本文關(guān)鍵詞：吉林省東部地區(qū)沼澤草炭土的應(yīng)力路徑本構(gòu)模型研究

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【摘要】：草炭土是一種廣泛分布于我國(guó)長(zhǎng)白山脈、大小興安嶺、青藏高原、川滇西北部、新疆大部山區(qū)的特殊土體,特有的氣候、地形地貌及水文條件使地表沼澤環(huán)境中的植物遺體(包括根、莖、葉、果實(shí)等),在氧氣和微生物(喜氧細(xì)菌)的作用下,轉(zhuǎn)變成一種新的多水的富含腐殖酸的腐殖質(zhì)土,其物質(zhì)組分、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、水理性質(zhì)以及力學(xué)性質(zhì)都異常復(fù)雜,特殊的外部環(huán)境使其形成了不同于其他土類的特有性質(zhì),即高有機(jī)質(zhì)、高壓縮性、高含水量、高滲透性、大孔隙比、低分解度,同時(shí)它還具有一般軟土的特性,即：非線性、流變性、彈塑性、壓硬性、剪脹性、剪縮性以及各向異性。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展,在這些草炭土分布地區(qū)進(jìn)行大規(guī)模工程建設(shè)已成發(fā)展趨勢(shì),這必然會(huì)給草炭土地區(qū)的巖土工程設(shè)計(jì)帶來諸多難題。一般土體的數(shù)值計(jì)算應(yīng)同時(shí)考慮平衡條件、物理?xiàng)l件和變形條件,其中只有物理?xiàng)l件(本構(gòu)關(guān)系)取決于材料固有的性質(zhì),是數(shù)值計(jì)算的關(guān)鍵。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和數(shù)值計(jì)算方法的日趨成熟,求解數(shù)值方程組已經(jīng)不再是困擾諸多學(xué)者的難題,而如何構(gòu)建能合理描述土的強(qiáng)度和變形特性的本構(gòu)模型成為土體工程數(shù)值模擬的關(guān)鍵。前期試驗(yàn)研究表明,土體的應(yīng)力路徑、物質(zhì)組成以及結(jié)構(gòu)等均對(duì)其本構(gòu)關(guān)系有著明顯的影響。而在諸多土類中,草炭土內(nèi)含有大量的植物殘?bào)w和有機(jī)質(zhì),其成分及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了應(yīng)力路徑對(duì)其本構(gòu)模型的影響將更加顯著。目前,季凍區(qū)草炭土地區(qū)的工程設(shè)計(jì)大多采用一般土體的常規(guī)路徑本構(gòu)模型,這和許多草炭土地區(qū)的實(shí)際工程難以相符,勢(shì)必會(huì)帶來理論計(jì)算與實(shí)際情形的較大偏差,工程問題也會(huì)隨之產(chǎn)生,對(duì)于此類問題的解決亟待草炭土應(yīng)力路徑本構(gòu)模型的出現(xiàn),以便為實(shí)際的草炭土地區(qū)巖土工程設(shè)計(jì)以及工程問題的解決提供理論依據(jù)�；谏鲜鲈�,本文依托國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“季凍區(qū)沼澤草炭土的結(jié)構(gòu)特性及本構(gòu)關(guān)系研究”及吉林省交通運(yùn)輸廳的多個(gè)相關(guān)課題,針對(duì)吉林省東部地區(qū)沼澤草炭土的應(yīng)力路徑本構(gòu)模型進(jìn)行了深入研究,主要研究?jī)?nèi)容如下：首先對(duì)分解度和有機(jī)質(zhì)含量與草炭土物理、力學(xué)指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行了分析。其次利用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)原理對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力路徑試驗(yàn)方案設(shè)計(jì),對(duì)四組原狀草炭土進(jìn)行三種應(yīng)力路徑的固結(jié)排水三軸壓縮試驗(yàn)：CUAI應(yīng)力路徑(圍壓不變,軸壓增加)；CIAI應(yīng)力路徑(圍壓增加,軸壓增加)；CDAI應(yīng)力路徑(圍壓減小,軸壓增加),研究不同應(yīng)力路徑下原狀草炭土的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變或偏應(yīng)變特性、體應(yīng)力-體應(yīng)變特性、強(qiáng)度特性以及加卸載狀態(tài)下的卸載體縮特性,結(jié)合草炭土的分解度、有機(jī)質(zhì)含量及微細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)其形成機(jī)理進(jìn)行研究。