周期性饱水砂泥岩混合料单向压缩变形特性及其演化规律研究
砂泥岩混合料是重庆地区主要的建筑填料之一，常用于各类填方工程中，由于不清楚库水位升降形成的周期性饱水作用如何影响其工程特性，尚不能准确预测砂泥岩混合料填方体的变形规律。压缩变形特性是填方土体的主要工程特性之一，开展周期性饱水作用下砂泥岩混合料的压缩变形特性及其演化规律研究，是具有重要理论意义和工程实用价值的。本文依托国家自然科学基金面上项目“周期性饱水砂泥岩混合料的劣化机理及其演化过程”，提出了周期性饱水砂泥岩混合料的压缩试验方法，采用自主研发的“土体饱水-疏干循环压缩试验方法及其装置”和“土体饱水-疏干循环静止侧压力系数测试仪器”开展系列试验研究，揭示了砂泥岩混合料的压缩流变特性、周期性饱水砂泥岩混合料的压缩变形特性、静止侧压力系数特性及周期性饱水超粒径尺寸效应等，提出了砂泥岩混合料的压缩流变计算方法，建立了周期性饱水砂泥岩混合料的劣化变形计算方法、K0系数演化方程及各向异性弹塑性模型，并验证了计算模型的合理性。 本文取得的主要研究成果如下: (1)揭示了砂泥岩混合料的压缩流变特性，提出了砂泥岩混合料的压缩流变计算方法。针对砂泥岩混合料高填方工程的工后长期沉降问题，利用自行研制的土体饱水-疏干循环压缩试验方法及其装置，对4种混合比的砂泥岩颗粒混合料进行了考虑湿化作用的压缩流变试验，研究了轴向压力及砂泥岩颗粒混合比对流变特性的影响，提出了适用于砂泥岩混合料的流变计算模型。结果表明:砂泥岩混合料的流变过程可分为四阶段:线性阶段、衰减流变阶段、再次衰减流变阶段及稳定阶段;引入流变衰减因子、衰减流变临界应变、极限流变应变，提出了分段流变模型，通过试验数据对比分析表明该模型能够描述砂泥岩混合料的两阶段衰减流变特征。 (2)揭示了周期性饱水砂泥岩混合料的静止侧压力系数特性，建立了静止侧压力系数的演化方程。利用自行研制的“土体饱水-疏干循环静止侧压力系数测试仪器”，针对泥岩颗粒含量为20％的砂泥岩混合料，开展了不同循环次数下的静止侧压力系数试验，获得了周期性饱水砂泥岩混合料的静止侧压力系数值;分析了周期性饱水砂泥岩混合料静止侧压力系数的演化规律，建立了其演化方程。随着周期性饱水循环次数的增加，静止侧压力系数先快速增大、然后缓慢增大、最终趋于稳定，呈对数增大趋势。 (3)揭示了周期性饱水砂泥岩混合料的劣化变形规律，提出了周期性饱水劣化变形的计算方法。开展了砂泥岩混合料在不同轴向压力下的周期性饱水压缩试验，分析了周期性饱水对劣化变形的影响规律及其变形机理。周期性饱水劣化变形随着循环次数的增大而增大，最终趋于稳定;引入最大劣化应变对指数模型进行修正，该模型能够描述砂泥岩混合料周期性饱水劣化变形的主要特征;周期性饱水砂泥岩混合料的颗粒破碎率随着轴向压力的增大而增大，呈幂函数关系。 (4)揭示了超粒径颗粒对周期性饱水砂泥岩混合料劣化变形的影响规律，提出了周期性饱水室内压缩试验最大颗粒粒径与试样尺寸控制方法。开展了掺入不同粒径大小、不同百分含量钢珠的砂泥岩混合料的周期性饱水压缩试验，分析了不同超粒径颗粒含量及粒径大小对周期性饱水砂泥岩混合料轴向应变的影响规律。结果表明，周期性饱水劣化变形随超径颗粒尺寸增大而增大，随超径颗粒体积含量增大而增大;在高轴向压力水平下，尺寸效应明显;在低应力时下，粒径比（试样高度与最大粒径的比值）大于3.7时，可消除尺寸效应。 (5)引入与周期性饱水K0系数相关的应力系数，建立了周期性饱水砂泥岩混合料的各向异性弹塑性模型，并基于试验成果提出了改进的砂泥岩混合料填方体沉降变形简化计算方法。通过旋转硬化轴来反映周期性饱水砂泥岩混合料K0系数的变化而导致的各向异性应力特性，在双屈服面弹塑性模型的基础上，引入与K0系数有关的应力系数，采用变换应力法，将椭圆抛物线双屈服面的硬化轴旋转至K0线，建立了一个既可以反映剪胀、初始各向异性，同时也能够反映周期性饱水劣化变形及K0系数变化的砂泥岩混合料各向异性弹塑性模型，该模型可以反映出周期性饱水劣化变形的特征。
砂泥岩混合料;周期性饱水;压缩变形;演化规律
重庆交通大学
博士
水利工程
王俊杰
2018
中文
TV49
144
2018-09-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）