【摘要】：土體是自然界最廣泛的工程材料,合理掌握土體力學特性是保證工程安全和穩(wěn)定的重要前提。然而,土體復雜的物質成分和隨機易變的微細觀結構使其力學特性仍未準確掌握,一些經(jīng)過“精心”設計的巖土工程項目仍然經(jīng)常出現(xiàn)嚴重的工程問題甚至發(fā)生工程安全事故。土體力學特性的復雜性主要源于顆粒間的相互作用特性和孔隙尺度特征(即孔隙尺度及分布特征)及其演變。顆粒間的相互作用主要是通過界面上的物理-化學效應如顆粒間摩擦和擠壓、顆粒-水和氣的吸附、砂粒與粘粒膠粒的膠結等來實現(xiàn)的,其性質與顆粒尺度密切相關,將影響作為土體力學性質而呈現(xiàn)“顆粒尺度效應”。土體變形通常伴隨孔隙壓縮和滲流,引起大孔隙湮滅和微小孔隙萌生等孔隙尺度特征變化,由此產生固結變形的“孔隙尺度演變效應”;顆粒-孔隙液的物理化學效應將顯著影響土體滲流特性,該影響與孔隙尺度密切相關,隨著孔隙尺度的減小而逐漸顯著,由此呈現(xiàn)滲流的“孔隙尺度效應”,進而影響土體滲流過程,使土體力學特性更加難以掌握。本文主要針對上述問題,深入微細觀尺度層次,重新考慮問題的內在機制,建立相關的模型理論并給上述問題的理論分析。主要研究工作和成果如下:(1)針對不同應力應變狀態(tài)的顆粒尺度效應進行研究,展示直剪試驗與三軸試驗顆粒尺度效應的差異�；诩羟欣@流以及基體-增強顆粒的作用特性,對直剪試驗的顆粒尺度效應進行了理論分析,并對直剪試驗與三軸試驗之間顆粒尺度效應的差異給出合理的機理解釋。(2)基于多尺度胞元模型,利用等效夾雜理論和材料的彈塑性變形特性,確定考慮基體塑性變形的應變集中張量,由此利用各尺度層次上的關聯(lián)性及能量法則,導出土體本構關系;引入量綱平衡參數(shù)(即內稟尺度)對應力和偶應力進行耦合,由此獲得表征土體內稟特性的特征長度參數(shù),并分析土體顆粒尺度對其內稟特性的影響。(3)基于多尺度胞元模型,考慮細觀基體-增強顆粒的作用特性,導出包含細觀特性參數(shù)的Mohr-Coulomb準則,并展示屈服軌跡的顆粒尺度效應特征;引入相對轉動梯度和內稟尺度,導出有限元計算的剛度矩陣,并編制有限元程序對應力局部化問題、應變局部化問題和顆粒尺度效應進行算例分析。(4)基于固結變形過程中孔隙尺度演變的試驗,導出考慮孔隙尺度演化的非線性固結方程;基于文中孔隙尺度演化固結理論,給出超孔隙水壓力消散、固結壓縮變形和平均固結度隨時間變化的一系列計算曲線,解釋有關文獻中報道的不同固結荷載下土體復雜的固結變形特性。(5)基于固-液界面的摩擦機制,考慮孔隙液粘結強度的影響而建立與水力梯度相關的邊界滑移模型;利用Poisson方程、熱力學平衡條件和Navier Stokes方程,導出低滲透性土的滲透性模型理論,據(jù)此分析土體微-納米尺度孔隙滲流特性的作用機理和影響機制,描述了滲透系數(shù)隨水力梯度增加或減小的現(xiàn)象。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TU43

【參考文獻】

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本文編號：2760360