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35000字硕士毕业论文粗颗粒土力学特性及本构模型研究

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:35000字
论点:颗粒,强度,模型
论文概述:

本论进行了 5种不同粗料含量及3种不同压实度土料的静力特性大型三轴试验研究,分析了不同粗料含量及不同压实度对粗粒土静力特性的影响,并依据试验结果提出了改进了的邓肯一张E-v模型。

论文正文:

第一章引言

1.1引言
从不同的角度,许多学者给出了粗粒土的定义,粗粒土更常见的定义是:粒径为0.075英寸?60毫米颗粒含量(质量比)大于50% (1)的土石混合物。人们普遍认为,对粗粒土特性的研究是基于对细粒土特性的研究。细粒土粒径分布范围窄,颗粒细小,质量或体积相同的颗粒数量多,比表面积大,亲水性强,水对其工程特性有很大影响。然而,粗粒土的粒径分布范围广,粒径大,亲水性弱。颗粒组成是决定其工程性质的主要原因,在低围压下,粗粒土也会因剪应力和压实作用而破碎。粗粒土和细粒土的不同性质使我们不可能平等对待它们。
粗粒土作为一种填料,具有压实性能好、承载力高、抗剪强度高、填充密度大、透水性强、沉降变形小、地震荷载下液化困难等优良的工程特性。广泛应用于高速铁路路基、高层建筑基础、大型水利水电工程中的高土石方工程、港口护岸抛石工程、人工岛建设等工程。
随着粗粒土的广泛应用,对其工程特性的研究越来越深入。自20世纪40年代以来,世界各国学者开始从设备、试验材料、模拟方法、强度和变形特性、渗透性和渗透性稳定性、试验数据的整理和分析、尺寸效应等方面系统研究粗粒土的工程性质。特别是20世纪60年代以来,各国学者开发了一系列粗粒土测试仪器,如大型三轴剪切仪、大型管道穿甲机、大型压实仪、大型直剪仪、大型振动压实机等。。对粗粒土的抗剪强度、渗透性和压实特性进行了深入分析,并提出了许多在工程建设中具有良好实用价值的成果,具有重要作用。
然而,目前一些土力学专著和教科书主要关注细粒土,即使涉及粗粒土,也大多局限于砂土。虽然在粗粒土方面也有一些工作,粗粒土的研究也取得了很大的成就,但仍然存在许多困难。仍然缺乏关于粗粒土研究的全面和系统的专著。就粗粒土的力学性质而言,粗粒土因其粒径范围广、排列方式复杂、颗粒破碎效应和扩容效应而本质上是不连续的,其力学性质极其复杂。至于粗粒土的本构关系,虽然学者们要么通过粗粒土的特性直接建立本构关系,要么将细粒土的本构模型引入并修改为粗粒土的本构模型,但迄今为止还没有一种被广泛接受的本构模型和破坏准则可用于各种粗粒土,因此这些课题已经得到了很大的研究空。

