红山窑膨胀红砂岩本构模型及其应用

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1、河海大学博士学位论文红山窑膨胀红砂岩本构模型及其应用姓名：何山申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：王思敬;朱珍德20080501摘要摘要膨胀岩问题是工程地质和岩石力学领域中最为复杂的研究难题之一。目前关于膨胀岩的膨胀变形试验和膨胀本构模型的研究已有不少，但对膨胀岩的判别分类方法、膨胀机理及膨胀本构模型仍众说纷纭。本文以南京红山窑水利枢纽工程中膨胀红砂岩为研究对象，通过对此类膨胀红砂岩进行膨胀率试验、膨胀力试验、收缩试验、失水试验、力学性质指标试验、现场膨胀率试验及载荷试验等试验，并对试验结果运用数学、力学及有限元理论进行分析研究。论文的主要

2、研究工作和研究成果归纳如下：(1)将膨胀岩的自由膨胀率、干燥饱和吸水率、浸水崩解度、极限膨胀量、极限膨胀力、比表面积、交换容量、围岩强度等膨胀特性指标作为膨胀岩判别分类的主要考虑因素，引入模糊综合评判的概念，建立膨胀岩分类专家数据系统，采用多因素综合评判的方法对膨胀岩进行判别分类，从而可避免以往由单因素分类法对膨胀岩进行分类的不确定性。(2)对南京红山窑膨胀红砂岩进行了多种膨胀特性试验和力学性质指标试验，获得了此膨胀岩的膨胀变形特性和力学性质指标，为模型的建立和参数的选择提供了科学的依据。(3)在试验研究的基础上，基于湿度应力场理论，推导了弹性模

3、量E和泊松比u都随含水率变化而发生变化的膨胀红砂岩弹性本构模型、非饱和湿度场弹塑性耦合模型，讨论了有限元解的稳定性，绘出了有限元求解流程图。(4)在所建模型的基础上，开发了膨胀问题的j维有限元计算程序；对膨胀率试验和现场载荷试验进行数值模拟，将计算结果与室内外试验结果对比，从而验证所做试验的科学性、所建模型的正确性、所选择地基处理方案的合理性。关键词：膨胀岩膨胀特性判别分类湿度场本构模型有限元法lIAbstractABSTRACTOneofthemostcomplicatedresearchpuzzlesinthefieldofengineeri

4、nggeologyandrockmechanicsisswell．ngrock．Atpresent，thoughtherearemanyresearchesaboutswellingrockinswellingdefomationtestandswellingconstitutiVemodel，thereareVa巧opinionsondistinguishandclassi矽methods、swellingmechanicsandswellingconstitutiVemodel．Inthispaper，thesubjectinVestigat

5、edisswellingredsandstoneofHongShanYaohydro．junctionprojectkilninNanjingcity．Theresultsofexpansionrateexperiments，expansivefbrceexperiments，aseriesofontheseredswellingrock，suchasshrinkagetest，loss—of-coolantexperiment，mechanicalpropertyindexexperiment，neldexpansionrateexperime

6、ntsandburdeningexpansionexperimentsareanalyzedbymathematics，mechanicsandflniteelementtheoq。Thechiefcontentandresearch6ndingsareasfollowing：(1)FirStly，thesefactors，fkeexpansionrate、d叫saturatedwaterabso印tion，submergeddisintegrationrate，ultimateswellingcapacity，ultimateswellingf

7、orce，specificarea，exchangecapacityandwallmckstrengthandsoon，areconsjderedasthemostimportantfactors，andthenotionofbIurringcompositejudgeisimported；theswellingclassi行edexpert—datasystemjssetup．Theuncenaintyarousedbysinglef．actorclassifiedcanbeavoidedbyconsideringseVeralfactorsa

8、ndusingthemethodofcompositejudge．(2)Bytheexpansioncharacteristictest