三轴条件下钙质砂颗粒破碎力学性质与本构模型研究

论文摘要

钙质砂是分布于热带海洋中的一种特殊岩土介质,由于其成因和组构上的特点导致其物理力学性质与常规的陆源砂有所区别。实践证明,颗粒破碎是影响钙质砂力学性质的主要因素。目前对于钙质砂的力学性质已经取得了很多的研究成果,但是能够准确模拟钙质砂颗粒破碎的本构模型不多见。本文通过大量力学试验对钙质砂在三轴条件下的剪切特性进行了阐述;对钙质砂颗粒破碎的影响因素和破碎机理进行了研究;在此基础上建立了钙质砂考虑颗粒破碎的本构模型,并对模型的模拟效果进行验证。具体的内容和结论如下:1、进行围压0.1至3.2MPa三轴条件下钙质砂的固结排水和固结不排水试验,对钙质砂三轴条件下的剪切特性进行分析。2、在介绍土体颗粒破碎分类和各种度量方法的基础上,分析了矿物成分、粒径大小、颗粒级配、应力水平和剪切应变等因素对颗粒破碎的影响;通过不同形状钙质砂颗粒在不同类型和应力水平试验前后的形态变化,分析不同形状钙质砂颗粒的破碎类型;给出了三轴试样中钙质砂的单个颗粒所受特征应力的公式。3、对钙质砂的颗粒破碎机理进行分析,给出了关于破碎消耗能量、摩擦角、剪胀与偏应力比的关系式。此公式有利于区别颗粒破碎、剪胀和滑动摩擦各部分对钙质砂或者其他无粘性土抗剪强度的影响。4、本文提出的考虑颗粒破碎的本构模型中,基于剪切变形中颗粒破碎的能量消耗提出了一种塑性流动准则。模型采用非关联流动准则和运动强化模型,考虑了颗粒破碎对塑性剪切变形与塑性体积变形的影响。在极限平衡条件下提出了应力-应变公式。模型能够准确模拟钙质砂在各围压下的应力-应变-体变特性,并且能够描述钙质砂的应力硬化和峰值后的应力软化特性。模型的特点是能够模拟各剪切应变阶段的颗粒破碎。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 土体颗粒破碎研究进展
• 1.3 砂土本构模型的研究进展
• 1.4 本文所做的主要工作
• 第二章 土的本构关系与影响因素
• 2.1 土的应力应变关系
• 2.2 土的本构关系模型
• 2.3 本章小节
• 第三章 美济礁钙质砂的三轴试验
• 3.1 试验材料
• 3.2 三轴压缩试验内容与方法
• 3.3 三轴固结排水剪切试验研究
• 3.4 三轴固结不排水剪试验研究
• 3.5 钙质砂的强度特性探讨
• 3.6 本章小节
• 第四章 钙质砂的颗粒破碎研究
• 4.1 土体的颗粒破碎
• 4.2 钙质砂颗粒破碎的影响因素研究
• 4.3 钙质砂颗粒破碎的细观分析
• 4.4 本章小节
• 第五章 钙质砂考虑颗粒破碎的本构模型
• 5.1 三轴试验中颗粒破碎的模型
• 5.2 本构模型的建立
• 5.3 本章小节
• 第六章 本构模型的验证与分析
• 6.1 数值方法
• 6.2 模型参数的计算
• 6.3 模型的验证与分析
• 6.4 本章小节
• 第七章 结论与展望
• 7.1 研究结论
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 博士在读期间论文发表情况
• 博士在读期间参加科研项目情况
• 致谢