一种考虑损伤的粘弹塑性边界面粘土模型

摘要

粘土的蠕变（流变）力学特性分析对于保障相关工程的长久安全非常重要。多年来，国内外很多学者在粘土的蠕变特性分析课题上做了很多工作。
　　Kaliakin和Dafalias(1990)提出了一个粘弹塑性边界面模型，该模型在应力加载水平较低及土样没有开裂时，对粘土蠕变三轴试验的模拟有明显效果。但是当应力水平较高，土样因蠕变导致开裂时，该模型就很难准确计算模拟出此刻的变形值。
　　这一模拟的困难表明，在模型中考虑损伤的影响是必要的。因此，Mosleh A.Al-Sharmarni和Stein Sture在各向异性粘土边界面模型理论中发展了一个损伤公式。计算研究表明，与不用该损伤公式相比，采用该损伤公式对模拟蠕变变形能起到一定的改进，但是这一改进仅局限于中等应力水平情况下，故该带损伤公式的模型仍有一定缺陷，即该模型尚不能对各种应力水平下的不排水蠕变反应做出全面正确的模拟，尤其在应力水平较高，蠕变开裂变形显著的时候。
　　为了进一步的解决这些问题，在上述前人工作的基础上，本文所开展的主要工作和相关成果如下：
　　①本文通过借鉴Al-Shamrani和Sture的文章思路，首先提出了一种初始损伤函数，该函数形式比Al-Shamrani和Sture文章的损伤公式形式复杂，并将该损伤函数引入了Kaliakin和Dafalias(1990)所提出的粘弹塑性边界面模型中，形成了一种考虑损伤的粘弹塑性边界面模型。对大阪软粘土及温哥华Haney软粘土不排水蠕变试验计算模拟结果表明，本文所提出的初始损伤函数对改善粘弹塑性边界面模型模拟土样蠕变开裂大变形具有明显的作用。对比Al-Shamrani和Sture文章及本文的计算模拟结果图可以看出，Al-Shamrani和Sture文中的时间与轴应变关系曲线采用的是对数坐标，而本文直接采用的是自然数坐标，显然本文计算所得出的精度更高。
　　②由于初始损伤函数公式相对复杂，在不同的荷载等级下需要输入不同的参数值，由此需要对其进行改进，一方面需要简化公式形式，另一方面需要统一不同荷载水平下的损伤参数值。由此，根据初始损伤函数值与时间的关系曲线分析，我们从理论上阐述了为何引入损伤函数能有效改善模型对软土试样蠕变开裂变形的模拟。同时，从初始损伤函数出发，总结出了简化的双参数指数损伤函数形式，并结合大阪软粘土及温哥华Haney软粘土的不排水蠕变试验验证了其在本构模拟中应用的合理性。
　　③双参数指数损伤函数仅解决了简化损伤函数公式的问题，尚未解决不同荷载水平下损伤参数值输入值不变的问题。因此，针对该函数中不同荷载下的两个参数自然对数值分别进行了数据拟合，进一步提出了满足不同荷载下参数输入值统一的简化四参数及五参数损伤函数。通过对大阪软粘土及温哥华Haney软粘土的不排水蠕变试验验证，表明了简化四参数及五参数损伤函数的有效合理性。对于实践中的软粘土相关工程而言，这一适应从低应力到高应力的软土受荷全过程连续分析的损伤函数改进，具有重要的工程实用意义。
　　④本文通过研究，提出了一种考虑损伤的粘弹塑性边界面模型，该模型通过引入损伤函数的方式对软土的蠕变损伤效应进行模拟。对于进一步的与时间相关联的土力学分析，例如各向异性，地震或动力作用，以及非连续性加载蠕变模拟分析等等领域，本文损伤函数的应用思路及分析和推导的方式对于促进这些领域的研究进展具有良好的参考价值。
　　⑤除软粘土材料之外，本文所提出的初始简化损伤函数及后续的简化损伤函数推导思路对于其它工程材料的损伤或蠕变开裂大变形数值模拟也具有良好的参考价值。

目录

主要符号

1 绪 论

1.1 引言

1.2 选题背景及意义

1.3 软粘土的力学特性及相关理论

1.4 课题研究目的、内容、技术路线

2 各向同性粘弹塑性边界面粘土模型理论

2.1 引言

2.2 边界面概念

2.3 粘弹性边界面模型方程

2.4 各向同性粘性土方程

2.5 模型参数的识别和确定

2.6 本章小结

3 初始损伤函数的提出及在边界面模型中的引入

3.1 初始损伤函数公式的提出及其参数物理意义

3.2 初始损伤函数在各向同性粘弹塑性边界面模型中的引入

3.3 引入初始损伤函数的新模型模拟分析

3.4 本章小结

4 初始损伤函数的简化

4.1 初始损伤函数的简化原因

4.2 双参数简化指数损伤函数的提出

5 新模型中双参数损伤函数的进一步改进及其验证

5.1 便于连续应用的简化损伤函数改进其及对大阪软土验证

5.2 便于连续应用简化损伤函数改进及对Haney软粘土验证

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 进一步研究的展望

致谢

参考文献