基于突变理论的新郑门遗址土稳定性研究

论文摘要

我国是世界文明古国之一,土遗址包含的历史过程从石器时期绵延至近代,具有历史实证性和不可再生性,是我们研究古文化的重要实物资料。但是在土遗址的发掘及保护过程中由于外应力和内应力的复合作用大量存在剥蚀、裂缝、失稳坍塌等病害。因此,正确认识导致土遗址病害的诱发因素及其劣化机制,加强土遗址保护理念刻不容缓。目前,国内外学者针对干湿、冻融循环与盐渍过程对膨胀土、湿陷性黄土、盐渍土等土体性质已进行了较为系统的研究,取得了较为理想的结果。相对而言,土遗址的研究成果较少,尤其遗址土劣化宏观表象的细观结构变化研究较少。因此,立足微、细观角度来认识土体失稳宏观现象的机理和本质具有很大价值和意义。本文在对新郑门土遗址现场勘查和历史现状、环境特征、地层岩性特征及水文地质条件等概括分析的基础上,围绕新郑门遗址土稳定性展开研究,通过对新郑门遗址土物理力学参数的分析,利用有限元软件模拟分析了其在自重和加载状态下不同含水率的应力应变关系,建立了基于弹性滑体平面滑动失稳力学模型的土体稳定性分析新方法。主要研究内容如下:（1）确定分析方法。基于土遗址的实证性和不可再生性,同时结合计算机模拟功能的精确性,选用数值模拟来分析其力学性能;由于新郑门土遗址在环境因素影响下存在裂隙,另外对土遗址的维护加固过程中也存在新老土交界软弱面,所以选用秦四清教授建立的平面滑动失稳力学模型来分析其稳定性最为合适;结合黄文熙院士对非饱和土细观结构的分类以及土遗址的低含水率状态,选取非饱和土细观结构的水封闭形式来分析遗址土力学性能;通过文献查阅和非饱和土吸力理论的对比分析,选择从粒间吸力角度来分析非饱和土的有效应力。（2）给出新郑门土遗址非线性介质本构关系。结合陈正汉教授和沈珠江院士关于土体微细观结构方面的建议,把土遗址看成是由细观层面的颗粒组成,建立了理想等粒径土颗粒的简化模型;通过对新郑门遗址土物理力学参数的分析,利用有限元软件模拟分析了其在自重和加载状态下不同含水率的应力应变关系;运用MATLAB对模拟结果进行拟合,给出了新郑门土遗址非线性介质的本构关系为τ= Gf/（ω）e-（u/u0）2。（3）基于弹性滑体的尖点突变分析。考虑滑体的变形及能量积聚对土体稳定性的影响,建立了弹性滑体力学模型。运用有限元模拟得出的新郑门遗址土非线性介质本构关系的一般公式,结合平面滑动失稳力学模型进行了针对滑体不同假设的尖点突变模型分析。刚性滑体的力学模型将滑体简化为刚体,其尖点突变模型计算结果只解释了滑体整体滑动的失稳现象,却忽略了滑体对土体稳定性的影响,模型的计算结果表明在土体软弱面介质含水率大于38%时将满足失稳条件出现失稳现象;弹性滑体力学模型的计算结果不仅解释了土体失稳时存在的整体滑动失稳,也解释了存在的滑体扩容、隆起产生的溃屈或弯折破坏失稳的现象,同时得出了土体软弱面介质含水率大于29%时将满足失稳条件出现失稳现象的结论。通过两种不同力学模型的对比分析,考虑滑体变形对土体稳定性的影响这一因素,建立的弹性滑体力学模型更加符合工程实际、考虑更加全面。通过这一力学模型进行的尖点突变模型推导得出的稳定性系数更具说服力,也为其它存在软弱面的土体稳定性分析方法提供了新思路。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
•   1.1 选题背景及意义
•   1.2 研究现状
•     1.2.1 土遗址保护研究现状
•     1.2.2 土体稳定性研究现状
•     1.2.3 突变理论的研究现状
•   1.3 研究内容与技术路线
•   1.4 论文的创新点
•   1.5 本章小结
• 2 新郑门遗址土稳定性力学模型及分析
•   2.1 新郑门土遗址概况
•     2.1.1 新郑门土遗址历史及现状
•     2.1.2 新郑门土遗址环境特征
•     2.1.3 新郑门土遗址建造特点
•   2.2 新郑门土遗址稳定性分析力学模型
•     2.2.1 突变理论力学模型
•     2.2.2 新郑门遗址土力学模型
•     2.2.3 力学模型本构关系
•   2.3 新郑门土遗址细观结构
•   2.4 本章小结
• 3 新郑门遗址土软弱面介质本构关系研究
•   3.1 有限元模型的建立
•     3.1.1 简化计算模型
•     3.1.2 物理力学参数
•     3.1.3 计算工况
•   3.2 遗址土颗粒有限元模拟结果
•   3.3 非线性介质应力应变关系
•     3.3.1 数据处理方法
•     3.3.2 不同工况应力应变关系
•     3.3.3 遗址土非线性介质本构关系拟合
•   3.4 本章小结
• 4 基于弹性滑体的尖点突变模型分析
•   4.1 基于尖点突变的分析方法
•   4.2 刚性滑体的尖点突变模型分析
•   4.3 弹性滑体的尖点突变模型分析
•   4.4 本章小结
• 5 结论与展望
•   5.1 结论
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杨光辉

导师: 岳建伟

关键词: 遗址土,土体稳定,本构关系,力学模型,尖点突变

来源: 河南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 河南大学

分类号: TU43

总页数: 88

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