裂隙黏土的干缩开裂机制与力学特性研究

论文摘要

干燥环境下,土体失水后体积收缩,极易产生干缩开裂,这种现象在自然界黏性土中十分普遍。干缩开裂导致土体中形成裂隙网络,破坏了土体的完整性和均一性,直接改变了黏性土的强度、变形、渗透等土水力学性质。并且近年来全球极端干旱的气候频发,进一步加剧了岩土、环境、地质、水利、农业等多个领域工程灾害的发生,因此有必要深入了解黏性土的干缩开裂机制。通过试验方法研究干缩裂隙往往干扰因素多、且代表性差,而有限元等数值试验方法又难以重现裂隙的发育过程。离散元因具备模拟大变形和材料破坏的优势,在研究裂隙扩展方面得到了广泛应用。本文将利用PFC2D离散元软件模拟干缩裂隙的演化过程,试图从微观角度分析黏性土考虑裂隙蒸发的干缩开裂机制。另外通过双轴压缩离散元试验系统研究了多个裂隙表征参数对裂隙土力学特性的影响,建立了裂隙量化指标与抗剪强度间的定量关系。研究内容主要有以下几个方面:（1）基于前人研究成果,借用热传导理论分析思路,推导出与一维热传导方程相对应的水分迁移模型,结合土颗粒胀缩公式建立水-力耦合离散元模型。经与理论解对比,验证了通过PFC2D热模块模拟水分的运动在一定范围内是可靠的。引入裂隙率R和裂隙总深度H总,提出了考虑裂隙效应的水分蒸发模型,即土体开裂后裂隙面也参与水分的蒸发。通过对比得知,模拟过程中考虑裂隙的蒸发效应后,增加了裂隙的平均深度和平均宽度,加速了裂隙的扩展。（2）模拟了蒸发作用下干缩裂隙演化的全过程。根据模拟结果发现含水率变化规律有两个特征。从时间上看,上部土体（深度小于5cm）含水率随时间变化可分成三个阶段:（1）裂隙形成初期含水率高速下降;（2）中期以低速率平缓下降;（3）蒸发后期含水率基本保持稳定,且上部土体含水率变化规律与蒸发速率的变化特征相同。从空间上看,土体内部含水率沿深度方向呈现典型的“抛物线”分布模式,上部土体水分丧失速度快,下部土体水分流失速度慢,造成含水率空间分布不均匀,导致收缩变形不均匀。（3）同一水平方向,裂隙周围土体含水率随着距裂隙中心距离的增大而增加,在裂隙两侧形成了“含水率下降漏斗”。在竖直方向,裂隙最新开裂点处含水率空间分布特征类似于“双曲线”形式,即开裂点含水率沿深度方向逐渐增加,当裂隙接近于土样底部时,裂隙尖端含水率反而减小。（4）探讨了渗透系数、蒸发率、抗拉强度和胀缩系数对土体含水率和裂隙扩展规律的影响。降低渗透系数或提高蒸发率将加剧了含水率空间分布的不均匀性,而调整胀缩系数和抗拉强度却不改变含水率的分布形式。降低蒸发率或提高抗拉强度能大幅延缓干缩裂隙形成的时间,此外提高渗透系数或降低蒸发率、抗拉强度和胀缩系数将导致裂隙的更细小,这两点可为工程防治提供解决思路。（5）开展裂隙土试样的双轴压缩离散元模拟试验,建立了裂隙倾角、宽度、间距和裂隙率等量度指标与抗剪强度参数之间的定量关系。其一,粘聚力和内摩擦角随裂隙倾角的变化呈“V”型分布,即随倾角的增大抗剪强度先减小后增加。粘聚力最小时对应的倾角为55°,接近于试样破坏剪切面,符合摩尔强度准则。其二,抗剪强度随裂隙宽度的增大近似呈直线下降。试样粘聚力与裂隙宽度、裂隙率呈负相关关系,而内摩擦角与裂隙宽度、裂隙率之间的并无明显相关关系。其三,通过对比平行斜列式、水平及斜列式、羽状排列式三类典型多裂隙模型,在复杂的裂隙组合模式下,土体的力学特性被大幅劣化,这也是裂隙网络发育后危害工程安全的的原因。

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摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 黏性土干缩开裂的研究现状

1.2.1 理论模型

1.2.2 室内试验

1.2.3 现场试验

1.2.4 数值模拟的研究现状

1.3 裂隙土力学特性的研究现状

1.3.1 室内试验

1.3.2 数值模拟

1.4 研究内容及技术路线

1.4.1 研究内容

1.4.2 技术路线

第2章黏性土水分蒸发及干缩开裂理论

2.1 水分蒸发

2.1.1 水分蒸发过程

2.1.2 蒸发理论模型

2.1.3 考虑裂隙的蒸发模型

2.1.4 裂隙面蒸发模型

2.2 水分迁移模型

2.2.1 水分运动基本原理

2.2.2 水分迁移模型

2.3 黏性土干缩开裂机理

2.3.1 开裂机理简介

2.3.2 体积变化

2.3.3 颗粒收缩模式

2.4 本章小结

第3章黏性土干缩开裂模拟

3.1 PFC概述

3.1.1 离散元方法简介

3.1.2 接触模型

3.1.3 制样方法

3.2 干缩开裂模拟方法

3.2.1 DEM试样制备

3.2.2 水分蒸发离散元模型

3.2.3 水-力耦合离散元模型

3.2.4 参数标定与模型验证

3.3 室内试验及其模拟

3.3.1 室内模型试验

3.3.2 模拟结果

3.3.3 含水率特征

3.3.4 裂隙特征

3.4 现场试验及其模拟

3.4.1 野外现场试验

3.4.2 现场试验模型及参数确定

3.4.3 模拟结果

3.4.4 含水率特征

3.4.5 裂隙特征

3.5 本章小结

第4章干缩开裂影响因素分析

4.1 渗透系数的影响

4.1.1 降低渗透系数

4.1.2 提高渗透系数

4.1.3 对比分析

4.2 蒸发率的影响

4.2.1 降低蒸发率

4.2.2 提高蒸发率

4.2.3 对比分析

4.3 抗拉强度的影响

4.3.1 降低抗拉强度

4.3.2 提高抗拉强度

4.3.3 对比分析

4.4 胀缩系数的影响

4.4.1 降低胀缩系数

4.4.2 提高胀缩系数

4.4.3 对比分析

4.5 本章小结

第5章裂隙土力学特性

5.1 裂隙土概述

5.2 PFC2D双轴压缩模拟过程

5.2.1 建立模型

5.2.2 施加围压

5.2.3 施加轴压

5.2.4 确定微观参数

5.2.5 模拟试样强度

5.3 裂隙倾角效应

5.4 裂隙宽度效应

5.5 裂隙间距效应

5.6 裂隙率效应

5.7 裂隙组合模式效应

5.7.1 平行斜列式

5.7.2 水平及斜列式

5.7.3 羽状排列式

5.8 本章小结

第6章结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 谭睿

导师: 司马军

关键词: 黏性土,干缩开裂,离散元,蒸发作用,双轴压缩试验,抗剪强度

来源: 武汉大学

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: 武汉大学

分类号: TU43

总页数: 122

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裂隙黏土的干缩开裂机制与力学特性研究

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