冻土非线性断裂破坏的数值模拟与实验研究

摘要

冻土作为国土资源，寒区工程的地基基础及建筑物的低温环境，对其破坏形式与破坏机理的研究始终是冻土力学需要解决的重要课题之一。目前我国寒区工程建设发展迅速，如青藏铁路及南水北调，西气东输等重大工程等，这些重大工程都要穿越多年冻土及季节冻土地段，所以需要解决冻土本身的强度及破坏问题。本文基于冻土体的非线性本质，充分考虑冻土特有的胶结力的作用，充分考虑冻土自身存在的大量缺陷，基于非线性断裂力学理论和损伤力学原理，提出了冻土非线性胶结力断裂破坏模型，然后对表征胶结力裂纹模型的裂纹尖端张开位移表达式及裂纹尖端扩展表达式进行了推导计算，再结合有限元法，提出了一种含有非线性参数的解析法与有限元法相结合的方法，从而发展冻土非线性断裂破坏的基本理论。从理论体系上拓宽冻土力学的新内涵，为冻土工程应用提出更坚实的理论基础。本文研究内容的特点在于：克服了现有强度破坏理论的不足，考虑了冻土的胶结力的作用和冻土自身的缺陷，充分体现了冻土力学特有的问题；克服了线弹性断裂破坏的局限性，充分考虑了冻土体的非线性特征；建立非线性断裂模型和计算方法，可进行断裂过程计算和非线性断裂参量计算。其主要内容如下： 论文第一部分主要介绍了本研究的背景和意义，讨论了冻土力学及断裂力学的基本理论以及冻土断裂力学发展的历史及现状。 论文第二部分首先对冻土微裂纹形貌、演化规律以及微裂纹尺度大小进行了识别与确认，并将主裂纹视为初始裂纹。在载荷的作用下，描述了冻土破坏的演化过程，在初始裂纹前端存在有微裂纹损伤区，并对微裂纹损伤区的大小及形态进行了定性和定量分析，在一定条件下，可将微裂纹损伤区的大小转化为当量裂纹，作为断裂力学中的裂纹扩展量。然后借鉴其它研究工作的基础上，根据实验研究的结果，进行了冻土非线性断裂破坏的特征研究，提出了非线性胶结力裂纹模型，分别讨论了张拉型破坏和压缩破坏的胶结力模型，给出了冻土非线性破坏的过程及特征参数进行定量计算与分析公式，为后面的冻土试样的模拟计算打下基础。 论文第三章针对胶结力裂纹模型，依据Paris位移公式，分别推导了在均布外力作用下，裂纹面上作用有非线性分布胶结力情况的裂纹尖端张开位移一般公式，由此导出了三点弯曲梁模型和单轴压缩模型的裂纹尖端张开位移表达式及裂纹扩展位移，为冻土非线性破坏过程及特征参数计算提供依据。 第四章在第二章、第三章的基础上，分别对三点弯曲梁模型和有侧限压缩模型进行了数值计算。对三点弯曲梁模型计算了不同温度下，冻土破坏发展过程曲线，给出不同土质非线性破坏特征值一临界张开位移值，并与实测值相比较，结果显示二者相符。对压缩时模型，给出了裂纹尖端张开位移过程曲线和不同土质的张开位移临界值并与理论预测值进行了比较，二者基本相符。最后应用基于有限元的离散裂纹单元来自动模拟冻土的Ⅰ-Ⅱ复合型断裂破坏裂纹扩展模拟过程，应用了基于能量的裂纹扩展准则，和裂纹尖端网格的自动剖分程序，并在裂纹尖端插入了四节点的界面元(指数形式的软化本构关系曲线)来模拟冻土的胶结力裂纹模型，同时与实验结果进行了对比，也获得了较好的效果。 第五章的内容是采用基于能量的观点，通过测试试样的非线性参数来求出非线性应变能释放率也即非线性断裂韧度。对沈阳地区的土质所进行的原状冻土非线性断裂力学试验。着重对Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅰ-Ⅱ复合型断裂破坏的三(四)点弯曲直裂纹试样进行了实验研究。并用染色剂对裂纹尺寸采用着色法观测。通过对当地土质进行分层冻胀量的观测，得出不同埋深处的冻胀量、冻融的关系，并以此来严格控制试样制作、试验过程的温度，对Ⅰ型非线性断裂韧度进行了两种试样的实验测试。由此给出了关于冻土的三种试样的非线性断裂韧度测试方法和结果，这是对原状冻土非线性断裂力学试验的进一步的探索和尝试。 第六章的内容是基于第五章的内容，在得出表观断裂韧度的基础上，通过修正因子法来求得非线性断裂韧度，以期与非线性应变能释放率的方法对比。同样对Ⅰ型、Ⅱ型断裂的冻土试样进行了断裂破坏实验，得出了相应的结果，与上一章的数据比较一致。 最后对本文工作进行了全面地总结，对冻土断裂力学研究的发展提出了自己的观点与设想，指出冻土断裂力学的研究至今仍只是做了些初步的工作，还需要进行大量的研究工作使其不断发展。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2冻土力学国内外研究综述

