三轴试验端部约束与高径比影响试验研究及有限元分析

摘要

粗粒土作为主要的填筑材料在土石坝工程中应用非常广泛，在工程实践中常常采用三轴试验来分析粗粒土的强度特性和其他力学参数。但是由于试验设计的不完善，使得粗粒土的三轴试验得到的试验数据往往不能如实反映现场土料的力学性能。因此对粗粒土三轴试验方法的研究具有重要意义。 本论文进行了大量三轴试验，研究试样端部约束和高径比等对试验结果的影响；采用ADINA软件模拟三轴试验，并通过编制接口程序实现在ADINA程序环境中进行土石坝静力计算。主要进行了以下几方面的工作： 首先，利用中型三轴仪对双江口粗粒土料进行三轴固结排水剪试验，研究试样端部约束对三轴试验试样变形及强度的影响。试验采取润滑试样帽措施在一定程度上减轻端部约束，研究了不同围压下粗粒土减轻端部约束情况的三轴固结排水剪试验强度规律，并与常规固结排水剪三轴试验的强度进行对比。研究发现两者的强度随围压的增大越来越接近，端部消除摩擦的效果越来越差。 其次，通过常规三轴固结排水剪试验，研究不同试样高径比对试样变形及强度的影响。试验采用粗粒土和砂土两种土，粗粒土采用混合法和剔除法两种级配替代方法制样，试样直径为61.8mm和101mm两种。研究了不同围压下试样高径比为3∶1和2∶1的三轴固结排水剪试验强度规律；分析了内摩擦角的差异对两种两种高径比试样强度比值的影响，发现随着内摩擦角的不断减小，两种高径比试样强度的差值不断减少。 再次，开发ADINA有限元软件Duncan-Chang E-v模型模块，模拟无端部约束和有端部约束三轴固结排水剪试验，分析端部约束对三轴固结排水剪试验强度的影响；同时，模拟有端部约束与无端部约束三轴固结不排水试验，研究由于端部约束而导致孔隙水压力随着弹性模量、泊松比、剪切速率以及渗透系数的变化呈现不均匀分布的规律。 最后，利用FORTRAN程序编制接口程序FETA，将其它软件生成的有限元模型转换成可被ADINA软件接受的数据流，实现ADINA软件环境下的建模，并进行土工结构的计算分析；分别采用ADINA软件和河海大学TDAD软件计算两河口土石坝位移沉降量，对结果进行了对比，用TDAD软件验证了新开发的Duncan-Chang E-v模型模块及有限元模型转换软件在ADINA中应用的可行性与可靠性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1.问题的提出

1.1.1.粗粒土的定义

1.1.2.研究粗粒土三轴试验强度的意义

1.2.粗粒土的工程特性

1.2.1.粗粒土抗剪强度特性

1.2.2.粗粒土的强度准则

1.3.三轴试验的研究现状

1.4.本文的主要研究工作

第二章粗粒土三轴试样端部约束影响研究

2.1.引言

2.2.端部约束影响试验方案

2.2.1.试验土料的制备

2.2.2.常规三轴试验与减轻端部约束三轴试验

2.2.3.三轴试验数据校正

2.3.试验结果分析

2.3.1.应力应变及强度特性分析

2.3.2.体积变形特性分析

2.3.2.端部摩擦效应影响分析

2.4.本章小结

第三章粗粒土三轴试样高径比影响研究

3.1.引言

3.2.高径比影响试验方案

3.2.1.试验土样制备

3.2.2.三轴伸长试验

3.2.3.三轴试验数据校正

3.3.三轴压缩试验结果分析

3.3.1.粗粒土中三轴高径比影响试验结果分析

3.3.2.粗粒土小三轴高径比影响试验结果分析

3.3.3.砂土小三轴高径比影响试验结果分析

3.3.4.不同土样高径比试验强度折减分析

3.4.粗粒土三轴伸长试验结果分析

3.4.1.试样破坏形式

3.4.2.应力应变及强度分析

3.4.3.高径比对应力应变及强度影响

3.5.本章小结

第四章三轴试验有限元模拟分析

4.1.引言

4.2.Duncan-Chang本构模型的二次开发

4.2.1.ADINA二次开发平台介绍

4.2.2.Duncan-Chang本构模型二次开发过程

4.2.3.Duncan-Chang模型二次开发的数值验证

4.3.端部约束对强度影响的模拟及分析

4.4.端部约束对孔隙水压力的影响分析

4.4.1.模拟三轴孔隙水压力分布

4.4.2.孔隙水压力随着时间变化规律

4.4.3.孔隙水压力端部测量值变化规律

4.4.4.有无端部约束对孔隙水压力的影响

4.4.5.弹性模量与泊松比对孔隙水压力的影响

4.5.本章小结

第五章土石坝三维有限元分析

5.1.前言

5.2.ADINA前处理实现土石坝建模

5.2.1.工程概况

5.2.2.ADINA有限元计算步骤

5.2.3.FETA程序编写ADINA数据流文件

5.3.ADINA计算数据分析

5.4.ADINA与TDAD程序计算土石坝对比分析

5.5.本章小结

第六章总结与展望

6.1.总结

6.2.展望

参考文献

致谢