真三轴条件下黄土的结构性参数及结构性本构关系研究

摘要

结构性是天然岩土材料的基本属性,其定性和定量上的复杂性致使土结构性的研究仍处于一个“百花齐放”的探索阶段。本文在总结土结构性及其力学效应研究成果的基础上,借助新开发的真三轴仪,在综合结构势理论的框架内,进一步深入认识了土结构性的变化规律,并探讨分析了结构性土的强度变形本构关系。主要的研究成果有：第一,调试和完善了西安理工大学自主研发的新型真三轴仪。解决了该仪器系统存在的几个关键技术问题,如液压囊漏水问题、排水控制问题、仪器系统误差分析、附属设备的设计等。同时,对试验方法进行翔实的总结,并提出了仪器系统尚存在的问题。第二,通过真三轴仪,研究了原状黄土、重塑黄土和饱和黄土的应力应变和体变特性。提出了一个可全面反映剪应力和球应力共同作用的结构性参数——应力比结构性参数,实现了应力空间内任意应力路径下对土结构性的描述。通过常规三轴试验和真三轴试验,系统地认识了土结构性的变化规律以及它与剪切变形、含水量、固结压力和应力路径之间的关系,建立了描述结构性变化规律的数学表达式,并揭示了真三轴条件下土样的四种破坏形式。第三,建立了土的强度与结构性之间的关系,提出了一个可考虑结构性的抗剪强度公式,分析了强度参数粘聚力和内摩擦角与结构性参数之间的关系。认为结构性参数比与强度比成正比关系,粘聚力与结构性参数符合近似的双曲线关系,当土的结构性遭到彻底破坏时,其粘聚力为0。摩擦角在结构性变化过程中基本不变。第四,分析了应力空间内土的强度破坏面,探讨了强度破坏面的大小和形状与结构性之间的关系。认为结构性较强时,粘聚分量对土强度的贡献较大,三轴压缩与三轴挤伸状态时土的强度变化不大,其破坏面可以用Mises准则描述；结构性较弱时,粘聚力贡献较小或近于丧失,土的强度主要受颗粒摩擦特性的控制,其强度破坏面可以用Mohr-coulomb准则描述。随着结构性的增大,强度破坏面逐渐向外扩展。第五,分析了结构性土准先期固结压力、压缩曲线直线段斜率和回弹段斜率与结构性参数之间的关系。在剖析等结构性条件下土的临界状态力学特性和剑桥模型的基础上,结合土结构性的变化规律和结构性土的强度变形规律,建立了结构性土的弹塑性模型。模型引入了随结构性变化的压缩特性和临界状态线,能够合理的反映结构性土的变形特性。由分析可知,剑桥模型只是该模型在结构性参数等于1时的特殊情况。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 土结构性研究的意义和目的

1.2 土结构性研究的现状

1.2.1 扰动状态概念

1.2.2 综合结构势

1.2.3 岩土破损力学

1.2.4 四维空间理论

1.2.5 四种分析方法的对比

1.2.6 其他的研究方法

1.3 结构性土强度变形理论研究现状

1.4 本文研究内容与思路

第2章 西安理工大学真三轴仪的调试与完善

2.1 西安理工大学真三轴仪简介

2.2 西安理工大学真三轴仪调适与完善

2.2.1 液压囊漏水问题

2.2.2 排水控制问题

2.2.3 相关附属设备的设计与加工

2.2.4 试验误差分析

2.3 试验方法

2.4 仪器尚存在的问题

2.5 本章小结

第3章 土结构性变化规律分析

3.1 黄土的真三轴试验研究

3.1.1 试验方案与计划

3.1.2 土的基本物理性质

3.1.3 试验成果分析

3.2 原状黄土结构性变化规律分析

3.2.1 应力比结构性参数的建立

3.2.2 常规三轴条件下土结构性的变化规律

3.2.3 真三轴条件下土结构性的变化规律

3.2.4 应力比结构性参数和应力结构性参数的比较

3.3 真三轴条件下黄土的破坏形式

3.4 本章小结

第4章 结构性土强度变形规律分析

4.1 结构性土的变形规律

4.2 结构性土的强度规律

4.2.1 土结构性与强度特性之间的关系

4.2.2 结构性参数与强度参数之间的关系

4.2.3 结构性土与重塑土强度破坏面的比较

4.2.4 结构性与强度破坏面之间的关系

4.3 本章小结

第5章 结构性土的弹塑性本构模型

5.1 剑桥模型概况及发展

5.2 研究思路

5.3 结构性土的压缩变形特性

5.3.1 基本理论

5.3.2 准先期固结压力与结构性之间的关系

5.3.3 压缩曲线直线段的斜率λ与结构性之间的关系

5.3.4 压缩曲线回弹段斜率κ与结构性之间的关系

5.4 结构性土的临界状态线

5.5 结构性土的剑桥模型

5.5.1 屈服面

5.5.2 本构关系

5.6 结构性土的修正剑桥模型

5.6.1 屈服面

5.6.2 本构关系

5.7 模型预测与验证

5.7.1 弹塑性矩阵[D]_(ep)的推导

5.7.2 模型预测

5.8 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录:攻读博士研究生期间的主要科研成果