庆阳黄土动力特性试验及颗粒流模拟研究

摘要

本文的研究对象是庆阳地区Q3黄土，通过颗粒分析试验、X射线荧光光谱分析（XRF）试验、动三轴试验以及颗粒流模拟分析试验对庆阳地区Q3黄土的物理性质、化学性质特征，动模量、阻尼比、动强度、残余应变特征以及动荷载下黄土内部结构变化特性进行了研究，论文完成的主要工作及获得的认识如下：
　　（1）进行了庆阳地区野外地质踏勘，采取土样进行室内试验。颗粒分析试验表明庆阳Q3黄土属于砂性黄土，砂粒含量达到51.4％。X射线荧光光谱分析（XRF）试验表明庆阳Q3黄土的矿物成分以碎屑矿物为主，其次为粘土矿物和碳酸盐矿物，化学成分以SiO2为主，其次为Al2O3、CaO等，与地壳的化学成分相似。
　　（2）动三轴试验共完成了原状黄土试样4个，重塑黄土试样9个，分析了不同含水率下原状试样及不同干密度、不同围压下饱和重塑试样的动模量、阻尼比、动强度以及残余应变特性，总的变化规律是在相同条件下，原状试样的动模量、动强度随着含水率的的增大而减小，残余应变随着含水率的增大而增大，相比之下天然含水率的原状试样有着较大的最大动模量（315.3MPa）和动强度（325kPa，采用屈服标准）及较小的残余应变；重塑试样的动模量、动强度随着干密度及围压的增大而增大，残余应变则随着干密度的增大而减小；无论是重塑试样还是原状试样所测得的阻尼比并没有明显的规律。
　　（3）相比前人对其他地区黄土动力特性的研究，庆阳地区Q3黄土的动模量及动强度在相同条件下都要大于其他相关前人研究区域，说明庆阳黄土结构很强。而且砂粒含量也高与其他地区，在动应力的作用下，表现出较强的弹性特征。
　　（4）运用颗粒流数值模拟方法，模拟了黄土试样在静荷载、循环荷载、冲击荷载作用下的动力响应问题。通过监测试样内部颗粒的配位数、相关区域的孔隙率以及系统不平衡力的变化，来定量地描述由于荷载的作用所导致的试样内部结构的变化特征，主要表现为：静荷载作用下孔隙率逐渐减小之后趋于稳定，颗粒配位数先减小后增大之后趋于稳定值，并且稳定值要大于初始配位数的值，说明试样的结构首先遭到破坏，然后被压密形成更加紧密的结构；循环荷载下试样孔隙率整体上是呈下降趋势，颗粒配位数则是先短暂的下降，之后出现与加载的应力波形相似的波动特征，配位数缓慢增大，并且在某一时刻出现了波峰，说明试样首先遭到一定程度的破坏，然后在循环荷载下被振动压密，某一时刻出现破坏，之后又被压密；冲击荷载下颗粒的配位数急剧下降，之后虽然有所恢复，但已达不到初始配位数的值，说明试样结构遭到了突然性的破坏，试样的孔隙率呈阶梯形下降，说明尽管结构被破坏，试样仍然被压密。

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变量注释表

1 绪论

1.1 概述（Introduction）

1.2 国内外研究现状（Research Status）

1.3 主要研究内容、研究方法及技术路线(Main Research Contents、Research Approach and Technology Routs)

2 研究区地质环境背景

2.1 自然地理概况（Physical Geography Conditions）

2.2 区域地质概况(Regional Geological Conditions)

3 庆阳黄土的土动力学特性试验研究

3.1 动 三 轴 试 验 设 备 简 介 (Introduction of Dynamic Triaxial Test Instrument)

3.2 试验土样(Loess samples)

3.3 试验基本步骤（Test Procedure）

3.4 试验方案设计(Test Scheme Design)

3.5 本章小结(Summary)

4 庆阳黄土动力特性试验结果分析

4.1 动应力-动应变关系（Dynamic Stress-Dynamic Strain）

4.2 动弹性模量-动应变关系(Dynamic Elastic Modulus-Dynamic Strain)

4.3 阻尼比分析(Analysis of Damping Ratio)

4.4 最大动弹性模量分析(Analysis of the maximum dynamic elastic modulus)

4.5 震陷特性分析（Analysis of seismic subsidence properties）

4.6 黄土动变形破坏特征分析(Analysis of Deformation and Failure Characteristics of Loess)

4.7 本章小结(Summary)

5 庆阳黄土动力学特性颗粒流模拟

5.1 引言（Introduction）

5.2 颗粒流基本理论（The Basic Theory of Particle Flow）

5.3 颗粒流模型的建立(Establishment of Particle Flow Model)

5.4 颗粒流模拟结果分析(Analysis of Particle Flow Simulation Results)

5.5 本章小结(Summary)

6 结论与展望

6.1 主要结论（Conclusion）

6.2 展望（Prospect）

参考文献

作者简历

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