散粒体的加卸载与应力释放特性

摘要

针对岩土体开挖问题的力学行为，利用散粒体的单元试验和模型试验研究内摩擦对加卸载和应力释放特性的影响，从而寻求岩土材料内摩擦对开挖荷载的影响。
　　 依据散粒体单元的应力-应变特性，将单元加卸载划分为加载、弹性卸载、伸长卸载和拉伸四个阶段，通过摩擦功和应变能的变化，分析了内摩擦的作用，并结合重力场下散粒体的局部卸载试验和砂的模型加卸载试验，初步分析了内摩擦对应力释放特性的影响。
　　 采用玻璃珠和丰浦砂进行了多组三轴伸长试验，研究了围压、初始固结状态以及材料物理特性对散粒体伸长卸载应力-应变关系的影响，试验结果表明散粒体的伸长卸载强度服从莫尔-库仑强度准则，与平均有效应力成正比。散粒体在伸长卸载过程中体积膨胀，颗粒间的内摩擦阻力随着应变逐渐发挥出来。
　　 在试验的基础上，采用三维离散元方法模拟了玻璃珠的伸长卸载试验，对比分析了围压、初始固结状态以及散粒体的物理特征包括孔隙比、接触刚度、配位数、内摩擦系数、级配对伸长卸载特性的影响，并进一步做了细观机理解释。
　　 采用石英砂、玻璃筒容器和矩形铁箱容器，设计了砂的静力模型加卸载试验。对外荷载施加和卸除作用下砂中的应力变化进行了测量，得到了加卸载作用下砂中应力变化规律，明确了砂内部应力释放与卸荷水平、当前应力状态和砂中内摩擦水平均有关系。通过对散粒体变形和应力释放的细观机理分析，结合前述的三轴试验结果，提出了散粒体的应力释放模型。
　　 根据提出的应力释放模型，结合弹性理论计算得到的孔洞周围应力，提出了圆形、椭圆和方形不同开挖形状的浅埋和深埋隧道开挖应力释放系数的近似解，并对比了散粒体内摩擦角对应力释放系数的影响。进而，采用二维离散元方法模拟了散粒体中的隧道开挖，通过位移和主应力的变化进一步分析了不同开挖形状的隧道周围的应力释放，与前述的近似解结果做了对比。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 散粒体的内摩擦特性研究

1.2.2 离散元方法在散粒体研究中的应用

1.2.3 散粒体的加卸载特性研究

1.2.4 岩土体的开挖问题

1.2.5 总结

1.3 本文的学术构思和创新点

1.3.1 研究思路

1.3.2 学术构思

1.3.3 研究手段与方法

1.3.4 创新点

第2章 散粒体的内摩擦和加卸载特性

2.1 散粒体的内摩擦特性

2.1.1 固体的摩擦理论

2.1.2 散粒体的内摩擦

2.1.3 内摩擦对散粒体物理加卸载特性的影响

2.2 散粒体单元的加卸载特性

2.2.1 加卸载过程中的物理力学变化

2.2.2 加卸载过程中的能量转换

2.3 重力场作用下的局部卸载与开挖问题

2.3.1 重力场作用下的局部卸载试验

2.3.2 开挖问题的应力状态分析

2.4 小结

第3章 散粒体的三轴伸长卸载试验

3.1 试验条件和过程

3.1.1 试验仪器和材料

3.1.2 制样过程

3.1.3 试验方案和试验过程

3.2 试验结果分析

3.2.1 材料特性的影响

3.2.2 初始同结状态的影响

3.2.3 围压的影响

3.3 散粒体伸长卸载的强度和变形特性

3.3.1 散粒体的伸长卸载强度

3.3.2 散粒体试样的体积变形特性和位移矢量

3.4 小节

第4章 散粒体伸长卸载特性的离散元模拟

4.1 主要计算原理

4.1.1 颗粒流软件的基本原理

4.1.2 计算方法

4.1.3 主要物理和力学参数计算

4.2 模拟方法和主要模拟过程

4.3 计算结果分析

4.3.1 围压的影响

4.3.2 颗粒接触刚度的影响

4.3.3 初始孔隙比的影响

4.3.4 计算内摩擦系数的影响

4.3.5 初始固结状态的影响

4.3.6 颗粒平均配位数的变化

4.3.7 数值计算与试验结果对比

4.4 散粒体卸载过程中颗粒的细观特征

4.4.1 卸载过程中颗粒的转动

4.4.2 卸载过程中颗粒间的接触方向变化

4.5 本章小结

第5章 砂的静力模型加卸载试验

5.1 单元体试验和模型试验

5.2 模型静力加卸载试验方案

5.2.1 试验构思

5.2.2 试验装置和量测元件

5.2.3 试验过程

5.3 砂在圆筒中的加卸载试验

5.3.1 试验结果

5.3.2 试验结果分析

5.4 砂在矩形容器中的加卸载试验

5.4.1 试验结果

5.4.2 试验结果分析

5.5 小结

第6章 散粒体的应力释放模型

6.1 既有力学模型的假定和存在的问题

6.2 开挖应力释放的物理过程

6.3 散粒体应力释放的判定

6.3.1 应力释放判定准则

6.3.2 内摩擦阻力对应力释放的影响计算

6.4 散粒体的增量应力释放模型

6.5 小结

第7章 开挖应力释放系数的近似解

7.1 基于连续介质理论的开挖计算方法

7.2 隧道开挖边界应力的弹性解

7.3 不同形状开挖隧道的应力释放系数

7.3.1 浅埋和深埋隧道的应力释放系数

7.3.2 内摩擦角对应力释放系数的影响

7.4 不同形状开挖面的离散元模拟

7.4.1 模拟方法

7.4.2 计算结果分析

7.4.3 隧道开挖形状和埋深对应力释放的影响

7.5 小结

第8章 结论与展望

8.1 主要结论

8.2 进一步研究的问题

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果