颗粒形状特征的表征及对砂土剪切模量影响的研究

摘要

砂土的剪切模量作为岩土分析中的一个重要参数，被广泛应用于判断砂土液化、分析动力荷载响应等方面。研究表明，砂土的剪切模量与土体的孔隙比、应力状态及颗粒的形状特征等因素有关。针对孔隙比和应力状态的影响，很多学者已经开展了相关研究，而对于颗粒形状特征对砂土剪切模量的影响研究较少。同时，一些学者基于图像处理技术对颗粒的形状特征开展了一系列研究，表明直接获取的单一形状参数很难完整描述颗粒的形状特征，应结合不同的参数综合表征。综合考虑砂土颗粒各层面形状参数和剪切模量的研究并不多见，而将其量化的相关理论计算公式则更罕见。本文从颗粒形状特征的表征与量化入手，对颗粒形状特征和砂土剪切模量的关系进行了试验和理论研究，具体内容包括:
　　(1)对颗粒各层面的形状特征参数进行了归纳改进，通过典型形状颗粒对这些参数进行了分析研究。研究结果表明某一单一参数很难完整描述颗粒形状的差异，颗粒形状特征参数自身定义的不同也会导致其受到的影响因素不同。同时，虽然颗粒形状特征被分为多个层面，但某一层面的形状特征参数也受到其他层面特征参数的影响。综合考虑形状特征参数的辨识度、参数间相互作用、影响条件复杂程度等因素，本文选取改进的半径角和二维形状特征指标，分别用来描述颗粒偏离圆或椭圆的程度以及颗粒棱角变化特征，并用以综合表征实际砂土颗粒的形状特征。
　　(2)通过扫描电子显微镜和数字图像处理技术对福建标准砂、人工石英砂共四个形状、粒径不同的试样进行了颗粒形状特征参数提取。综合颗粒整体轮廓和棱角特性两方面因素的影响，提出了形状因子综合表征砂土颗粒的粗糙程度，对四个试样的形状特征进行了表征和量化。
　　(3)采用弯曲元测试系统和模型箱加载系统对四个试样进行了八组孔隙比不同的试验，实测砂土在K0条件下不同竖向应力所对应的剪切模量。为了消除孔隙比的影响，采用归一化剪切模量研究其与砂土颗粒形状特征的关系。结果表明砂土在加载阶段和卸载阶段的归一化剪切模量与其形状因子呈现出良好的相关性。同时，砂土加载剪切模量和卸载剪切模量的差距与颗粒形状因子呈现出良好的相关性。
　　(4)从Hertz-Mindlin接触模型出发，并在其中引入颗粒形状因子推导出考虑颗粒形状特征的砂土剪切模量理论计算公式。理论计算结果和加载阶段砂土实测剪切模量吻合良好，验证了砂土剪切模量理论计算公式的合理性。

目录

声明

致谢

摘要

主要参数及符号说明

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 颗粒形状特征的表征

1．2．2 颗粒微观接触理论

1．3 本文主要研究内容

2．1 引言

2．2 颗粒形状特征参数的构建

2．2．1 颗粒尺寸

2．2．2 颗粒轮廓特征

2．2．3 颗粒棱角特征

2．2．4 颗粒表面特征

2．3 颗粒形状特征参数的获取

2．3．1 Image-Pro Plus

2．3．2 Matlab图像处理程序

2．4 典型形状的颗粒形状特征分析

2．4．1 正多边形

2．4．2 拉长正多边形

2．4．3 椭圆

2．4．4 锯齿圆

2．4．5 Koch曲线

2．5 本章小结

3．1 引言

3．2 试验材料

3．3 试验方法

3．3．1 颗粒微观图像的获取

3．3．2 颗粒微观图像处理

3．4 试验结果及分析

3．5 本章小结

4．1 引言

4．2 试验设备

4．2．1 弯曲元测试系统

4．2．2 模型箱及加载系统

4．3 试验方法

4．3．1 制

4．3．2 加载-卸载过程

4．3．3 弯曲元测试

4．4 试验结果分析

4．4．1 加载阶段

4．4．2 卸载阶段

4．4．3 加载-卸载对比分析

4．5 本章小结

第5章 引入颗粒形状特征参数的砂土剪切模量计算公式

5．1 引言

5．2 砂土剪切模量理论计算公式

5．2．1 基本假设

5．2．2 公式推导

5．3 理论计算与试验对比分析

5．4 本章小结

6．1 研究内容及结论

6．2 研究建议及展望

参考文献

作者简介及论文发表情况