【摘 要】
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颗粒材料广泛应用于工业工程和岩土工程中,具体涉及土木建筑、农业、化工等行业。以岩土工程为例,砂土地基基础剪切破坏、桩基承载力和边坡稳定等问题均与之有关。因此,研究颗粒材料承载机理,发展精确的颗粒材料强度理论是保证其安全应用的基础和关键。目前,针对颗粒材料力学性质的研究,主要采用试验、数值和理论的方法,其中理论模型就是在试验的基础上建立起相应的力学模型,将宏、微观力学量联系起来,定量地分析颗粒系统的
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颗粒材料广泛应用于工业工程和岩土工程中,具体涉及土木建筑、农业、化工等行业。以岩土工程为例,砂土地基基础剪切破坏、桩基承载力和边坡稳定等问题均与之有关。因此,研究颗粒材料承载机理,发展精确的颗粒材料强度理论是保证其安全应用的基础和关键。目前,针对颗粒材料力学性质的研究,主要采用试验、数值和理论的方法,其中理论模型就是在试验的基础上建立起相应的力学模型,将宏、微观力学量联系起来,定量地分析颗粒系统的力学行为。本文从颗粒单元体出发,考虑颗粒间的接触行为对颗粒系统整体力学行为的影响,并结合速率-状态摩擦模型,提出了符合实际的本构模型并解释了颗粒系统行为的内在机理。具体研究工作如下:(1)基于速率-状态摩擦模型(RSF),构建颗粒系统微观力学量与宏观力学行为的联系,再由能量平衡方程建立颗粒材料宏观强度的演化分析理论模型。将所得到的模型与直剪试验结果进行对比,发现模型与试验吻合度较高,说明所推导出的颗粒材料剪切强度模型的适用性和准确性。随后将所得到的模型参数进行拟合,得出各个RSF参数与竖向荷载的关系。(2)基于速率-状态摩擦模型对颗粒材料的粘滑现象进行了理论研究,探究了颗粒断层粘滑失稳背后的机理与其影响因素。通过强度阶跃试验得到RSF参数,并引入失稳判据,以此来界定和判断粘滑失稳的产生条件。研究结果再次验证了导致粘滑的关键因素:kc必须保持足够小,不能远超过断层刚度k,即要保证刚度比K接近于1,同时可以利用刚度比来找到与颗粒滑移的大小、周期等之间的联系。(3)探究了颗粒材料在更为简单的应力路径下以及更大范围剪切速率下的受剪情况,并将所得的结果与理论预测进行对比,以验证所提出的剪切强度模型在不同剪切条件下的适用性,通过GDS空心圆柱扭剪试验对颗粒材料在纯剪切作用下的强度演化行为进行了研究,试验表明,颗粒材料在纯剪切作用下强度的演化与直剪试验较为接近,并分析了其剪切速率以及围压对其强度和变形的影响。
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