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中南大学学报（自然科学版） 2019年第8期50卷 1981-1990页

作者：陈永青文畅平方炫强陈宗辉孙政王解军中南林业科技大学土木工程学院湖南长沙410018 中南林业科技大学现代木结构工程材制造及应用技术湖南省工程实验室湖南长沙410018 湖南省交通规划勘察设计院湖南长沙410018

为了准确描述生物酶改良后膨胀土的应力-应变关系,控制生物酶掺量(即掺入的生物酶质量与膨胀土干质量之比)为唯一变量,进行等向固结与回弹试验以及不同固结压力下的三轴排水剪切试验。基于黏性土常用的修正剑桥类模型框架,得到生物酶掺... 详细信息

为了准确描述生物酶改良后膨胀土的应力-应变关系,控制生物酶掺量(即掺入的生物酶质量与膨胀土干质量之比)为唯一变量,进行等向固结与回弹试验以及不同固结压力下的三轴排水剪切试验。基于黏性土常用的修正剑桥类模型框架,得到生物酶掺量对参数λ(正常固结线斜率),κ(回弹曲线斜率)和M(剪切破坏线斜率)的影响规律,分析生物酶掺量对弹性墙内的塑性剪切变形以及对魏汝龙模型相关参数的影响。最终,建立以生物酶掺量为扰动因子的修正mcc模型与修正魏汝龙模型。研究结果表明:修正魏汝龙模型对膨胀土的应力-应变关系描述更准确;与mcc模型相比,修正mcc模型能够大幅提高对生物酶改良膨胀土的应力.应变关系描述的准确程度。

关键词：路基工程生物酶改良膨胀土修正mcc模型修正魏汝龙模型扰动理论

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生物酶改良膨胀土的本构关系研究

生物酶改良膨胀土的本构关系研究

引用

作者：陈永青中南林业科技大学

学位级别：硕士

工程实践中,常采用石灰、水泥等无机材料对膨胀土进行化学改良。研究表明生物酶对膨胀土的膨胀特性与物理力学特性均有较好的改善作用。但现阶段国内外对生物酶改良膨胀土的本构模型研究较少,为进一步揭示生物酶改良剂改良膨胀土的工程... 详细信息

工程实践中,常采用石灰、水泥等无机材料对膨胀土进行化学改良。研究表明生物酶对膨胀土的膨胀特性与物理力学特性均有较好的改善作用。但现阶段国内外对生物酶改良膨胀土的本构模型研究较少,为进一步揭示生物酶改良剂改良膨胀土的工程特性,为改良后膨胀土的工程设计提供依据,有必要对生物酶改良膨胀土的本构模型进行研究。鉴此,本文以生物酶改良的膨胀土作为研究对象,对其展开了全面的三轴试验研究。并以单屈服面本构模型中的剑桥类模型与双屈服面本构模型中的殷宗泽模型做为研究基础,建立了生物酶掺量与本构模型参数之间的相关关系,从而得出了不同生物酶掺量下,改良膨胀土应力-应变关系的演化规律,最终对相关模型进行一定的修正,提高了对此类改良土的描述精度。通过开展一系列的试验研究与理论分析,主要得到了如下的研究进展与创新结论:1、通过一系列生物酶改良膨胀土的物理特性试验、膨胀特性试验与三轴排水剪切试验研究了生物酶改良膨胀土的物理、力学特性,试验研究结论如下:(1)对生物酶改良膨胀土的物理特性的试验结果表明:随着生物酶掺入量的增加,液塑限均呈现递减的相关关系;生物酶掺入量对最佳含水量的影响较小,最佳含水量均为18%左右;生物酶掺量对改良膨胀土的标准吸湿含水量影响很大,具有很强的相关关系,可用二次函数进行描述。(2)对生物酶改良膨胀土的膨胀特性的试验结果表明:生物酶掺量对自由膨胀率指标、无荷膨胀率指标、有荷膨胀率指标影响均很大,生物酶能够有效改善其胀缩性。(3)对生物酶改良膨胀土的三轴试验结果表明:应力-应变相关关系表现为应变硬化型,硬化规律符合等向硬化与运动硬化理论,生物酶能有效提高改良土的抗压缩性能与抗剪切性能。2、基于三轴排水剪切试验结果,展开单屈服面本构模型的理论研究。分析了生物酶掺量对修正剑桥模型相关参数的影响规律。基于魏汝龙模型,考虑生物酶对弹性墙内的塑性剪切变形以及对屈服面形状的影响规律。最终,建立了以生物酶掺量为扰动因子,以生物酶掺量变化为统一扰动函数的修正mcc模型与修正魏汝龙模型。得到了如下的理论研究成果:(1)修正魏汝龙模型对生物酶改良膨胀土试验结果的应力-应变关系描述最为适用,而修正mcc模型相比mcc模型能够大幅提高对生物酶改良膨胀土的应力-应变关系描述的准确程度。(2)生物酶掺量显著影响等向固结线斜率,而随着生物酶掺量的增大,回弹(膨胀)曲线斜率显著增大。试验结果证明生物酶对膨胀土应力-应变关系的硬化规律参数影响较大,同时也说明同等加载条件下,生物酶改良膨胀土的抗压缩能力增强。(3)应力-应变相关关系表现为应变硬化型,根据试验结果,其硬化规律符合等向硬化与运动硬化理论,修正魏汝龙模型能通过考虑屈服面形状对其加以考虑。此外,本文通过对弹性模量的修正,考虑了弹性墙内的塑性变形。3、单屈服面的弹塑性“帽子”本构模型,不能很好地描述在偏应力不变、围压减小的应力路径下,土体发生较大的塑性剪切变形,甚至破坏的情况。因此,本文基于一系列三轴排水剪切试验,开展了双屈服面本构模型的理论研究。对不同生物酶掺量下的改良膨胀土的弹性形变演化规律进行了分析,同时研究了生物酶掺量与剪切压缩、剪切膨胀相关的屈服面形状的演化规律,以及与破坏线方程的演化规律。在此基础上分析了生物酶掺量对殷宗泽模型的参数影响规律。引入生物酶掺量作为修正殷宗泽模型的修正因子,最终对殷宗泽模型进行了修正。得到了如下的理论研究成果:(1)修正殷宗泽模型能够很好地描述生物酶改良膨胀土的土体本构关系。对比修正殷宗泽模型的理论计算值与试验值,两者具有很高的吻合度。(2)生物酶能增大改良膨胀土的弹性形变,弹性变形相关参数均随着生物酶掺量的增加而增大。随着生物酶掺入量的增加,其剪缩屈服面形状呈现远离原点的演化规律,而剪胀屈服面形状表现为远离横轴并逐渐外凸的演化规律。(3)生物酶能够有效提高膨胀土的抗剪能力。对破坏线方程演化规律的研究,得到了生物酶能显著增强土体粘聚力与内摩擦角,但对土体的破坏比影响较小的结论。基于单屈服面模型与双屈服面模型,通过对生物酶改良膨胀土的本构关系进行研究,丰富了临界状态土力学相关理论,提出的修正模型能够很好地解释了生物酶改良膨胀土的应力-应变关系,同时也能为其他改良土的应力-应变研究提供一定的借鉴作用,并为生物酶改良膨胀土的工程应用提供一定的参考价值。

关键词：生物酶改良膨胀土应力应变关系力学特性修正mcc模型修正魏汝龙模型修正殷宗泽模型屈服面演化规律三轴试验

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