基于岩土破损力学改进的冻结砂土本构模型

作     者：许柯 

作者单位：四川农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：戢林;罗飞;刘杰

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 081401[工学-岩土工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：岩土破损力学 二元介质 损伤变量 黏滞结构相 黏滞损伤相 

摘      要：冻土中存在冰晶和未冻水会影响土体结构强度和变形,冻土胶结强度以及时间效应会影响寒区工程建筑稳定性与耐久性,可以通过研究冻土强度特性和蠕变特性来解释其复杂的力学特性和变形特性,为寒区工程施工、后期维护提供理论指导。岩土破损力学将结构性土体抽象为由胶结杆连接的胶结骨架和胶结弱的软弱带两种介质组成的材料,冻土中连接土颗粒的冰充当胶结杆发挥作用,胶结冰破损程度会影响冻土结构稳定性。鉴于此,本文对冻结砂土进行了系列常规三轴压缩试验和三轴蠕变试验,基于试验结果分析了冻结砂土的强度特性和蠕变特性,提出了适用于冻结砂土考虑胶结破损的全量二元介质模型和蠕变本构模型。主要内容和研究结果如下:(1)利用冻土动静三轴测试系统对冻结砂土进行了常规三轴压缩试验和蠕变试验。试验结果发现:在常规三轴试验条件下,冻结砂土应力应变曲线软化现象随着围压增加而减弱,体应变曲线中剪胀现象和最大体缩量也随着围压增加减弱。在三轴蠕变试验条件下,冻结砂土蠕变曲线存在两种类型,当施加的外荷载水平低于特定阈值时,曲线呈衰减性;当施加的外荷载水平高于特定阈值时,曲线出现加速蠕变阶段呈非衰减性。(2)冻结砂土由冻土骨架和融土骨架两部分组成,首先基于岩土破损力学框架,将冻土骨架抽象为弹脆性胶结元,融土骨架抽象为弹塑性摩擦元,二者共同分担土体应力。再基于均匀化理论建立冻结砂土全量二元介质模型。通过引入局部应变系数建立胶结元和单元体应变关系桥梁,提出考虑周围应力与初始破损应变的破损变量关系式。并将模型计算结果与试验结果放在同一坐标轴下,经过对比可以发现本模型能很好的模拟冻结砂土的软化现象和剪胀现象,且能反映随着围压增大冻结砂土力学特性的差异性。(3)基于二元介质理论讨论蠕变破损机制,考虑时间效应对力学特性的影响,提出黏滞结构相和黏滞损伤相概念,黏滞结构相为各向同性黏弹性材料,黏滞损伤相为各向同性黏塑性材料。将弹簧元件与Maxwell元件串联用以描述黏滞结构相,提出考虑时间因素的破损变量模型。最后建立分数阶蠕变本构模型,将模型计算结果与试验结果进行对比,结果表明本模型能很好的描述冻结砂土蠕变变形特性。