 1.2粗粒土研究现状1.2.1抗剪强度产生机理目前,对于粗粒土抗剪强度的产生机理尚没有统一的数学模型来描述。很多学者基于各自研究,对于剪切强度产生的机理提出了不同的见解。主要是以下三种不同解释。Taylor于1948年,提出了粗粒土抗剪强度机理的两分量学说,认为抗剪强度是由两部分组成的:一是土颗粒间的摩阻力,另外,剪切时土体要发生膨胀而抵抗周围土颗粒相互力作用,需要消耗能量,从而构成了另一部分抗剪强度。Rowe基于对砂土的研究,通过分析能量平衡方程,认为粗粒土抗剪强度由三部分组成。一是由于土颗粒滑动摩阻力所发挥的强度;二是由于土颗粒重新定向和重新排列所需能量而发展的强度;三是由于剪胀耗能而发展的强度。对同一种土料而言,土颗粒的滑动摩擦角都是一样的,抗剪强度主要是由颗粒的重排列、剪胀效应与重新定向作用形成的。压实度较低时,土料强度主要由颗粒的重新定向作用和重排列所引起,压实度较高时土料强度则主要由剪胀性引起。粗粒土剪切过程中会产生颗粒破碎现象,Lade和lee[6]认为颗粒破碎对强度的影响类似于Rowe所提出的颗粒重排列和重新定向。颗粒破碎将吸收能量,而且在高压力下的颗粒破碎会加剧,从而增加了颗粒重新定向和重排列所需能量,强度会随着颗粒破碎率增大而增大。但是大量试验证明,随着颗粒破碎的加剧,很多粗粒土在剪切时的抗剪强度将不是增大,而是降低了。概括起来,粗粒土的抗剪强度主要由三部分构成:(1)颗粒间摩擦力所发挥的强度。该强度是由于土颗粒接触面粗糖不平而产生,不产生明显的剪胀现象。(2)剪胀效应引起的强度。颗粒间并非平面接触,而是彼此咬合、交错排列,阻碍了土颗粒间的相对移动。剪切过程中,土颗粒会向更加稳定的排列方向发展而发生提升、转动、错动、拔出,从而引起颗粒重排列和重新定向。因此,在克服咬合作用时,会产生剪胀现象。(3)颗粒破碎引起的强度。产生颗粒破碎时,粗粒土的承载结构遭到破坏,从而引起颗粒间接触点荷载的重分配,应力集中现象被缓解,形成了更加稳定的结构。同时,颗粒间粘聚强度变弱,易于颗粒移动,反而阻碍了剪胀效应,因而会降低内摩擦角。
 第二章不同粗料含量粗粒土静力特性大型三轴试验研究
 诸多学者研究表明,粗料含量对粗粒土的强度、变形性质有着很大的影响。工程实际中,需要得到粗料含量对强度、变形的影响,从而指导具体工程中配置强度达标、变形较小、经济适用的粗粒土土料。
 第三章不同压实度粗粒土静力特性大型三轴试验研究.............233.1试验土料..........233.2试验方案..........233.2.1试验仪器..........233.2.2试验步骤..........253.3试验结果分析..........273.4小结..........32第四章常用模型适用性分析及邓肯-张E-v模型改进..........334.1粗粒土常用模型介绍..........334.1.1邓肯-张模型..........334.1.2 Rowe剪胀模型..........364.3邓肯-张E-v模型的改进..........404.4小结..........46第五章改进模型验证分析及其参数讨论..........485.1引言..........485.2对本文所做三轴试验数据的验证.......... 485.2.1对模型假设的验证.......... 485.2.1对模型效果的验证..........495.3对文献[68]中承德中密砂试验数据的验证..........505.4对模型参数Z的讨论..........525.5小结..........54
 结论
 本论进行了 5种不同粗料含量及3种不同压实度土料的静力特性大型三轴试验研究,分析了不同粗料含量及不同压实度对粗粒土静力特性的影响,并依据试验结果提出了改进了的邓肯一张E-v模型。研究过程中获得以下主要结论:(1)粗料含量与最大干密度呈抛物线关系,粗料含量Ps=52.57%时,击实干密度最大;粗料含量与最优含水率呈线性关系,随粗料含量增多,最优含水率减小。(2)内聚力c、内摩擦角(p随粗料含量的增大而增大。粗料含量为30%-50%时,内聚力随粗料含量增加而增长较快;内摩擦角与粗含量基本呈线性增长关系。(3)所有应力应变关系曲线均为应变硬化型,围压越高,曲线愈陡,应变硬化特性越明显,峰值强度也越大。随着粗料含量的增加,试样有向应变软化方向发展的趋势,试样剪缩作用逐渐减弱,而剪胀作用逐渐增强,围压越低,剪胀作用越明显。围压越高,累积体应变越大。(4)粗粒土压实度大于93%时,土体强度主要决定于周围压力大小,压实度对土体强度影响不大,但增加压实度可以明显减小土体破坏时的累积应变。(5)邓肯-张模型能很好反映粗粒土应力应变特性,但不能较好反映其变形特性。Rowe剪胀模型在轴向应变较小时(