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真三轴条件下黄土的结构性参数及结构性本构关系研究

作　者: 邓国华
导　师: 邵生俊
学　校: 西安理工大学
专　业: 岩土工程
关键词: 真三轴仪综合结构势结构性参数强度准则结构性本构模型
分类号: TU411
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-29
  1.1 土结构性研究的意义和目的  10-11
  1.2 土结构性研究的现状  11-25
    1.2.1 扰动状态概念  11-13
    1.2.2 综合结构势  13-19
    1.2.3 岩土破损力学  19-21
    1.2.4 四维空间理论  21-22
    1.2.5 四种分析方法的对比  22-23
    1.2.6 其他的研究方法  23-25
  1.3 结构性土强度变形理论研究现状  25-26
  1.4 本文研究内容与思路  26-29
第2章西安理工大学真三轴仪的调试与完善  29-45
  2.1 西安理工大学真三轴仪简介  29-32
  2.2 西安理工大学真三轴仪调适与完善  32-41
    2.2.1 液压囊漏水问题  32-33
    2.2.2 排水控制问题  33-35
    2.2.3 相关附属设备的设计与加工  35-37
    2.2.4 试验误差分析  37-41
  2.3 试验方法  41-43
  2.4 仪器尚存在的问题  43
  2.5 本章小结  43-45
第3章土结构性变化规律分析  45-82
  3.1 黄土的真三轴试验研究  45-61
    3.1.1 试验方案与计划  45-46
    3.1.2 土的基本物理性质  46
    3.1.3 试验成果分析  46-61
  3.2 原状黄土结构性变化规律分析  61-78
    3.2.1 应力比结构性参数的建立  61-63
    3.2.2 常规三轴条件下土结构性的变化规律  63-67
    3.2.3 真三轴条件下土结构性的变化规律  67-77
    3.2.4 应力比结构性参数和应力结构性参数的比较  77-78
  3.3 真三轴条件下黄土的破坏形式  78-81
  3.4 本章小结  81-82
第4章结构性土强度变形规律分析  82-103
  4.1 结构性土的变形规律  82-88
  4.2 结构性土的强度规律  88-102
    4.2.1 土结构性与强度特性之间的关系  88-90
    4.2.2 结构性参数与强度参数之间的关系  90-93
    4.2.3 结构性土与重塑土强度破坏面的比较  93-101
    4.2.4 结构性与强度破坏面之间的关系  101-102
  4.3 本章小结  102-103
第5章结构性土的弹塑性本构模型  103-125
  5.1 剑桥模型概况及发展  103-106
  5.2 研究思路  106-107
  5.3 结构性土的压缩变形特性  107-111
    5.3.1 基本理论  107-108
    5.3.2 准先期固结压力与结构性之间的关系  108-110
    5.3.3 压缩曲线直线段的斜率λ与结构性之间的关系  110-111
    5.3.4 压缩曲线回弹段斜率κ与结构性之间的关系  111
  5.4 结构性土的临界状态线  111
  5.5 结构性土的剑桥模型  111-114
    5.5.1 屈服面  112-113
    5.5.2 本构关系  113-114
  5.6 结构性土的修正剑桥模型  114-117
    5.6.1 屈服面  114-116
    5.6.2 本构关系  116-117
  5.7 模型预测与验证  117-123
    5.7.1 弹塑性矩阵[D]_(ep)的推导  117-118
    5.7.2 模型预测  118-123
  5.8 本章小结  123-125
第6章结论与展望  125-129
  6.1 结论  125-127
  6.2 展望  127-129
致谢  129-130
参考文献  130-137
附录:攻读博士研究生期间的主要科研成果  137-138

真三轴条件下黄土的结构性参数及结构性本构关系研究

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