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1、花岗岩残积土粒间联结作用与脆弹塑性胶结损伤模型的研究 中山大学 博士学位论文 花岗岩残积土粒间联结作用与脆弹塑性胶结损伤模型研究 姓名：颜波 申请学位级别：博士 专业：工程力学 指导教师：汤连生 20091203 中山大学博士学位论文 花岗岩残积土粒间联结作用与脆弹塑性胶结损伤模型研究 专业：工程力学 博士生：颜波 指导教师：汤连生教授 摘 要 花岗岩风化残积土是我国华南地区常见的岩土工程对象，具有特殊的工程力学性 质，是典型的结构性土体。 土是准连续、半离散的多相介质，土体在外力作用下的力学特征，实际是土颗粒联 结在外力作用下的宏观效应。土颗粒间联结作用的力学效应是土体结构性强度产生的原 因
2、并区别于重塑土的重要特征，考虑土体结构性本构模型的研究是当前土力学突破传统 重塑土性质的重要任务和发展方向。基于上述思想，论文首先从土体结构性的基本概念 出发，指出了当前研究存在的问题，其次，立足于土体结构联结的力学效应，丌展试验 并结合理论分析，从土体粒问联结作用角度研究了花岗岩残积土某些土工程力学性质机 理，最后，建立了考虑脆弹塑性胶结的损伤方程。 本文的研究为花岗岩残积土地区的工程力学问题提供了理论基础，为进一步深入研 究土体结构性及模型研究具有重要的理论和实际意义。论文的主要工作和成果有： 1、考虑土组织多相组分的物质特性，指出当前土体结构性研究忽略了土中水组分 的存在并忽视了结构联结
3、的重要性，成为当前土体结构性研究的主要问题。论文明确提 出将水组分纳入土体结构性，建议按尺寸效应与产生机理将土中颗粒联结作用分为非接 触联结、吸力联结和接触联结三种类型。土体结构联结系统，完善了土体结构性的概念， 保证了土体结构体系的完整性和系统性。 2、在上述分类框架下，论文深入探讨了上述各种联结作用性质及力学效应及各种联 结作用对花岗岩残积土宏观力学性质的影响。在非接触联结方面，推导了花岗岩残积土 中游离氧化铁与粘土矿物的氢键联结强度计算式；在吸力联结方面，阐述了湿吸力的概 念和涵义，分析了花岗岩残积土吸力强度特征；在接触联结方面，研究了接触联结的联 缗眭质及不同的破坏模式准则及花岗岩残积
4、土易扰动的结构脆性机理。 3、通过试验测定得到了某花岗岩残积土的水土特征曲线，研究了花岗岩残积土基质 花岗岩残积k粒问联结作用与脆弹塑性胶结损伤模型研究 吸力与土体结构性的关系，开展了花岗岩残积土崩解试验，从吸力联结作用角度研究了 花岗岩残积土的崩解破坏机理，得到了土颗粒理想六方堆积“水包气状态残积土崩解 的体积含水增量公式。 4、采用损伤力学理论，在广义塑性力学框架下推导了胶结损伤模型的应力应变关 系式，根据屈服面为硬化参量的等值面理论，仿照广义塑性理论的体积屈服面和剪切屈 服面的函数形式，构建了球应力和偏应力的损伤函数模式。同时，考虑花岗岩残积土脆 性破坏特点，利用堆砌体模型思想，采用孔隙
5、比与结构脆性参数构建损伤过程函数，建 立了考虑脆弹塑性胶结损伤的结构性模型，并通过试验计算验证，表明所建模型能反映 花岗岩残积土的应力应变曲线关系。 5、采用FLAC3D差分有限元程序，编制了土体三轴试验的数值模拟程序，利用模 型的模拟试验，研究了土体在不同胶结度、不同胶结强度及不同围压下的胶结损伤破坏 及胶结作用对土体剪切带发展和形成的影响。 论文的主要创新点有： 1 论文比较明确地将液相引入到土体结构性的描述，探讨了土颗粒间的联结作用， 提出建议了土体结构联结概念系统。 2 论文强调结构联结的重要性，从粒间联结作用角度研究分析了花岗岩残积土的 崩解性及易扰动性的性质机理，提出了结构脆性的新
6、概念，并考虑花岗岩残积土脆性破 坏的特点，采用堆砌体模型，建立了考虑脆弹塑性胶结的损伤方程。 关键词：花岗岩残积土；粒间；联结；吸力；结构脆性；胶结作用；损伤模型 II 中山大学博士学位论文 the ResearchontheSoilParticleJointFunctionand Cement Modelof GraniteSoil Damage Decomposed Mechanics Major：Engineering Name：YanBO Liansheng Supervisor：ProfTang Abstract has mechanics granitesoil，which Dec
7、omposed specialengineering properties，is and insouthchinaasthematerialin constructionthevectorof hackneyed engineering the constitutivesoilaswell geotechnicalengineering，istypical The is and deformationand soil medium,the quasicontinuo，semidiscretemultiphase characteristicsofsoil areshownundertheext
8、ernal mass，which force，are strength actually themacroeffectofsoil undertheexternalforceTllefunctionSmechanics particlejoint joint effectisthereasonwhichthesoilmass italsothe characteristicthat structure，andimportant distinguishes fromthe thesoilstructure researchwhich thetradition remodelingsoil，con
9、sidering property breakthrough natureof soilisthe taskandthe directionofthecurrentsoftmechanics remodelingimportant development Basedontheideas firstembarksfromthebasic ofsoil above，thepaper concept the onthesoil out currentresearchexistence mechanics structuringjoint effect， question，next，bases uni