1.2.1冻土宏观力学性质的研究

1.2.2冻土微观力学性质的研究

1.2.3冻土冻结过程及冻胀的数值模拟

1.3断裂力学理论及其发展现状

1.3.1断裂力学对准脆性材料的应用研究

1.3.2断裂力学主要的算法研究

1.4冻土断裂力学的研究

1.4.1断裂力学在冻土研究中的适用性

1.4.2冻土脆性破坏条件

1.4.3平面应变断裂韧度条件

1.4.4冻土断裂破坏准则

1.4.5冻土断裂韧度测试研究

1.4.6冻土断裂力学的工程适用性

1.5本文主要研究内容

1.5.1问题的提出

1.5.2目的及意义

1.5.3本文主要工作

2冻土非线性断裂破坏的胶结力裂纹模型

2.1概述

2.2冻土微裂纹尺寸的观测与识别

2.2.1冻土中微结构的观测与微裂纹识别

2.2.2冻土中微裂纹尺寸的确认

2.3冻土裂纹尖端微裂纹损伤区形貌测试分析

2.3.1微裂纹损伤区观测试验

2.3.2微裂纹损伤发展过程分析

2.3.3冻土的微裂纹损伤区的理论计算

2.3.4微裂纹损伤区转化当量裂纹尺寸的计算

2.4冻土张拉破坏的胶结力裂纹模型

2.5冻土压缩破坏的胶结力裂纹模型

2.5.1翼型裂纹试样的宏观断裂过程研究

2.5.2翼型裂纹压缩断裂模型

2.6小结

3胶结力裂纹模型特征值计算表达式

3.1引言

3.2胶结力裂纹模型裂纹尖端位移场解析表达式

3.2.1帕里斯位移公式

3.2.2外力P产生的张开位移

3.2.3粘聚力引起的张开位移

3.3裂纹尖张开位移表达式

3.3.1三点弯曲梁模型裂纹尖端张开位移

3.3.2单轴压缩裂纹尖端张开位移表达式

3.4裂纹扩展位移表达式

3.4.1三点弯曲模型的裂纹扩展位移

3.4.2单轴压缩模型的裂纹扩展位移

3.5小结

4冻土非线性断裂破坏数值模拟的计算方法

4.1引言

4.2断裂力学主要的算法

4.2.1数值计算方法

4.2.2半解析数值方法

4.3冻土非线性断裂过程的数值模拟的计算方法

4.3.1张拉型及压缩型的破坏过程数值模拟方法

4.3.2 Ⅰ-Ⅱ混合型的数值模拟

4.4数值算例

4.4.1三点弯曲梁模型

4.4.2压缩模型结果

4.4.3Ⅰ-Ⅱ复合型断裂试样的数值模拟结果

4.5小结

5冻土非线性应变能释放率测试

5.1引言

5.2冻土非线性断裂韧度(应变能释放率G)的测试原理

5.2.1冻土非线性临界应变能释放率(G)C计算表达式

5.2.2参数n、k及d/da(1/M)的确定

5.3试样制作及实验装置

5.3.1土质及试样制备

5.3.2试样初始裂纹的制作及测量

5.3.3试验装置

5.3.4原状冻土冻结历史

5.4冻土非线性断裂韧度测试结果

5.4.1冻土试样的尺寸与形式

5.4.2实验结果

5.5小结

6冻土非线性断裂韧度(J)ⅠC及(J)ⅡC测试

6.1引言

6.2冻土非线性断裂韧度测试原理和方法

6.2.1基于修正因子的非线性断裂韧度的测试

6.2.2非线性修正因子的确定

6.3试样制作及实验装置

6.4原状冻土非线性断裂韧度测试结果

6.4.1 Ⅰ型断裂试样非线性断裂韧度测试

6.4.2 Ⅱ型断裂破坏的非线性断裂韧度的测试

6.5两种方法实验结果的比较分析

6.6小结

7发展与展望

结 论

本文创新点

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致 谢