最后運(yùn)用非線性增量理論、彈塑性理論以及應(yīng)力路徑等效原理建立考慮應(yīng)力路徑的原狀草炭土本構(gòu)模型。得出主要結(jié)論如下：1.對(duì)草炭土物質(zhì)組成與其物理、力學(xué)基本指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行了探討,從中發(fā)現(xiàn)：(1)隨著有機(jī)質(zhì)含量(未含植物殘?bào)w和植物纖維)的增加,草炭土的天然密度和土粒密度均呈減小趨勢(shì),而含水率呈增大趨勢(shì),由于草炭土中的有機(jī)質(zhì)多為腐殖質(zhì),其比重和密度均小于土顆粒,同時(shí)有機(jī)質(zhì)顆粒具有很強(qiáng)的吸附能力,其顆粒表面的結(jié)合水較多。分解度愈小,植物殘?bào)w占有率愈大,其比重和密度小于土顆粒,同時(shí)其管狀結(jié)構(gòu)可賦存大量水分,使含水率較大。(2)分解度越小,植物殘?bào)w占有率越高,結(jié)構(gòu)越疏松,土體內(nèi)部植物根系在豎向荷載的作用下發(fā)生彎曲變形的同時(shí)產(chǎn)生側(cè)向的拉張應(yīng)力,回彈變形越大,故草炭土的壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)越大；而有機(jī)質(zhì)含量越大,草炭土的親水性越強(qiáng),孔隙比越大,壓縮性隨之增強(qiáng),同時(shí)草炭土中有機(jī)質(zhì)顆粒粒徑較小,卸荷后較易產(chǎn)生移位,故壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)越大。2.草炭土的CUAI應(yīng)力路徑試驗(yàn)研究得出：(1)當(dāng)初始固結(jié)應(yīng)力相同時(shí),分解度大且有機(jī)質(zhì)含量低的原狀草炭土屈服點(diǎn)之前應(yīng)變發(fā)展緩慢,這與其內(nèi)含有較多粒徑較大的黏性土顆粒有關(guān),顆粒間的咬合作用和摩擦作用抵抗變形的能力更強(qiáng)。分解度大且有機(jī)質(zhì)含量高的草炭土屈服點(diǎn)之前應(yīng)變發(fā)展迅速,這主要是因?yàn)槠鋬?nèi)含有大量的有機(jī)質(zhì)顆粒,吸水能力較強(qiáng),使孔隙比增大,抵抗變形的能力較弱。(2)在較小的固結(jié)應(yīng)力下,分解度大且有機(jī)質(zhì)含量高的原狀草炭土其體積應(yīng)變隨軸向應(yīng)變的增長(zhǎng)率最大,主要是因?yàn)檩^低的固結(jié)應(yīng)力不足以使其內(nèi)部微孔隙被充分填實(shí),其內(nèi)有機(jī)質(zhì)顆粒在剪切荷載的作用下可以產(chǎn)生新的相對(duì)位移,而固結(jié)應(yīng)力較大時(shí),分解度大且有機(jī)質(zhì)含量低的原狀草炭土其體積應(yīng)變隨軸向應(yīng)變的增長(zhǎng)率最大,較大的黏粒組成的“骨架”結(jié)構(gòu)被剪切荷載破壞的同時(shí),原有微孔隙被剪碎的黏粒和有機(jī)質(zhì)顆粒填充。(3)草炭土是一種高壓縮性材料,受荷后容易產(chǎn)生較大的變形,因此可以通過分段線性來近似描述草炭土的非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,草炭土的彈性參數(shù)在每一時(shí)段內(nèi)是常數(shù),但在各個(gè)時(shí)間段會(huì)有差異,取決于當(dāng)前時(shí)段的應(yīng)力狀態(tài)。3.草炭土的CIAI應(yīng)力路徑試驗(yàn)研究得出：(1)當(dāng)固結(jié)應(yīng)力水平較高時(shí),原狀草炭土卸載時(shí)會(huì)出現(xiàn)不同程度的卸載體縮現(xiàn)象。這一方面與草炭土中的位能轉(zhuǎn)換作用以及植物殘?bào)w和植物纖維的拉張作用有關(guān),另一方面與草炭土成土過程中所形成的水力路徑被擠密破壞有關(guān)。(2)在同一固結(jié)狀態(tài)下,原狀草炭土的屈服球應(yīng)力和屈服偏應(yīng)力均受分解度和有機(jī)質(zhì)含量的共同影響：分解度越小,草炭土內(nèi)大量的未分解植物殘?bào)w和植物纖維能形成較多的“骨架”根狀結(jié)構(gòu),受剪時(shí)提供排水路徑的同時(shí)阻礙草炭土顆粒的相對(duì)錯(cuò)動(dòng),表現(xiàn)出較大的屈服應(yīng)力;有機(jī)質(zhì)含量越小,受剪時(shí)須克服的粒徑較大黏粒的“咬合”作用力越大,表現(xiàn)出較大的屈服應(yīng)力。