【摘要】：摘要：膨脹土區(qū)域中的邊坡防護(hù)、渠道開(kāi)挖、建筑物基礎(chǔ)的不均勻沉降等巖土工程和高放廢物地下處置工程中都涉及到膨脹性非飽和土在外荷載和含水量變化作用下的變形、強(qiáng)度、滲流、持水等問(wèn)題。膨脹土作為一種特殊的土的類型,其行為較為復(fù)雜,產(chǎn)生的機(jī)理亦異于一般的非飽和土。目前膨脹土的理論很不完善,需要進(jìn)一步的研究和發(fā)展。本文的研究對(duì)象,即膨脹性非飽和土不同于一般的非飽和土。一方面,原狀粘土、較低含水量的壓實(shí)粘土以及由膨潤(rùn)土粒狀體組成的土體等膨脹性非飽和土均具有明顯的雙孔隙結(jié)構(gòu)特征。另一方面,由于膨脹土中含有蒙脫石和伊利石等強(qiáng)親水性礦物,因此土中固相基質(zhì)與附近液相間的物理-化學(xué)作用明顯,表現(xiàn)出宏觀的濕化膨脹的特性,并且液相的性質(zhì)隨孔隙的尺寸和其在孔隙中的位置的不同而變化。上述兩方面導(dǎo)致膨脹非飽和土的力學(xué)和水力行為較一般的非飽和土的行為更加復(fù)雜。所以,需要針對(duì)膨脹性非飽和土的雙孔隙結(jié)構(gòu)和其膨脹性的特點(diǎn),發(fā)展和完善已有的非飽和土力學(xué)的理論,并為進(jìn)一步的工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 本文針對(duì)具有雙孔隙結(jié)構(gòu)的膨脹性非飽和土進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,取得了以下主要研究成果： (1)基于多相孔隙介質(zhì)理論和基本的物理定律,針對(duì)膨脹性非飽和土結(jié)構(gòu)的特殊性,推導(dǎo)得到具有嚴(yán)格理論基礎(chǔ)的膨脹性非飽和土外力輸入功的表達(dá)式。在上述推導(dǎo)過(guò)程中,區(qū)分了土體內(nèi)部的宏觀孔隙和微觀孔隙,以及孔隙中的毛細(xì)液相和吸附液相。因此,依據(jù)功的表達(dá)式可以選取多組功共軛的變量作為進(jìn)一步構(gòu)筑本構(gòu)模型的廣義應(yīng)力和廣義應(yīng)變的變量。其中包括描述宏觀和微觀變形以及不同尺度的孔隙中液相含量變化的變量等。 (2)基于膨脹性非飽和土輸入功的表達(dá)式以及開(kāi)放的多相熱力學(xué)系統(tǒng)中能量-功-耗散之間的關(guān)系,建立適用于具有多尺度孔隙結(jié)構(gòu)特征的非飽和土的本構(gòu)模型理論框架。并且基于該理論框架,通過(guò)一些合理的假設(shè)和簡(jiǎn)化,在等向壓力條件下建立了雙尺度的水力滯回-力學(xué)耦合模型。文中首先根據(jù)以往研究者常采用的假設(shè)條件對(duì)上述推導(dǎo)而得的土體輸入功的表達(dá)式進(jìn)行了簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后的輸入功包含3項(xiàng),分別為宏觀孔隙變形所對(duì)應(yīng)的功,宏觀孔隙中毛細(xì)液相飽和度變化所對(duì)應(yīng)的功,以及微觀結(jié)構(gòu)變化所對(duì)應(yīng)的功。推導(dǎo)過(guò)程中,通過(guò)選取合適的內(nèi)變量反映功的表達(dá)式中3項(xiàng)間的聯(lián)系。所建立的雙尺度的水力滯回.力學(xué)耦合模型可同時(shí)考慮力學(xué)和水力行為間的耦合作用,以及土中微觀結(jié)構(gòu)的變化對(duì)土體整體行為的影響。 (3)建立了一個(gè)適用于膨脹性非飽和土的二元介質(zhì)模型,模型中考慮基質(zhì)吸力中的毛細(xì)部分和粘吸部分對(duì)膨脹土行為的不同作用和影響。以往研究中,研究者們常忽略基質(zhì)吸力中粘吸部分。然而就膨脹土而言,土中固相基質(zhì)與其附近液相間的物理-化學(xué)作用顯著,既粘吸部分的作用不容忽視。文中根據(jù)二元介質(zhì)模型的建模方法,將膨脹性非飽和土抽象為由兩個(gè)理想部分組成,即理想毛細(xì)部分和理想粘吸部分,并且分別建立適用于這兩者的本構(gòu)關(guān)系。然后利用參與函數(shù),反映實(shí)際情況下理想毛細(xì)部分和理想粘吸部分所占據(jù)或參與的比重。文中仿照二元介質(zhì)模型的建模思路,提出了一種在已有的非飽和土本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上,考慮土中固相基質(zhì)和附近液相間的物理-化學(xué)作用,即基質(zhì)吸力中粘吸部分的作用和影響的非飽和土本構(gòu)模型。 (4)基于熱力學(xué)中儲(chǔ)存塑性功的概念,對(duì)干濕循環(huán)路徑下膨脹土的變形行為產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了探討和研究。并建立了適用于基質(zhì)吸力循環(huán)路徑下的膨脹性非飽和土的本構(gòu)模型。文中指出由于膨脹土中集聚體的易延展性和顆粒間的相互制約作用,使得土中集聚體內(nèi)存在一定的儲(chǔ)存塑性功。因此,可將基質(zhì)吸力循環(huán)引起的膨脹土的塑性變形分為兩部分,其中一部分由顆粒間的重排列引起,另一部分由土中集聚體內(nèi)儲(chǔ)存的塑性能量的增加引起。為了反映上述特征,文中利用混合硬化準(zhǔn)則建立了相應(yīng)的彈塑性本構(gòu)模型。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TU443

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2296647