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本文通过对西安地区不同含水量Q2黄土的常规单轴压缩试验,不同围压下的三轴压缩试验,单轴蠕变试验及不同围压下的三轴压缩蠕变试验,研究了黄土的瞬时变形及破坏特征,在不同围压及应力水平下的蠕变试验特征和等时应力应变特征。研究表明Q2黄土流变具有非线性和加速蠕变特征。结合扫描电子显微镜观测分析,探讨了黄土的蠕变机理。
首先,通过常规试验研究对结构性Q2黄土的物理力学特性、力学参数变化规律及本构关系进行了分析和研究,并讨论了Q2黄土和Q3黄土的物理力学性质的异同点。CU剪切试验结果表明:Q2黄土的应力应变关系呈强软化一较强软化型,其本构关系可采用强软化型本构模型来描述,该模型中的参数与含水量和围压呈较密切的关系;Q3黄土的应力应变关系呈弱软化型,其本构关系可采用指数型本构模型来描述。
其次,在常规试验的基础上,对结构性Q2黄土的损伤特性进行了研究。研究结果表明:单轴压缩过程中,黄土损伤应变门槛值与含水量的关系不明显,而黄土的应力损伤门槛值则随着含水量的增加而线性降低。Q2黄土的软化型应力应变关系可以用含损伤变量的本构模型来描述。在分别考虑黄土刚度和强度的损伤效应的基础上,得到形式基本一致的两种单轴损伤演化方程。
基于统计损伤理论在描述岩土材料软化型本构关系方面所具有的优势,采用统计损伤的方法对黄土损伤演化进行了尝试性的研究,在考虑损伤门槛值对损伤变量影响的基础上,推导出了Q2黄土的统计损伤本构模型。拟合分析表明,Q2黄土的统计损伤本构模型拟合精度较高。
再次,通过大量单轴和三轴Q2黄土蠕变试验,全面地研究了含水量和围压对Q2黄土流变特征的影响,并对Q2黄土和Q3黄土的蠕变特性进行了对比分析。在此基础上,建立了黄土的粘弹塑性流变模型,该模型以元件组合模型描述黄土的线性流变特性,以经验公式来描述黄土的非线性流变特性,并对该模型参数进行了拟合。
在考虑损伤门槛的统计损伤及黄土的线性元件组合模型的基础上,利用应变等效原理,开创性的建立了考虑瞬时损伤的黄土统计损伤流变本构模型,并分析了损伤参数与含水量和围压的关系。该模型能够较好的描述黄土的非线性流变特性。在Kachanov提出的一维蠕变损伤演化方程的基础上,首次建立了同时考虑瞬时损伤和蠕变损伤的黄土流变本构模型,该模型能够较好的描述黄土的加速蠕变阶段。黄土的统计损伤流变本构模型和蠕变损伤本构模型为损伤力学在黄土中的应用开辟了新的途径。
最后,结合有限元的基本原理,分析了统计损伤流变模型的有限元的求解过程;采用ANSYS进行前处理,利用APDL语言提取计算所需相关信息,用MATLAB编制了统计损伤流变模型的平面应变有限元计算程序。
利用编制的程序,对黄土蠕变试验进行了有限元分析,该模型与试验结果吻合较好。