(3)草炭土有著明顯的結(jié)構(gòu)性,當(dāng)所受球應(yīng)力小于屈服球應(yīng)力時(shí),原生結(jié)構(gòu)性尚未破壞,體積變形較小,隨著球應(yīng)力的增加,其原生結(jié)構(gòu)被不斷破壞,土樣的體積變形迅速發(fā)展,所以在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中,其球應(yīng)力-體應(yīng)變關(guān)系曲線和偏應(yīng)力-偏應(yīng)變關(guān)系曲線皆由冪函數(shù)曲線和直線共同組成,由非線性增量理論可得體應(yīng)變和偏應(yīng)變?cè)隽康臄?shù)學(xué)關(guān)系。4.草炭土的CDAI應(yīng)力路徑試驗(yàn)研究得出：(1)CDAI應(yīng)力路徑下草炭土的卸載體縮現(xiàn)象比CIAI應(yīng)力路徑的更加明顯。這主要是因?yàn)镃DAI應(yīng)力路徑下草炭土的微結(jié)構(gòu)膠結(jié)狀態(tài)較容易地由點(diǎn)面接觸轉(zhuǎn)換為面面接觸,同時(shí),草炭土中植物根莖形成的橫向水力路徑較難破壞,從而產(chǎn)生更大的體縮量,且卸載體縮量隨初始固結(jié)應(yīng)力的增大呈現(xiàn)整體降低的趨勢(shì)。(2)當(dāng)同一固結(jié)應(yīng)力下原狀草炭土中有機(jī)質(zhì)含量相差不大時(shí),分解度愈小,其原生結(jié)構(gòu)性愈強(qiáng),偏應(yīng)力-體應(yīng)變關(guān)系曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)愈明顯。同時(shí),草炭土中植物根莖形成的水力路徑將會(huì)在剪切過程中階段性破壞,使偏應(yīng)力隨著體應(yīng)變的發(fā)展出現(xiàn)明顯的波動(dòng)現(xiàn)象。(3)該應(yīng)力路徑下草炭土的偏應(yīng)力與偏應(yīng)變呈現(xiàn)雙曲線關(guān)系,結(jié)合非線性增量理論可得偏應(yīng)變?cè)隽康臄?shù)學(xué)關(guān)系,而體應(yīng)變?cè)隽拷杂善珣?yīng)力產(chǎn)生,但是其也與初始固結(jié)應(yīng)力有關(guān),結(jié)合修正劍橋模型的剪脹方程和增量彈塑性理論,可得出草炭土的塑性體應(yīng)變?cè)隽康臄?shù)學(xué)關(guān)系。5.運(yùn)用應(yīng)力路徑等效原理和加卸載準(zhǔn)則建立了能夠反映吉林省東部地區(qū)原狀草炭土的非線性、壓硬性、卸載體縮性以及脹縮性的應(yīng)力路徑本構(gòu)模型,結(jié)合常規(guī)路徑的三軸試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明計(jì)算的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,能夠較好地反映原狀草炭土的變形和強(qiáng)度特性。
【關(guān)鍵詞】：沼澤草炭土 分解度 有機(jī)質(zhì)含量 應(yīng)力路徑 本構(gòu)模型
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TU43
【目錄】：

• 中文摘要5-9
• Abstract9-18
• 第一章 緒論18-36
• 1.1 選題的依據(jù)及意義18-19
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀19-33
• 1.2.1 草炭土的研究現(xiàn)狀19-21
• 1.2.2 本構(gòu)模型的研究現(xiàn)狀21-33
• 1.3 本文的研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線33-36
• 1.3.1 本文的研究?jī)?nèi)容33-34
• 1.3.2 本文的技術(shù)路線34-36
• 第二章 研究區(qū)草炭土的基本性質(zhì)及應(yīng)力路徑試驗(yàn)36-70
• 2.1 研究區(qū)工程地質(zhì)概況36-41
• 2.1.1 研究區(qū)草炭土形成條件36-38
• 2.1.2 研究區(qū)草炭土的成土歷史模型38-41
• 2.2 草炭土的基本試驗(yàn)及其性質(zhì)41-53
• 2.2.1 原狀草炭土的取樣與運(yùn)輸41
• 2.2.2 草炭土的分解度試驗(yàn)41-45
• 2.2.3 草炭土的有機(jī)質(zhì)含量試驗(yàn)45-47
• 2.2.4 分解度和有機(jī)質(zhì)含量對(duì)草炭土的物理力學(xué)指標(biāo)的影響47-53
• 2.3 草炭土的應(yīng)力路徑試驗(yàn)及試驗(yàn)步驟53-67
• 2.3.1 應(yīng)力路徑試驗(yàn)方案53-55
• 2.3.2 應(yīng)力路徑試驗(yàn)儀器55-60
