土体剪切带变形特性试验及数值模拟研究

论文摘要

岩土体的渐进破坏是岩土工程学界的热门研究内容,应变局部化是渐进破坏的重要表现形式,其主要特点表现为初始的连续均匀的变形逐渐演变成为快速变化的、具有明显位移梯度的变形,并且这种不连续现象往往是从试样的某一个区域内开始萌生、扩展的,发生剧烈变形区域局限于近似平行的具有一定宽度的狭窄带中,这条带状区域就是我们所说的剪切带。本文借助具有数字图像测量系统的平面应变仪分别对超固结粘土和不同密实度的干砂进行了CU试验以及CD试验。通过数字图像测量技术捕捉到的试样表面实时的应变场以及各个角点的应变信息追踪剪切带的演化过程。对粘土及砂土的应力应变曲线分析后发现两者均有不同程度的软化现象,粘土软化主要受先期固结压力的影响,砂土的相对密实度越大时其软化效果越明显。同一围压及粒径下,不同相对密实度砂土具有相同的残余强度。粘土与砂土具有相似的局部变形特性,初始阶段各点的变形基本重合;随着轴向位移增加,各点的应变开始分叉,此时试样的整体应变还维持在一个很小的水平,但是局部化现象已经开始发生;当轴向位移增加到一定阶段后,带内点和带外点呈现不同的变形趋势,局部化带内的点应变继续增加,带外的点的应变基本不变,局部化带内部点的应变始终要大于试样整体应变。对粘土剪切带形成过程分析后发现粘土剪切带均为“X”型剪切带;借助图像测量技术提出了剪切带起始时刻及完全形成时刻的应变判别法;通过分析局部化带内的体积变形特性后发现:土体内部的剪胀角是时刻变化的,随着轴向位移的增加剪胀角逐渐增大最后趋近于一个定值;剪切带内局部剪胀角要远大于试样整体剪胀角,采用整体剪胀角会低估剪切带内部实际体积变形;考虑土体的局部剪胀特性,将局部剪胀角带入后发现Roscoe理论预测能够很好的预测粘土剪切带倾角,误差在12.5%以内;通过孔隙水压力变化规律认为剪切带的形成与孔隙水在孔隙内的运移有密切的联系;粘土屈服点与变形分叉特征点即局部化的起始点是有内在联系的,粘土局部化变形的起始点即为其屈服点。类比粘土分析了砂土剪切带变形特性,砂土剪切带为单一型及“X”型剪切带;不同相对密实度及平均粒径下砂土整体的体积变形为剪胀,通过对局部体积变形分析后发现剪胀仅发生在剪切带内部而在剪切带外部为剪缩变形;Arthur理论则能够很准确的预测砂土试样剪切带的倾角,其误差在10%以内。采用Cosserat连续体理论模拟后发现剪胀角的取值会直接影响模型的变形模式及等效应变场,采用本文提出的局部剪胀角模拟能够得到与试验结果类似的变形模式和等效应变场,因此采用局部剪胀角能够提高数值模拟在局部化研究中的精度。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.2.1 理论研究

1.2.2 试验研究

1.2.3 数值模拟研究

1.3 本文主要工作

2 试验设备及试验方法介绍

2.1 平面应变仪

2.1.1 数值图像测量系统

2.1.2 压力室

2.1.3 加载系统

2.1.4 附属设备

2.2 平面应变试验原理

2.3 试样制备、试验操作步骤以及后处理

2.3.1 试样制备

2.3.2 试验步骤

2.3.3 后处理

2.4 结论

3 土体平面应变试验研究

3.1 引言

3.2 粘土平面应变试验

3.2.1 试验土样

3.2.2 试样的制备

3.2.3 试样装样

3.2.4 试验方案

3.2.5 试验曲线分析

3.2.6 粘土局部变形特性分析

3.3 砂土平面应变试验

3.3.1 试验土样

3.3.2 试验方案

3.3.3 试验曲线分析

3.3.4 砂土局部变形特性分析

3.3.5 砂土体积变形特性分析

3.4 小结

4 粘土剪切带变形特性研究

4.1 引言

4.2 剪切带形成过程分析

4.3 剪切带起始时刻及完全形成时刻的应变判别法

4.3.1 剪切带起始时刻的判别

4.3.2 剪切带完全形成时刻的判别

4.4 剪切带内部剪胀特性分析

4.4.1 剪胀形成机理分析

4.4.2 粘土剪切带内部局部剪胀特性分析

4.5 剪切带倾角及宽度特性分析

4.5.1 剪切带破坏模式

4.5.2 剪切带倾角的理论推导及试验验证

4.5.3 剪切带宽度

4.6 粘土局部变形与其屈服的内在联系

4.6.1 粘土不排水强度与屈服

4.6.2 变形分叉与土体屈服的联系

4.7 小结

5 砂土剪切带变形特性分析

5.1 砂土剪切带破坏模式

5.2 砂土剪切带形成过程分析

5.3 砂土剪切带内部剪胀特性分析

5.4 砂土剪切带倾角及宽度

5.4.1 砂土剪切带倾角

5.4.2 砂土剪切带带宽

5.5 小结

6 平面应变试验剪切带的数值模拟

6.1 引言

6.2 剪切层问题的应变局部化分析

6.3 平面应变数值模型的建立及计算结果分析

6.3.1 数值模型的建立

6.3.2 局部变形特性分析

6.3.3 剪切带起始时刻判别法的数值验证

6.3.4 等效应变形成过程分析

6.3.5 剪胀角对平面应变模型模拟结果的影响

6.4 小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.1.1 粘土及砂土平面应变试验成果

7.1.2 数值模拟成果

7.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文及获奖情况

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 林荣烽

导师: 唐洪祥

关键词: 平面应变试验,数字图像测量技术,剪切带,局部剪胀角,孔压,屈服,连续体

来源: 大连理工大学

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: 大连理工大学

分类号: TU43

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.001453

总页数: 97

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土体剪切带变形特性试验及数值模拟研究

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