基于状态相关剪胀理论的堆石料强度与变形特性研究

摘要

作为土石坝的主要筑坝材料，堆石料在剪切过程中具有明显的剪胀特性。大量的室内试验结果表明，堆石料在受剪时可能发生剪缩，也可能发生剪胀，其剪胀性取决于堆石料的当前状态，包括堆石料的密度和所处的应力状态。目前在土石坝计算分析过程中，一般采用的堆石料本构模型都无法反映土体密度变化带来的影响，对于具有不同密度的同一种堆石料，往往只能通过试验得到不同的参数，当成不同的材料进行模拟，这给土石坝的应力变形计算带来了一定的问题。 近来一些学者针对砂土提出了状态相关剪胀理论，并建立了基于状态相关剪胀理论的临界状态模型，成功地模拟了砂土的剪胀特性。堆石料与砂土都是颗粒集合而成的粒状材料，其工程性质类似。基于此本文在阅读大量文献的基础上，通过室内试验、理论分析、数值模拟等手段，对堆石料的变性特性与本构理论进行了深入系统的研究，主要工作如下： （1）通过室内试验系统地研究了两河口心墙堆石坝坝体堆石料的变性特性和临界状态，揭示了堆石料变形的密度与应力状态相关性：对具有不同密度和应力状态的堆石料进行大型三轴排水压缩试验，研究了密度和应力水平对堆石料变形特性的影响，得到了在较大剪切变形时该堆石料的临界状态线与临界状态参数。通过试验，还获得了两河口心墙堆石坝坝体堆石料的南水模型参数、邓肯-张模型参数和基于状态相关剪胀理论的临界状态模型参数。 （2）基于堆石料大型三轴排水压缩试验结果，采用基于状态相关剪胀理论的临界状态模型以及获得的一套模型参数，编写了三轴排水试验研究程序（点模型程序），对所有试验结果进行了数值模拟，并与南水模型和邓肯-张模型的模拟结果进行了对比。研究表明，对于处于不同密度不同应力水平的同一种堆石料，基于状态相关剪胀理论的临界状态模型只需一套模型参数就能反映堆石料的各种特性，包括剪胀性与应变软化特性等，而南水模型和邓肯．张模型对于不同密度的同一种堆石料需要多组参数来模拟，即将具有不同状态的同一种堆石料当成不同的材料来处理。这充分显示了基于状态相关剪胀理论的临界状态模型在模拟堆石料变性特性方面的合理性。 （3）对SUMDES2D有限元程序进行了二次开发，嵌入了邓肯，张非线性模型和南水双屈服面弹塑性模型程序，拓展了其应用范围；分别采用基于状态相关剪胀理论的临界状态模型、南水模型和邓肯-张模型，通过SUMDES2D有限元程序对三轴试验结果进行了模拟，并与点模型程序模拟结果进行了对比。此外还对单元的敏感性进行了分析，验证了SUMDES2D软件的可靠性；分别采用基于状态相关剪胀理论的临界状态模型、南水模型和邓肯-张模型，通过SUMDES2D有限元程序对某一均质堆石坝进行了模拟，并与ABAQUS大型商业软件模拟结果进行了比较，进一步验证了SUMDES2D程序在解决岩土工程问题上的适用性。 （4）采用基于状态相关剪胀理论的临界状态模型，通过SUMDES2D有限元程序对长河坝进行了二维静动力有限元计算，得到了坝体施工期和蓄水期的水平位移、沉降以及坝体应力分布情况，揭示了堆石坝在地震作用下变形和破坏的机理。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 堆石料变形特性试验研究

1.3 堆石料静动力本构模型

1.3.1 堆石料静力本构模型

1.3.2 堆石料的动力本构模型

1.4 状态相关剪胀理论

1.4.1 剪胀理论的发展历程

1.4.2 经典应力剪胀理论及其适用性

1.4.3 状态相关剪胀理论

1.5 土石坝有限元分析常用程序

1.6 问题的提出及本文的主要工作

1.6.1 目前研究中存在的问题

1.6.2 本文主要工作

1.6.3 文章结构

第二章 堆石料强度和变形特性试验研究

2.1 引言

2.2 试验概况

2.2.1 试验土样描述

2.2.2 试验设备

2.2.3 仪器设备的检定和校准

2.2.4 试样制备

2.2.5 试样饱和

2.2.6 固结排水剪切试验过程

2.3 试验初始条件

2.4 试验结果分析

2.4.1 堆石料的固结特性

2.4.2 堆石料变形特性

2.4.3 堆石料的临界状态

2.5 本章小结

第三章 堆石料强度和变形特性数值模拟

3.1 引言

3.2 土的状态相关剪胀理论与本构模型

3.2.1 土的状态的描述

3.2.2 剪胀理论

3.2.3 塑性模量

3.2.4 基于状态相关剪胀理论的无粘性土本构理论

3.2.5 剪切模量的取值

3.2.6 计算参数

3.3 数值模拟

3.3.1 模拟方法

3.3.2 模拟结果

3.4 与其它模型对比分析

3.4.1 邓肯—张模型与南水模型模拟方法

3.4.2 邓肯—张模型与南水模型模拟结果

3.4.3 不同模型模拟结果对比

3.5 本章小结

第四章 SUMDES2 D有限元程序的开发应用

4.1 引言

4.2 SUMDES2 D有限元程序简介

4.2.1 程序结构

4.2.2 基本假定及符号约定

4.2.3 场方程

4.2.4 边界条件

4.2.5 时间和空间的离散

4.2.6 有限单元及高斯积分

4.2.7 数值更新

4.2.8 基于状态相关剪胀理论的临界状态模型

4.3 SUMDES2D前处理

4.4 邓肯—张模型与南水模型的二次开发应用

4.5 SUMDES2 D有限元模拟

4.5.1 三轴试验的模拟

4.5.2 网格数量对计算精度的影响

4.5.3 与其它有限元计算结果的比较

4.6 均质坝算例

4.6.1 计算模型与参数选取

4.6.2 计算结果与分析

4.6 本章小结

第五章 考虑剪胀的堆石坝静动力有限元模拟

5.1 引言

5.2 工程实例

5.3 二维有限元数值模拟

5.3.1 二维有限元网格和边界条件

5.3.2 有限元计算模拟方案

5.3.3 材料本构模型及计算参数

5.4 静力二维有限元计算分析

5.4.1 竣工期坝体沉降及水平位移

5.4.2 蓄水期坝体沉降及水平位移

5.4.3 坝体及覆盖层大小主应力分布

5.4.4 计算结果分析

5.5 动荷载作用下堆石坝二维有限元计算分析

5.5.1 坝顶动力反应

5.5.2 单元稳定性分析

5.5.3 地震永久变形分析

5.5.4 局部土的应力应变响应

5.6 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

攻读博士学位期间所参加的课题及所完成与发表论文

致谢