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延安Q_2黄土的力学及流变特性研究

作　者: 何青峰
导　师: 赵法锁；肖平新
学　校: 长安大学
专　业: 地质工程
关键词: 延安Q2黄土 损伤门槛值 结构强度 统计损伤 蠕变试验 分数阶微积分 软体流变模型
分类号: P642.131
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


黄土是一种具有地域性分布的特殊土体,其物理力学性质随地域不同而具有显著的差异。本文以延安Q2黄土为研究背景,以黄土的结构性和流变特性为研究的核心内容,通过对不同含水量延安Q2黄土进行常规物理特征试验、单轴无侧限压缩试验、常规三轴压缩试验、单轴蠕变试验、扫描电子显微镜观测以及三轴蠕变试验研究,运用力学分析和数值分析等方法对延安Q2黄土的力学参数及结构损伤特征随含水量的变化规律、剪切变形破坏特征、蠕变变形破坏特征以及本构模型等进行了系统的研究,本研究工作对黄土高原地区的各类岩土工程设计有着重要的理论和实践意义。本文的主要成果有:（1）通过常规物理性质试验研究了延安Q2黄土的颗粒组成、矿物成分等;通过单轴无侧限压缩试验和常规三轴压缩试验研究了黄土的结构强度、粘聚力c以及摩擦系数tanφ等力学参量随含水量的变化规律。（2）CU剪切试验表明,Q2黄土的应力应变关系呈强软化型至较强软化型,该本构关系可用刘祖典教授（1996）提出的强软化型本构模型来描述。依据试验结果深入研究了模型参数随含水量和围压的变化规律,讨论了应变速率对黄土应力应变曲线的影响情况;总结了黄土剪切破坏的整体变形方式、破坏类型和变形破坏力学模式。（3）单轴压缩试验中,延安Q2黄土的应力损伤门槛值随含水量的增加呈指数函数减小,而黄土的应变损伤门槛值与含水量的关系不大,初始弹性模量随含水量的增加呈幂函数降低。采用刚度损伤和强度损伤假设及统计损伤方法,求取了宏观参量和微观结构变化的黄土损伤变量表达式,分别建立了黄土刚度损伤、强度损伤和统计损伤本构模型,并比较了各模型的特点。（4）大量蠕变试验结果表明,延安Q2黄土单轴蠕变破坏应力随含水量的增加呈指数函数减小,相同含水量条件下蠕变破坏应力与结构强度的比值约为0.8;三轴蠕变试验中含水量和围压对黄土蠕变破坏应力有着很大的影响,依据试验结果研究了黄土蠕变破坏应力随含水量和围压的变化规律;总结了三轴蠕变黄土的整体变形及破坏特征。（5）通过对延安原状Q2黄土和单轴蠕变破坏黄土进行扫描电子显微镜观测发现,蠕变前原状黄土的结构以支架大孔隙胶结结构和镶嵌微孔隙胶结结构为主,蠕变后则转为以镶嵌微孔隙胶结结构和凝块状胶结结构为主,黄土蠕变过程的实质就是随着外荷载的增加土体颗粒结构连接由结构硬化逐步转变为结构软化的过程。（6）依据蠕变试验结果,运用Riemann-Liouville型分数阶微积分算子理论探索性地建立了黄土软体流变本构模型,并对模型参数变化规律进行了研究;运用模型理论建立了黄土的粘弹塑性流变模型,在此基础上引入统计损伤理论建立了考虑瞬时损伤的黄土统计损伤流变本构模型和能反映黄土加速蠕变阶段的蠕变损伤流变本构模型。（7）采用ANSYS进行前处理,用APDL语言提取计算所需的相关信息,用MATLAB6.5编制了Q2黄土粘弹塑性损伤流变模型的平面应变有限元计算程序。利用编制的有限元程序,对延安Q2黄土蠕变试验进行了有限元分析,结果表明该模型可以较好的反映黄土的流变特性。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-12
第一章 绪论  12-25
  1.1 论文选题依据  12-13
  1.2 土体变形规律及黄土的结构性研究现状  13-17
    1.2.1 土体变形规律研究  13-15
    1.2.2 黄土的结构性研究现状  15-17
  1.3 土的流变研究现状  17-22
    1.3.1 土的流变特性试验研究  17-18
    1.3.2 土的流变本构模型研究  18-22
  1.4 论文的主要研究内容  22-24
  1.5 技术路线  24-25
第二章 延安Q_2黄土物理力学特性试验研究  25-58
  2.1 黄土成因及其特征  25
  2.2 黄土的物理特征研究  25-28
    2.2.1 密度与含水量特征  25-27
    2.2.2 黄土的粒度成分特征  27-28
  2.3 黄土的成分特征研究  28-29
    2.3.1 黄土的矿物成分特征  28-29
    2.3.2 黄土的化学成分特征  29
  2.4 黄土的微结构特征研究  29-32
    2.4.1 黄土的孔隙特征  30-31
    2.4.2 黄土的胶结物质  31-32
  2.5 黄土的力学特性试验研究  32-43
    2.5.1 黄土的结构强度研究概述  32-33
    2.5.2 试验土样的选取及制备  33-34
    2.5.3 黄土单轴无侧限压缩试验  34-36
    2.5.4 黄土常规三轴压缩试验  36-40
    2.5.5 黄土CU 剪切本构关系的影响因素  40-43
  2.6 黄土力学参数变化规律研究  43-45
    2.6.1 延安Q_2 黄土力学参数变化规律研究  43-44
    2.6.2 不同地域黄土力学参数变化规律对比  44-45
  2.7 黄土的应力应变本构方程  45-51
    2.7.1 本构模型的建立  45-47
    2.7.2 模型参数变化规律研究  47-51
  2.8 黄土的剪切变形破坏特征  51-55
    2.8.1 黄土的整体变形特征  51-52
    2.8.2 黄土的变形规律  52
    2.8.3 黄土的破坏类型及特征  52-54
