三、在学期间申请的专利

四、在学期间参与的研究课题

致谢