本文關(guān)鍵詞：顆粒介質(zhì)接觸應(yīng)力網(wǎng)格測試及拱效應(yīng)特性研究　出處：《華南理工大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：土是巖石經(jīng)風(fēng)化作用,由重力、流水和風(fēng)力等搬運(yùn)和沉積而成的產(chǎn)物,是一種由礦物顆粒、液體和氣體三相物質(zhì)組成的、具有結(jié)構(gòu)性復(fù)雜多變的離散顆粒材料,但巖土體被當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)來研究已有近200年的歷史,且基于彈性力學(xué)、塑性力學(xué)及流體力學(xué)等發(fā)展了可廣泛應(yīng)用于工程實際的經(jīng)典土力學(xué)理論體系,可用于解釋和分析絕大多數(shù)巖土力學(xué)問題。但是至今仍有眾多現(xiàn)有理論無法有效解釋的現(xiàn)象,如泥石流、河道淤塞、剪脹剪縮現(xiàn)象、土拱效應(yīng)等,其主要原因在于傳統(tǒng)土力學(xué)忽略了土體的顆粒性和結(jié)構(gòu)性特征,把土體介質(zhì)處理成均勻連續(xù)介質(zhì),從而湮滅了顆粒性和結(jié)構(gòu)性導(dǎo)致的非連續(xù)性、非線性以及多尺度特性等。因此眾多學(xué)者認(rèn)為從顆粒尺度重新認(rèn)識巖土材料是巖土力學(xué)研究領(lǐng)域變革及繼續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。顆粒介質(zhì)的離散性質(zhì)造成其與連續(xù)體材料在外部荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)有很大不同,其中顆粒材料內(nèi)部“應(yīng)力網(wǎng)格”及“拱效應(yīng)”特性是其主要區(qū)別,“應(yīng)力網(wǎng)格”是指材料內(nèi)部應(yīng)力局部化造成的強(qiáng)弱力鏈不均勻分布現(xiàn)象,“拱效應(yīng)”主要是由于顆粒與顆粒直接搭接形成的應(yīng)力屏蔽效應(yīng),這兩種特性都會對顆粒材料的整體變形及宏觀強(qiáng)度產(chǎn)生巨大影響。因此本文通過對“應(yīng)力網(wǎng)格”和“拱效應(yīng)”特性產(chǎn)生過程及分布特征的研究,探索顆粒介質(zhì)在準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下細(xì)觀層次的力學(xué)響應(yīng),同時模擬巖土工程中的“土拱效應(yīng)”現(xiàn)象,為巖土工程的基礎(chǔ)理論創(chuàng)新與發(fā)展提供指導(dǎo)與借鑒。在前人研究的基礎(chǔ)上借助于光彈實驗法的應(yīng)力可視化優(yōu)點(diǎn),通過研究加工出的小粒徑光彈顆粒和自制的加載裝置,探索顆粒介質(zhì)在壓縮、剪切及其共同作用下表現(xiàn)的應(yīng)力屏蔽效應(yīng)、剪切帶的形成、剪脹與剪縮等現(xiàn)象。結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù),通過光彈顆粒材料彩色條紋梯度值與接觸力大小的函數(shù)關(guān)系,研究顆粒材料內(nèi)部的幾何及力學(xué)特性。然后將上述研究方法其應(yīng)用于巖土工程中廣泛存在的土拱效應(yīng)問題,從顆粒尺度重新認(rèn)識土拱的形成過程、演化機(jī)理、形狀變化等。本文的主要研究工作及結(jié)論如下:(1)探索研究出三種小粒徑光彈顆粒成型方法及針對不同粒徑、考慮熱輻射后的顆粒退火曲線,設(shè)計研制了一種適用于本課題研究的加載裝置,能夠進(jìn)行平面光彈壓縮試驗、剪切試驗以及結(jié)合相關(guān)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬試驗,實現(xiàn)顆粒體系內(nèi)部粒間力傳遞的可視化。(2)采用光彈顆粒材料的應(yīng)力網(wǎng)格可視化實驗,發(fā)現(xiàn)顆粒介質(zhì)內(nèi)部應(yīng)力傳遞與基于連續(xù)體假設(shè)的材料內(nèi)部應(yīng)力分布有很大不同,顆粒材料內(nèi)部形成非均勻的應(yīng)力網(wǎng)格分布形式,有強(qiáng)力鏈及弱力鏈之分,表現(xiàn)出更加明顯的局部化特征�；诹︽溇W(wǎng)格形成的顆粒體系的研究基礎(chǔ)上,定義一種新的多尺度劃分方法:微觀尺度的顆粒單體、細(xì)觀尺度的力鏈屏蔽圈網(wǎng)格、宏觀層次的顆粒體系。(3)應(yīng)用顆粒幾何接觸角和強(qiáng)力鏈接觸角為衡量參數(shù),分析顆粒介質(zhì)內(nèi)部的幾何及力學(xué)變化特性。初始無荷載狀態(tài)下,顆粒的幾何接觸角并不是各向均勻分布的,在六個方向上頻率較大,呈現(xiàn)“六角形”分布形狀,表現(xiàn)出明顯的初始各向異性,說明顆粒材料在細(xì)觀層次的各向異性是顆粒材料的本質(zhì)屬性。(4)將顆粒材料的光彈實驗法應(yīng)用于巖土工程中常見的應(yīng)力土拱效應(yīng)的研究中,定義了土拱形成的判定標(biāo)準(zhǔn)。隨著填土高度的增加,土拱由三角拱向半圓拱或梯形拱過渡。荷載的大小變化不會影響土拱效應(yīng)的出現(xiàn),但會極大的影響土拱的結(jié)構(gòu)形狀。隨著樁距比的增加,土拱效應(yīng)會逐漸消失。(5)高跨比是影響土拱形成的重要因素,當(dāng)高跨比H/S小于1時,無法形成土拱效應(yīng)。本文采用MATLAB圖像處理軟件編制的界面程序StressDisplacement、ForceChain可以實現(xiàn)光彈實驗結(jié)果的自動化處理。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TU43

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