    2.8.4 黄土的变形破坏力学模式  54-55
  2.9 本章小结  55-58
第三章 黄土结构损伤特性研究  58-91
  3.1 黄土的结构性  58-60
  3.2 损伤力学基本理论  60-64
    3.2.1 损伤的定义  60
    3.2.2 损伤力学及其分类  60-61
    3.2.3 损伤变量的选取和测量  61-62
    3.2.4 土体损伤本构模型研究  62-64
  3.3 黄土损伤特性研究  64-69
    3.3.1 Q_2 黄土单轴压缩试验  65-66
    3.3.2 黄土损伤门槛值分析  66-67
    3.3.3 黄土初始弹性模量分析  67-69
    3.3.4 黄土损伤演化规律研究  69
  3.4 黄土的刚度劣化和强度劣化损伤研究  69-76
    3.4.1 黄土的刚度劣化损伤研究  69-72
    3.4.2 黄土的强度劣化损伤研究  72-76
  3.5 黄土统计损伤本构模型研究  76-89
    3.5.1 黄土单轴统计损伤本构模型  76-80
    3.5.2 黄土三轴统计损伤本构模型  80-89
  3.6 本章小结  89-91
第四章 延安 Q_2黄土流变特性试验研究  91-123
  4.1 黄土流变的理论基础  91-103
    4.1.1 土的流变特性  91-93
    4.1.2 土的流变理论概述  93-95
    4.1.3 土流变性质的影响因素  95-96
    4.1.4 线性流变和非线性流变研究  96-102
    4.1.5 加载方式及数据处理方法  102-103
  4.2 试验设备及试样制备  103-106
    4.2.1 试验设备概况  103-105
    4.2.2 试样制备  105-106
  4.3 延安Q_2黄土单轴蠕变试验研究  106-110
    4.3.1 Q_2 黄土单轴蠕变试验结果  106-107
    4.3.2 单轴蠕变应力应变等时曲线  107-109
    4.3.3 单轴蠕变破坏应力与结构强度对比研究  109-110
  4.4 延安Q_2黄土三轴蠕变试验研究  110-114
    4.4.1 延安Q_2 黄土三轴蠕变试验结果  110-111
    4.4.2 三轴蠕变应力应变等时曲线  111-113
    4.4.3 三轴蠕变破坏应力与围压关系研究  113-114
  4.5 黄土蠕变变形破坏特征研究  114-117
    4.5.1 黄土蠕变的整体变形特征  114-116
    4.5.2 黄土的蠕变变形规律  116-117
  4.6 结构性Q_2黄土蠕变的微观分析  117-121
    4.6.1 延安原状Q_2 黄土的微观结构分析  117-118
    4.6.2 延安Q_2 黄土蠕变的微观结构分析  118-121
  4.7 本章小结  121-123
第五章 黄土流变本构模型研究  123-157
  5.1 黄土流变的软体本构模型  123-133
    5.1.1 分数阶微积分的引入  123-124
    5.1.2 分数阶微积分的概念  124
    5.1.3 分数阶微积分流变元件  124-126
    5.1.4 软体流变模型的建立  126-127
    5.1.5 软体流变模型参数的确定  127-133
  5.2 黄土粘弹塑性流变模型  133-144
    5.2.1 黄土粘弹性阶段流变模型及参数  133-138
    5.2.2 黄土粘塑性阶段流变模型及参数  138-139
    5.2.3 黄土粘弹塑性流变模型及其参数  139-142
    5.2.4 粘弹塑性模型在复杂应力条件下的推广  142-144
  5.3 考虑瞬时损伤的黄土粘弹塑性流变模型  144-149
    5.3.1 黄土粘弹塑性损伤流变模型的建立  144-145
    5.3.2 黄土粘弹塑性损伤变量的确定  145-146
    5.3.3 黄土粘弹塑性损伤模型的应用研究  146-149
  5.4 考虑蠕变损伤的黄土流变本构模型研究  149-155
    5.4.1 黄土的一维粘弹塑性损伤模型  150-152
    5.4.2 黄土的三维粘弹塑性损伤模型  152-155
  5.5 本章小结  155-157
第六章 黄土流变的有限元分析  157-171
  6.1 有限元分析基本原理  157-159
    6.1.1 有限元分析的求解步骤  157
    6.1.2 线弹性有限元分析过程  157-159
  6.2 Q_2黄土流变模型的有限元分析  159-163
    6.2.1 流变问题有限元分析的初应变法  159
    6.2.2 黄土粘弹塑性统计损伤流变模型的有限元解析  159-162
    6.2.3 时间步长的选择  162-163
  6.3 有限元程序开发  163-166
  6.4 Q_2黄土蠕变试验成果的有限元分析  166-170
    6.4.1 计算模型及参数选取  166-168
    6.4.2 有限元计算结果分析  168-170
  6.5 本章小结  170-171
结论与存在的问题  171-174
参考文献  174-184
攻读学位期间取得的研究成果  184-185
致谢  185

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中图分类: > 天文学、地球科学 > 地质学 > 水文地质学与工程地质学 > 工程地质学 > 土质学 > 特殊土质 > 黄土
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