钙质结核对土体抗剪强度影响的试验研究及离散元模拟

论文摘要

淮北平原粘性土层中大量分布的钙质结核造成土体的物质组成、结构和性质迥异于其它土类,大量的结核这一“量变”最终形成了钙质结核土这一区域性特殊土。而目前对于钙质结核土力学性质的研究主要着眼于大量结核引起的“质变”——即在大量钙质结核的影响下土体的力学性能,很少去考虑单个结核究竟是怎么影响土体的性质的。基于此,论文采用三轴压缩试验,并结合离散元数值模拟,研究单个或少量的结核对土体力学性质的影响。本次试验研究选用粒径为0.4Lc的原状钙质结核,制备了18%、21%、24%三种含水率下含不同位置和数量结核的试样,并在3种不同围压下进行三轴压缩试验（UU）。通过分析试样的典型破坏形态,发现结核附近的土体变形较小,其结核对试样破坏形态其起控制作用;同时,论文对试样的应力-应变关系进行了研究,分析了土体细观结构要素——结核数量和位置、含水率、围压等对试样应力-应变曲线形态的影响;在三轴试验基础上,论文运用PFC3D软件建立模型,对此次试验进行离散元数值模拟,在细观尺度上分析钙质结核对颗粒间应力场和位移场的影响,并据此讨论结核影响试样抗剪强度的作用机制;最后,论文引入了基于土体结构性改良的Duncan-Chang模型,对其拟合钙质结核土本构关系的适用性进行了探讨。研究表明:在压缩过程中,钙质结核周围会产生应力集中现象,阻碍了土中细颗粒的运动,承担更多剪应力,起到了骨架作用,从而增强了试样的整体强度;随结核数量的增多,其骨架作用也不断增强,且位于试样中心的结核起到的骨架作用最强。研究成果有助于理解结核对于土体工程性质的影响,并对其它含粗大颗粒土类的性质的研究有所借鉴,如土石混合体等。

论文目录

致谢

摘要

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第一章绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 论文主要研究内容

1.4 技术路线

第二章淮北平原钙质结核土简介

2.1 钙质结核的成因

2.2 钙质结核的分类及时代

2.3 钙质结核的分布

2.4 钙质结核土的结构

第三章三轴压缩试验

3.1 试验方案

3.1.1 方案设计

3.1.2 试验分组

3.2 试验步骤

3.2.1 土样来源

3.2.2 制样方法

3.2.3 仪器及试验操作

3.3 实验结果分析

3.3.1 最大主应力与最小主应力之差

3.3.2 物理力学指标获取

3.3.3 平行试样数据选取

3.4 本章小结

第四章钙质结核土的破坏形态及应力-应变特性研究

4.0 钙质结核土的破坏形态

4.1 钙质结核土的应力应变关系

4.1.1 应力-应变曲线

4.2 钙质结核土离散元模拟

4.2.1 离散元简介

4.2.2 钙质结核土三轴压缩试验模型的构建

4.2.3 颗粒流模拟结果

4.2.4 细观结构分析

4.3 基于实验和数值模拟分析模型的抗剪强度变化

4.3.1 细观结构要素对抗剪强度指标的影响

4.3.2 抗剪强度分析

4.3.3 含水率对结核骨架作用的影响

4.4 本章小结

第五章考虑土体结构性的Duncan-Chang模型修正

5.1 Duncan-Chang模型简介

5.2 Duncan-Chang模型的修正

5.2.1 理论推导

5.2.2 求解损伤比参数a的讨论

5.3 试验曲线拟合结果对比

5.4 本章小结

第六章结论与建议

6.1 主要结论

6.2 后续研究建议

参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 巴墨浓

导师: 吴道祥,赵华宏

关键词: 钙质结核土,三轴试验,离散元,应力应变特性

来源: 合肥工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 合肥工业大学

分类号: TU43

DOI: 10.27101/d.cnki.ghfgu.2019.000035

总页数: 91

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钙质结核对土体抗剪强度影响的试验研究及离散元模拟

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