10、fiesthe andtheoretical studiedthe mechanicsmechanismof experiments analysis，has engineering fromthenew ofsoil soil the granite then，establish decomposed angle particlejoint，and cementationmodel brittle-elasto-plasticdamage Thisresearch theoreticalfoundationfor the of solving engineering provides pro
11、blem soil hasthe the mechanicsin areas，alsoimportantand practical decomposedgranite theory forfurtherresearchsoilstructure andthemodel is significance deep property study强efollowing in mainworkandachievementthis paper： the ofsoil thematerial outthe texture 1Considering heterogeneitycomponent charact
12、eristic，pointing soilstructurehas thesoilwater existenceandhas thestructure neglected component negl【ected joint that thewater inthesoilstructure importance，thepaperproposesexplicitlyintegrating component tosizeeffectandmechanismof this soil is According production，inpaper,theparticlejoint IIl 花岗岩残积
13、上粒问联结作J Ij与脆弹塑性胶结损伤模型研究 dividedintothree andcontact soil body types：noncontactjoint，suctionjoint jointThe structure thesoilmassstructure structure hasconsummatedthesoil system concept，andguaranteed joint andthe integritysystematic 2Undertheframeworkoftheclassificationnatureofthesethree of above，the
14、types andthe onthe mechanicsof soilis decomposedgranite joint impact macroscopicproperty the of studied the ofnon-contact calculationformulas respectivelyInaspect joint，establish of betweenfreekonoxideand mineralsin strengthhydrogenbond clay decomposed joint the ofsuction and ofabsorbedsuctionis soi
15、l；in conceptmeaning granite aspect joint，the theshear characteristicbasisofsuction the of formula；in described，andanalyzes strength aspect contact ofcontactanddifferentcriterionis the joint，theproperty joint pattern studied，and of for soilisstudied structuralbrittlenessmechanismdisturbance easy deco
16、mposedgranite 3Thewatersoilcharacteristiccurveof soilisobtained typicaldecomposedgranite and tests，the betweensuctionstructural of granite through relationship propertydecomposed soilis the testof soiliscarried the studied，and out，from disintegrationdecomposedgranite viewof destructionmechanismof so
17、ilis suction，thedisintegration decomposedgranite water on incrementalformulaofvolumecontentof studied，and disintegrationdecomposed soilinconditionofidealsix stackand confinedinwaterisestablished granite hexagonalgas on mechanics modelisestablishedunder 4Based theory,cementationdamage damage theframe
18、workof astressstrain isderived mechanics，and generalizedplastic equation totheiso-surfacethatthe surfaceisconsideredas According theory yield hardening thesize surfaceandshear surface in formof function parameter,the yield yield generalized and isreferencedtoconstructthe functionmodelof stress plast
