膨胀土非线性应力松弛特性试验研究

摘要

膨胀土是一种特殊的灾害性土，在我国的分布范围非常广泛。随着我国经济建设的迅速发展，越来越多的基础设施不可避免地要修建在膨胀土地基上。由于对膨胀土的蠕变、应力松弛和长期强度等流变特性方面的理论研究还相对滞后，阻碍了对膨胀土灾害治理方面的工程技术的发展。因此，开展膨胀土的应力松弛特性研究，对于保证膨胀土地区工程建设的安全和长期稳定具有重要的意义。本文针对广西南宁膨胀土，依托国家自然科学基金资助项目“膨胀土非线性流变特性研究”（项目编号:50978097），以及湖南省科技厅资助项目“膨胀土非线性流变特性本构模型研究”（项目编号:2010SK3047），在通过大量阅读国内外有关研究文献的基础上，针对南宁膨胀土的非线性应力松弛特性，开展了相关的试验研究和理论分析。所开展的主要研究工作如下。
　　(1)试验研究工作
　　①膨胀土的基本物理、力学性质试验:根据试验规程，开展了液塑限、击实试验、膨胀性试验等基本物理、力学性质试验，测定了膨胀土的各项基本物理和力学性质指标。
　　②膨胀土的三轴试验研究:采用非饱和土三轴试验系统的不固结不排水模块(UU)，对不同初始条件下的膨胀土进行三轴试验。
　　③膨胀土的三轴应力松弛试验研究:采用长春机械科学研究院有限公司生产的TSS10型土体三轴流变试验机，对在不同初始条件下的膨胀土进行一系列的室内应力松弛试验。
　　(2)理论研究工作
　　①基于土流变学理论，并通过分析室内三轴应力松弛试验结果，探索了在不同初始条件下膨胀土的应力松弛规律。
　　②根据对试验结果的分析，确定了应力松弛的特征指标。探索了各种因素对膨胀土应力松弛特征指标的影响规律，并对膨胀土的应力松弛特征及其演化过程规律开展了相关探索性研究。
　　③基于分数阶微积分理论和土流变学理论，根据应力松弛试验结果，引入了分数阶软体元件对膨胀土非线性应力松弛模型进行了改造;在此基础上，考虑膨胀土的粘滞劣化，建立了膨胀土非线性应力松弛分析理论，确定了各模型参数，并进行了试验验证和对比分析。
　　通过上述研究，主要得到了以下研究进展和创新结论。
　　(1)在不同的初始条件下，膨胀土的应力松弛规律均相似，应力松弛曲线具有明显的非线性。应力松弛曲线可以划分为快速松弛、减速松弛以及稳定三个阶段。膨胀土的应力松弛属于非完全衰减型松弛。
　　(2)在不同的初始条件下，膨胀土的应力-应变等时曲线呈现出两个不同的变形阶段。也就是说，在较低的应变水平时，其应力-应变关系表现为线粘弹性变形阶段;随着应变水平的提高，其应力-应变关系表现为非线性粘弹性变形阶段。应变水平越高，其非线性特性越明显。
　　(3)膨胀土的含水量越高、受到的围压越小、压实的程度越小以及应变水平越高，其应力松弛程度就越高。
　　(4)应用分数阶导数理论构造的软体元件取代了传统元件模型中的理想粘滞元件，并考虑粘滞系数的损伤劣化，可以更加准确地反映膨胀土的非线性应力松弛特性。
　　(5)在应力松弛过程中，膨胀土的模量不再是常量，而是与初始条件有关的变量。其实质是，由于在长期应变作用下，土体内部产生微裂缝而引起的损伤累积所致。这正是反映了在常应变条件下应力松弛的内在机理，即模量随时间增加而减小，导致应力随时间增加而减小。
　　(6)通过对传统的整数阶模型的改进，得到了分数阶的St.Venant应力松弛分析模型。建立了膨胀土的应力松弛分析理论，提出了膨胀土的松弛模量和松弛应力的计算公式。在此基础上，确定了各松弛模型参数，明确了模型参数的物理意义。通过与其它模型计算结果的对比分析，验证了所提出的膨胀土应力松弛分析理论的可靠性和优越性。
　　综上所述，本文通过开展对广西南宁膨胀土的非线性应力松弛的试验与理论研究，探索了南宁膨胀土非线性应力松弛规律，揭示了膨胀土应力松弛过程的内在机理，建立了能更好地反映膨胀土非线性应力松弛特性的分析模型和计算理论。研究结果为膨胀土非线性应力松弛分析奠定了理论基础，也对膨胀土工程灾害治理具有重要的指导意义。

目录

声明

摘要

主要符号与说明

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 膨胀土流变特性的研究现状

1．2．2 分数阶微积分理论在土流变中的运用现状

1．2．3 损伤理论在土流变中的应用现状

1．3 主要研究内容及方法

1．4 技术路线

2 土流变学和分数阶微积分的基本理论

2．1 土流变学的基本理论

2．1．1 土的粘-弹-塑性变形特性

2．1．2 土的流变特性

2．1．3 土的流变本构模型

2．2 分数阶微积分的基本理论

2．2．1 分数阶微积分基本理论

2．2．2 分数阶的粘-弹性体力学模型

2．2．3 特殊函数

2．3 本章小结

3 膨胀土应力松弛的试验研究

3．1 概述

3．2 土样的基本物理化学性质

3．3 膨胀土三轴试验研究

3．3．1 试验仪器

3．3．2 试验方法及步骤

3．3．3 试验结果及分析

3．4 膨胀土三轴应力松弛试验研究

3．4．1 试验仪器

3．4．2 试验方法及步骤

3．4．3 应力松弛试验结果分析

3．5 本章小结

4 膨胀土的应力松弛特征指标及其影响因素分析

4．1 应力松弛特征指标

4．1．1 松弛应力值

4．1．2 剩余应力比

4．2 初始条件对应力松弛特征指标的影响

4．2．1 含水率对应力松弛特征的影响

4．2．2 围压对应力松弛特征的影响

4．2．3 压实度对应力松弛特征的影响

4．2．4 应变水平对应力松弛特征的影响

4．3 本章小结

5 膨胀土应力松弛的理论模型研究

5．1 概述

5．2 膨胀土应力松弛的理论模型形式

5．2．1 分数阶导数粘滞损伤元件

5．2．2 膨胀土的非线性松弛模型

5．3 模型的参数确定及其验证

5．3．1 模型参数的确定

5．3．2 改进模型的验证

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 本文研究工作的总结

6．2 对今后研究工作的展望

参考文献

攻读学位期间的主要学术成果

致谢