【摘要】：土體的拉-剪耦合破壞和壓剪破壞是土坡、堤防、路基及垃圾填埋場(chǎng)等邊坡失穩(wěn)破壞的主要破壞模式,邊坡的穩(wěn)定性受土的拉剪耦合強(qiáng)度和壓剪強(qiáng)度的共同影響。而傳統(tǒng)的壓剪強(qiáng)度理論建立在土體受壓-剪應(yīng)力作用的基礎(chǔ)上,不適用于分析土的拉剪耦合強(qiáng)度特性。目前還未形成完整的、工程界認(rèn)可的、能夠綜合考慮拉剪耦合強(qiáng)度和壓剪強(qiáng)度的聯(lián)合強(qiáng)度理論。因此,開展土的拉-剪和壓-剪聯(lián)合強(qiáng)度理論研究具有重要的理論和實(shí)際工程應(yīng)用意義。本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上,探討建立了平面應(yīng)力及三維應(yīng)力條件下土的拉-剪和壓-剪聯(lián)合強(qiáng)度模型,并通過有限元實(shí)現(xiàn)研究了其在邊坡穩(wěn)定性分析中的適用性。本文的主要研究工作包括:(1)基于土的聯(lián)合強(qiáng)度理論研究成果,分析了土中拉剪耦合強(qiáng)度作用機(jī)制,通過分別討論土在拉-剪耦合應(yīng)力作用和壓-剪應(yīng)力作用下的強(qiáng)度特征,提出并建立了一種飽和黏土的拉-剪和壓-剪聯(lián)合強(qiáng)度模型。經(jīng)與已有的試驗(yàn)結(jié)果以及室內(nèi)不同黏土的單軸拉伸試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,所建立的強(qiáng)度模型能較好的描述飽和黏土的拉剪耦合強(qiáng)度及壓剪強(qiáng)度特征。(2)基于基質(zhì)吸力中的毛細(xì)部分和黏吸部分對(duì)土體強(qiáng)度的不同作用機(jī)制,分別建立了理想毛細(xì)強(qiáng)度公式和理想黏吸強(qiáng)度公式,并利用參與函數(shù)反映這兩部分基質(zhì)吸力對(duì)土體強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率,提出了一種非飽和黏土的壓剪強(qiáng)度模型。模型預(yù)測(cè)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比表明,該模型能較好的描述土在廣吸力范圍的壓剪強(qiáng)度特性。并基于壓剪強(qiáng)度模型,建立了非飽和黏土的拉-剪和壓-剪聯(lián)合強(qiáng)度模型。經(jīng)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比,模型能夠較好的預(yù)測(cè)非飽和黏土的拉剪耦合強(qiáng)度及壓剪強(qiáng)度。(3)通過綜合考慮拉剪耦合強(qiáng)度作用機(jī)制和中主應(yīng)力效應(yīng),將拉-剪和壓-剪聯(lián)合強(qiáng)度模型擴(kuò)展到三維應(yīng)力空間,分別建立π平面與三軸壓縮子午面上的破壞函數(shù),并采用線性變換方法建立了三維主應(yīng)力空間的非線性強(qiáng)度模型。通過將模型預(yù)測(cè)結(jié)果與砂土、粉土和黏土等不同類型土的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表明,土的三維非線性強(qiáng)度模型適用于多種土體類型,能夠較好地描述其在三維應(yīng)力作用下的拉剪耦合強(qiáng)度特性,并較好的體現(xiàn)中主應(yīng)力效應(yīng)的影響。(4)基于上述三維非線性強(qiáng)度模型,以ABAQUS軟件為平臺(tái)進(jìn)行UMAT二次開發(fā),采用隱式向后歐拉積分算法編制了UMAT本構(gòu)程序,并通過數(shù)值試驗(yàn)對(duì)程序算法的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。隨后,將其應(yīng)用到邊坡穩(wěn)定性分析中,采用有限元強(qiáng)度折減法,分析了一般邊坡、未降雨及降雨條件下的非飽和土邊坡的穩(wěn)定性問題。對(duì)比M-C強(qiáng)度模型,數(shù)值計(jì)算結(jié)果體現(xiàn)了該模型在描述邊坡的變形破壞機(jī)制、等效塑性區(qū)和臨界滑裂面的漸進(jìn)性發(fā)展過程以及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等方面的優(yōu)越性,具有一定的實(shí)用價(jià)值。
【圖文】：

