土体局部剪切带的扩展过程模拟

摘要

土工结构物的破坏给人们的生命财产造成了巨大的损失。传统的稳定分析方法，基本上都需要事先假设滑裂面，并认为滑裂面上所有的点同时达到极限平衡状态。这与实际情况有很大的差别，工程实践表明：土工结构物的破坏是一个由局部点破坏形成剪切带并逐渐扩展以至贯穿整个土体的渐进过程。研究表明：土中剪切带的形成是土工结构失去稳定性的先兆，土工结构的渐进破坏过程实际上就是土体中剪切带产生和扩展的过程。为模拟土中剪切带的扩展过程，本文在扩展有限单元法的基础上，基于极限平衡理论，考虑剪切带扩展过程中的应力重新分布，提出了一种新的能够反映土中剪切带扩展机理的扩展准则。并用该准则模拟了平面应变土样、土质边坡、挡土墙后填土和地基中剪切带的形成及扩展过程，计算结果表明：
　　（1）提出的剪切带扩展准则能够真实的反映土体剪切带的扩展机理，有效地模拟平面应变试样、土质边坡、挡土墙后填土和地基中剪切带从产生到最终贯穿整个土体的全过程。该准则不需要通过引入弱单元等方法来诱导剪切带产生以确定初始剪切带的位置。
　　（2）在剪切带的扩展过程中，扩展有限单元法不需重新剖分网格，且不同网格密度得到的剪切带扩展路径一致，说明扩展有限单元法的网格依赖性较小。
　　（3）均质的没有任何缺陷的平面应变试样的剪切带是从中心位置开始产生的，并不断向边界扩展，最终贯穿整个土体；边坡稳定性分析中考虑剪切带扩展过程得到的最终滑裂面与采用传统分析方法得到的滑裂面位置不同，而前者更符合实际情况。
　　（4）在剪切带的扩展过程中，剪切带附近的较小局部区域内会存在一个载荷卸载的过程，在这个过程中同时也伴随着能量的释放。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 剪切带问题的研究现状

1.3 研究目标和研究内容

2 扩展有限元模型

2.1 扩展有限元基本原理

2.2 剪切带界面间的摩擦接触算法

2.3 本章小结

3 扩展准则

3.1 扩展准则的提出

3.2 扩展准则的数学表述

3.3 扩展准则的数值实现

3.4 本章小结

4 算例

4.1 算例1

4.2 算例2

4.3 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