| 题名 | 宽级配砾石土水力参数、液化特性及本构模型研究 |
| 作者 | 胡凯 |
| 答辩日期 | 2019-07-01 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 成都 |
| 导师 | 陈晓清 |
| 关键词 | 宽级配砾石土 土-水特征曲线 渗透函数 液化特性 本构模型 |
| 其他题名 | Research on Hydraulic Characteristics, Liquefaction Characteristics and Constitutive Model of Wide-Grading Gravelly Soil |
| 学位专业 | 岩土工程 |
| 英文摘要 | “宽级配砾石土”在自然界具有广泛的分布，特别在我国新构造运动强烈、地形起伏大、滑坡泥石流广泛发育的西南地区。土-水特征曲线、渗透函数和强度特性作为土体非饱和渗流和稳定性研究的重要参数，对于以宽级配砾石土分布为主的滑坡泥石流失稳起动预测具有重要的意义。论文在总结分析前人土-水特征曲线、渗透函数、强度和液化特性研究成果的基础上，开展了以下几个方面的研究工作：针对不同颗粒级配和干密度的宽级配砾石土进行了时域反射计标定实验，研究宽级配砾石土体积含水率与介电常数的标定关系；基于瞬态剖面法实验原理，加工制作大型渗透柱，针对宽级配砾石土进行渗透柱试验，并利用van-Genuchten和Brooks-Corey模型对试验结果进行分析，研究不同颗粒级配、干密度对宽级配砾石土土-水特征曲线、渗透函数及其参数的影响；针对最大粒径不同的宽级配砾石土进行缩尺强度试验，考察其强度参数与土样最大颗粒粒径及级配参数的变化关系；考察不同干密度的饱和宽级配砾石土在固结不排水和排水条件下应力-应变特性及液化特性，并针对其应力-应变关系，建立基于相变状态的本构关系；最后建立宽级配砾石土力学性状与滑坡泥石流起动模式关系，取得的主要研究成果如下：1、开展了宽级配砾石土时域反射计标定实验，得到了宽级配砾石土标定函数直接利用仪器内置的标定函数所测定的体积含水率与土体实际体积含水率的相对误差普遍高于20%，且随着干密度的增加，相对误差呈增大的趋势；基于实际体积含水率与介电常数关系，拟合建立能够准确测定宽级配砾石土含水率的标定函数：θw=6.87+6.43×10-1Ka+1.18×10-2Ka2-6.62×10-5Ka3。该标定函数控制平均误差小于2%，且误差与颗粒级配和干密度无相关性。2、自制了一套用于宽级配砾石土水力参数测定的实验装置，测定了不同颗粒级配和干密度宽级配砾石土水力参数，并分析得到了不同条件对宽级配砾石土水力参数的影响（1）基于瞬态剖面法实验原理加工制作的渗透柱实验装置适用于宽级配砾石土粗颗粒土土-水特征曲线和渗透函数测定，装置原理明确，操作简便且可节省大量时间和人力。宽级配砾石土水力参数具有进气值小、过渡段斜率大和渗透系数大的特点。（2）van-Genuchten和Brooks-Corey土-水特征曲线模型能较好的描述宽级配砾石土体积含水率与基质吸力关系；利用土-水特征曲线所得模型参数代入相应的渗透函数模型，得到Brooks-Corey渗透函数模型预测值能较好的描述宽级配砾石土渗透系数与基质吸力关系，而van-Genuchten渗透函数模型预测值总是低于实验测定值。（3）van-Genuchten模型中参数α的倒数（1/α）并不是进气值，二者呈线性关系；参数n与土-水特征曲线过渡段斜率呈正相关关系。van-Genuchten模型参数与Brooks-Corey模型参数存在一定关系：n=1.011+1.035λ，α=(0.739/ψb)1.102。随着干密度的增大，宽级配砾石土进气值呈线性增大，而过渡段斜率呈线性减小。随着级配系数i的增大，进气值逐渐减小，且随着标度参数的增大而线性减小；过渡段斜率随着级配系数i的增大呈减小趋势，在i=0.35时最大，与土体的压实性能密切相关。3、得到了宽级配砾石土强度参数与最大粒径和级配参数关系，分析了宽级配砾石土液化特性，建立了稳态强度与干密度和有效围压的关系，并分析力学性状与泥石流起动的联系（1）所有出现液化或者有效液化破坏的宽级配砾石土试样，峰值有效内摩擦角φp`都随着最大粒径dmax的增大呈线性增大。峰值有效内摩擦角φp`随着不均匀系数Cu呈指数增大，而随标度参数Dc的增大而分段线性增大。（2）宽级配砾石土的抗液化能力随着围压、干密度的增大而增大；稳态时e-q-p`空间系统中处于同一曲线上，建立了稳态强度与干密度和有效围压间的关系式：qss=(σ3/pa)a·exp(b·ρd+c)。（3）排水条件下，宽级配砾石土内摩擦角随着干密度的增大而增大，咬合力随着干密度的增大先增大，后趋于相对稳定。相变应力比随着围压的增大而线性减小，随着干密度的增大呈增大的趋势。排水条件变形特性与不排水条件孔隙水压力变化及液化特性相对应联系。排水状态中由剪缩变为剪胀的状态点与不排水水状态中孔隙水压力由增大变为减小的状态点性质一致。（4）滑坡泥石流的起动与宽级配砾石土力学性状紧密联系，基于临界状态理论，将其分为剪缩型和剪胀型起动模式。松散宽级配砾石土为剪缩型的突发型破坏起动，密实的宽级配砾石土为剪胀型的渐进式破坏起动。4、引入相变状态参数，建立了基于相变状态参数的本构模型 宽级配砾石土的变形具有剪胀性，相变点、峰值点和临界状态是宽级配砾石土变形特性中的特征点。基于临界状态孔隙比为参考的状态参数建立的本构模型中，临界状态的获得比较困难，而相变状态获取容易。参考临界状态参数的定义，建立基于相变状态参数的宽级配砾石土液化本构模型，模型含9个参数，参数从常规的三轴试验即可获得。经验证，该模型能很好的描述宽级配砾石土应变硬化和应变软化行为。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 168 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.imde.ac.cn/handle/131551/33973]  |
| 专题 | 成都山地灾害与环境研究所_山地灾害与地表过程重点实验室 |
| 作者单位 | 中国科学院成都山地灾害与环境研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 胡凯. 宽级配砾石土水力参数、液化特性及本构模型研究[D]. 成都. 中国科学院大学. 2019. |
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