進(jìn)行了壓實(shí)黏土的三軸拉伸試驗(yàn)和拉壓循環(huán)試驗(yàn)，壓的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，并認(rèn)為土體發(fā)生脆性斷裂破壞。駱亞）邋［４２］通過對(duì)擾動(dòng)黃土試樣開展單軸拉伸試驗(yàn)，研究了黃土抗拉密度、飽和度以及基質(zhì)吸力間的關(guān)系。黨進(jìn)謙等（２００１）邋［４３］在功研發(fā)了應(yīng)變控制臥式單軸土工拉伸儀，并在此基礎(chǔ)上研宄了和朱俊高（２００６）邋［４４］設(shè)計(jì)了一套能進(jìn)行土體單軸拉伸試驗(yàn)的夾萬能試驗(yàn)機(jī)上，采用應(yīng)力控制或應(yīng)變控制來對(duì)圓柱體形試樣進(jìn)了抗拉強(qiáng)度隨著前期固結(jié)壓力的增加而增加，固結(jié)壓力較小時(shí)張琰（２００９）邋［８］研制了一種新型的臥式三軸拉壓試驗(yàn)儀，采用應(yīng)，對(duì)兩種黏土進(jìn)行了三軸拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)黏土試樣的破壞可能張拉破壞、中圍壓時(shí)的張拉－剪切復(fù)合破壞以及高圍壓時(shí)的剪切圖２－２中的破壞試樣所示。逡逑

毛細(xì)吸力等土顆粒間各種作用力的綜合，與含水量、飽和度和基質(zhì)吸力關(guān)［４９］。在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常有學(xué)者出于簡化考慮采用Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ強(qiáng)延長直線段來預(yù)測(cè)土體的抗拉強(qiáng)度，但由于拉應(yīng)力區(qū)強(qiáng)度的高度非線性，顯著的高估土體的抗拉強(qiáng)度及拉剪耦合作用時(shí)的強(qiáng)度。逡逑Ｍｏｒｒｉｓ邋（１９９２）邋［４９］通過對(duì)非飽和土壤開裂的研宄，基于Ｆｒｅｄｌｕｎｄ型抗式［１８］將非飽和土的抗拉強(qiáng)度表示為有效黏聚力和基質(zhì)吸力的函數(shù)，，其具為：逡逑＜ｔ，邋＝邋—ａＴｃ邋ｃｏｔ邋（ｐ邋＝邋－ａＴ邋＾ｃ＇邋＋邋（ｕａ邋—ｕｊ）邋ｔａｎ邋＜ｐｈ邋Ｊ邋ｃｏｔ邋ｃｐ＇邐（中：ａ；■為抗拉強(qiáng)度參數(shù)，取值為０．５￣０．７；邋ｔａｎ，為抗剪強(qiáng)度隨基變化的速率。逡逑Ｖｅｓｇａ等（２００６）邋［５（）］采用單軸拉伸試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)分別測(cè)試了非飽在不同含水量時(shí)的抗拉強(qiáng)度，結(jié)果表明非飽和高嶺土的抗拉強(qiáng)度隨含水呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象。邢義川等（１９９９）邋［５１］、李曉軍等（２００９）邋［５２］等（２０１３）邋［４７］針對(duì)不同非飽和土的拉伸試驗(yàn)也得到了相似結(jié)果。逡逑
【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】：2018
【分類號(hào)】：TU41

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2605850