• 2.3.3 應(yīng)力路徑原狀試樣的制備與飽和60-62
• 2.3.4 應(yīng)力路徑試驗(yàn)步驟62-67
• 2.4 小結(jié)67-70
• 第三章 CUAI應(yīng)力路徑下原狀草炭土的力學(xué)特性70-90
• 3.1 CUAI應(yīng)力路徑下原狀草炭土的應(yīng)力應(yīng)變特性71-74
• 3.1.1 草炭土的偏應(yīng)力與軸應(yīng)變特性71-72
• 3.1.2 草炭土的體應(yīng)變特性72-74
• 3.2 CUAI應(yīng)力路徑下原狀草炭土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)描述74-88
• 3.2.1 草炭土的增量應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系74-75
• 3.2.2 常規(guī)路徑下E-v模型原理75-78
• 3.2.3 草炭土的修正E-v模型參數(shù)78-88
• 3.3 小結(jié)88-90
• 第四章 CIAI應(yīng)力路徑下原狀草炭土的應(yīng)力應(yīng)變特性90-120
• 4.1 CIAI應(yīng)力路徑下原狀草炭土的體應(yīng)變特性90-104
• 4.1.1 加卸載時(shí)草炭土的體應(yīng)變特性90-93
• 4.1.2 無卸載時(shí)草炭土的體應(yīng)變特性93-94
• 4.1.3 草炭土體應(yīng)變的數(shù)學(xué)描述94-104
• 4.2 CIAI應(yīng)力路徑下原狀草炭土的偏應(yīng)變特性104-117
• 4.2.1 加卸載時(shí)草炭土的偏應(yīng)變特性104-107
• 4.2.2 無卸載時(shí)草炭土的偏應(yīng)變特性107-109
• 4.2.3 草炭土偏應(yīng)變的數(shù)學(xué)描述109-117
• 4.3 小結(jié)117-120
• 第五章 CDAI應(yīng)力路徑下原狀草炭土的應(yīng)力應(yīng)變特性120-140
• 5.1 CDAI應(yīng)力路徑下原狀草炭土的偏應(yīng)變特性120-131
• 5.1.1 加卸載時(shí)草炭土的偏應(yīng)變特性120-122
• 5.1.2 無卸載時(shí)草炭土的偏應(yīng)變特性122-124
• 5.1.3 草炭土的強(qiáng)度特性124-126
• 5.1.4 草炭土偏應(yīng)變的數(shù)學(xué)描述126-131
• 5.2 CDAI應(yīng)力路徑下原狀草炭土的體應(yīng)變特性131-137
• 5.2.1 加卸載時(shí)草炭土的體應(yīng)變特性131-133
• 5.2.2 無卸載時(shí)草炭土的體應(yīng)變特性133-134
• 5.2.3 草炭土體應(yīng)變的數(shù)學(xué)描述134-137
• 5.3 小結(jié)137-140
• 第六章 原狀草炭土的應(yīng)力路徑本構(gòu)模型140-152
• 6.1 原狀草炭土應(yīng)力路徑本構(gòu)關(guān)系的基本建模原理140-142
• 6.1.1 應(yīng)力路徑等效原理140-141
• 6.1.2 加卸載準(zhǔn)則141-142
• 6.2 不同應(yīng)力路徑下原狀草炭土本構(gòu)關(guān)系的建立142-150
• 6.2.1 CIAI應(yīng)力路徑下應(yīng)變?cè)隽坑?jì)算143-144
• 6.2.2 CDAI應(yīng)力路徑下應(yīng)變?cè)隽坑?jì)算144-145
• 6.2.3 微元應(yīng)力路徑下原狀草炭土的應(yīng)變?cè)隽?/span>145-146
• 6.2.4 原狀草炭土應(yīng)力路徑本構(gòu)模型的綜合描述146-148
• 6.2.5 原狀草炭土應(yīng)力路徑本構(gòu)模型參數(shù)的確定方法148-150
• 6.3 原狀草炭土應(yīng)力路徑本構(gòu)模型的驗(yàn)證150-151
• 6.4 小結(jié)151-152
• 第七章 結(jié)論與展望152-158
• 7.1 結(jié)論152-155
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)155-156
• 7.3 展望156-158
• 參考文獻(xiàn)158-172
• 附錄A 作者介紹172
• 附錄B 攻博期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文172-173
• 附錄C 攻讀博士期間主要參與的課題173-174
• 附錄D 攻博期間獲得獎(jiǎng)勵(lì)174-176
• 致謝176

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本文編號(hào)：1086970