19、icitytheory damage spherical brittlefailureof soilis deviatoricstress considered，the Meanwhile，the decomposedgranite modelis thelawofvoidratioandstructuralbrittleness in masonry adopted，and parameter structuredsoilisusedtoconstruct functionThe cementation damage brittle-elastoplastic ofthe couldrefl
20、ectthe modelis calculationmodel，it establishedThough damage checking straincharacteristicsof soil decomposedgranite 5Numericalsimulationis withFinitedifference programcompiled to thenumericalsimulationoftriaxialteston soilBasedon implement decomposedgranite simulationtestofthe cementationfailureofso
21、ilunderdifferent model,the damage cementation cementationandvaried is grade，differentstrength confiningpressureapproached， and andthe ofcementationontheformationevolutionoftheshearzoneisstudied impact in areas Themaininnovativethis follows： points paper 1 Thewaterinsoilis to inthe ofsoilstructural p
22、roposedbring category joint，has IV 中山大学博士学位论文 soil thesoilstructure discussedthe function，andsuggested jointconceptsystem particlejoint structure the of nature importance，from joint，the 2 Paperemphasis joint perspective andmechanismof andstructuraldisturbancefor soilis disintegration decomposedgrani
23、te the brittlefailureof soil structurebrialenew studiedProposed concept，the decomposedgranite is the establishthe cementation considered，adoptmasonrymodel，and brittle-elastoplastic damage equation GraniteSoil Structural Soil： Particle：Joint；Suction： KeyWords：Decomposed model brittleness；CementAction
24、；Damage Thisworkwas Doctor ResearchFundofEducation supportedbyUniversityDisciplineSpecial Ministry GrantNo20070558032，2008-2010 V 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：葫如 | 日期：勘D拜，
25、2月夕日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的 电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内 容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存 学位论文。保密的学位论文在解密后使用本规定。 学位论文作者虢亏乏坡 导师签名： 日期：湘口声，二月夕日 日期：一步，月7日 中山大学博士学位论文 第一章帚一早 三百下匕绪论 土是第四纪以来，由岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，经过不同的搬运方 式，或者不搬运，在各类自
26、然环境中形成的沉 堆 积物质，土是由矿物颗粒、空气和 水组成的多相物质【。 土是自然界人类工程活动最为普遍的对象和载体。经历近一个世纪的研究和发展【2 51，土力学从最初的“粘性、“弹性”和“渗透性”的三个基本性质，到对土体粘弹 塑性及流变性的认识；从古典的理想弹性体和刚塑性体模型，到不局限于固体力学的广 义塑性力学；从微观结构概念的提出到对土体各向异性、应变软化等问题的重新认识； 土力学已从最初的简单形式发展成为一个理论视角丰富而有生命力的学科。 但作为大自然产物的土，其性质的确复杂【2】，其难于总结和统一的性质及各种工程 实际问题始终挑战着人们现有的土力学理论。因此有人将土体认为是一种结构
27、性体【6】， 认为构成土体结构共同特征的各项结构要素也绝非孤立的、确定性的，立足于土体微观 结构演化机制来探索土力学模型是土力学发展的发向I酬，这既是渐进破坏理论的优势， 也再次强调从土体自身结构和微细观的视角探索土力学具有重要意义。 由于土体是自然环境下形成的产物，因此，不同地域、不同环境下生成的土体又具 有其各自特有的工程力学性质，这又加大了土力学问题的复杂性。就我国来说，东南地 带的红土及沿海地区的软土，西北地区的黄土及中部、西南地区的膨胀土等特殊土体都 引起了人们持续的研究热情并取得了大量的成果。纵观二十余年人们对这些特殊土的研 究成果，其研究基本都立足于结构性的视角或采用非饱和土力学理论的研究方法，可以 说结构性理论和非饱和土力学理论是当前探索特殊土体力学的基本理论。 花岗岩残积土是我国又一大分布面积广，并且在世界范围内热带和亚热带地区都
