环境侵蚀下水泥土的损伤破裂试验及其本构模型
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摘要
水泥土及其桩体被广泛应用于地基处理、基坑围护和公路堤坝等工程之中，起到了非常重要的作用。然而，水泥土的应用特点，使其经常用于地下水受到诸如：海水、生活污水等侵蚀环境污染的地下工程中，研究水泥土的力学性质，特别是侵蚀环境条件下力学性能试验，是环境岩土工程领域的一项基础性前沿课题，在环境侵蚀条件下探讨水泥土力学性能的演化，分析其损伤演化规律并建立相应损伤本构模型，具有重要的理论意义和工程实际意义。
首先在实验室配置了各种化学溶液来模拟各种侵蚀环境，将水泥土试件在溶液中进行预定时间的侵蚀。利用土力学三轴系统、冻融循环系统和高精度数码像机等，成功完成了正常条件下及各种侵蚀环境下水泥土的单、三轴压缩破裂过程的对比试验，得到了不同环境条件下水泥土的环境侵蚀效应和破裂过程的数码图片以及荷载位移曲线。另外，利用中国科学院武汉岩土力学研究所提供的岩石细观力学实验系统等设备，进行了单轴细观破裂全过程实时观测试验，得到了水泥土破裂全过程的应力-应变、弹性模量、极限强度等曲线和相关试验数据，获取了破裂全过程的全场以及局部显微图像。
根据试验得到的有关数据，分析了不同pH值、不同浓度、不同化学溶液以及冻融条件等侵蚀环境对水泥土的宏-细观力学特性的影响。基于Matlab平台，首次应用神经网络理论编制了相应辩识程序，建立了环境侵蚀条件下水泥土的神经网络本构模型，试验数据与模拟结果的比较一致，说明该模型在描述环境侵蚀条件下水泥土内在属性的变化具有较高的精度和良好的泛化能力。本研究结果进一步说明神经网络模型适合于描述多影响因素的非线性复杂因果规律，为研究材料本构特性提供了一条新的途径。
其次，分析了水泥土受各种侵蚀环境作用的破裂特征、方式和损伤机理。环境侵蚀条件下水泥土单轴压缩破坏以脆性破坏为主，各种环境下的破裂特征和方式基本相同。水泥土的环境侵蚀主要是其各种矿物成分与侵蚀环境中的化学溶液发生了一系列物理-化学作用，导致水泥土微细观结构发生了损伤破坏，水泥土变得松散脆弱，随之力学性能发生变化。水泥土的冻融循环破坏主要是物理作用的结果。另外，应用损伤力学理论，考虑水泥土的初始密度、初始损伤以及孔隙侵
Cement-mixed soil and its piles are wildly used in ground treatment, earth-retaining structure, road-bed and so on. Playing important action in engineering, which were mentioned to. However, cement-mixed soil has characteristic task at underground, where groundwater might be corrosive by seawater, sewage of living and erosive environments. Research on various mechanical properties of cement-mixed soil, in particular under the condition of environmental erosion, is one of the basic and preceding subjects in environmental geotechnology currently. It is of theoretical and practical importance to discuss damage evolving process and mechanical property changes of cement-mixed soil in order to build up the corresponding constitutive model for environmental erosion.
At first, some solutions were maked up in laboratories to simulate erosion environments. Thereafter, some specimens of cement-mixed soil are cured in the solutions until to schedule time. Reaching the special curing time, the uniaxial, triaxial compression experiments with environmental erosion are co nducted, and the meanwhile corresponding macroscopic processing photos and curves between load and displacement are obtained by high precision digital camera, soil mechanic triaxial instrument and freezing and thawing equipment. In addition, using Rock Meso-mechanical Instrument provided by Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics, China Academy of Sciences, part uniaxial compression meso-failure process and real time observation experiments are done under different environmental condition. Therefore, corresponding stress-strain curves, modulus of elasticity, ultimate strength and other testing results are obtained. And the meantime mesoscopic photos of cement-mixed soil are recorded during microscopic cracking under compression.
According to experimental data, the influences of environmental erosion on mechanical properties of cement-mixed soil caused by different pH values, strength of
首先在实验室配置了各种化学溶液来模拟各种侵蚀环境，将水泥土试件在溶液中进行预定时间的侵蚀。利用土力学三轴系统、冻融循环系统和高精度数码像机等，成功完成了正常条件下及各种侵蚀环境下水泥土的单、三轴压缩破裂过程的对比试验，得到了不同环境条件下水泥土的环境侵蚀效应和破裂过程的数码图片以及荷载位移曲线。另外，利用中国科学院武汉岩土力学研究所提供的岩石细观力学实验系统等设备，进行了单轴细观破裂全过程实时观测试验，得到了水泥土破裂全过程的应力-应变、弹性模量、极限强度等曲线和相关试验数据，获取了破裂全过程的全场以及局部显微图像。
根据试验得到的有关数据，分析了不同pH值、不同浓度、不同化学溶液以及冻融条件等侵蚀环境对水泥土的宏-细观力学特性的影响。基于Matlab平台，首次应用神经网络理论编制了相应辩识程序，建立了环境侵蚀条件下水泥土的神经网络本构模型，试验数据与模拟结果的比较一致，说明该模型在描述环境侵蚀条件下水泥土内在属性的变化具有较高的精度和良好的泛化能力。本研究结果进一步说明神经网络模型适合于描述多影响因素的非线性复杂因果规律，为研究材料本构特性提供了一条新的途径。
其次，分析了水泥土受各种侵蚀环境作用的破裂特征、方式和损伤机理。环境侵蚀条件下水泥土单轴压缩破坏以脆性破坏为主，各种环境下的破裂特征和方式基本相同。水泥土的环境侵蚀主要是其各种矿物成分与侵蚀环境中的化学溶液发生了一系列物理-化学作用，导致水泥土微细观结构发生了损伤破坏，水泥土变得松散脆弱，随之力学性能发生变化。水泥土的冻融循环破坏主要是物理作用的结果。另外，应用损伤力学理论，考虑水泥土的初始密度、初始损伤以及孔隙侵
Cement-mixed soil and its piles are wildly used in ground treatment, earth-retaining structure, road-bed and so on. Playing important action in engineering, which were mentioned to. However, cement-mixed soil has characteristic task at underground, where groundwater might be corrosive by seawater, sewage of living and erosive environments. Research on various mechanical properties of cement-mixed soil, in particular under the condition of environmental erosion, is one of the basic and preceding subjects in environmental geotechnology currently. It is of theoretical and practical importance to discuss damage evolving process and mechanical property changes of cement-mixed soil in order to build up the corresponding constitutive model for environmental erosion.
At first, some solutions were maked up in laboratories to simulate erosion environments. Thereafter, some specimens of cement-mixed soil are cured in the solutions until to schedule time. Reaching the special curing time, the uniaxial, triaxial compression experiments with environmental erosion are co nducted, and the meanwhile corresponding macroscopic processing photos and curves between load and displacement are obtained by high precision digital camera, soil mechanic triaxial instrument and freezing and thawing equipment. In addition, using Rock Meso-mechanical Instrument provided by Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics, China Academy of Sciences, part uniaxial compression meso-failure process and real time observation experiments are done under different environmental condition. Therefore, corresponding stress-strain curves, modulus of elasticity, ultimate strength and other testing results are obtained. And the meantime mesoscopic photos of cement-mixed soil are recorded during microscopic cracking under compression.
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引文
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