密砂单调剪切特性的试验研究及其本构模型的数值验证

摘要

对海洋工程的建设是当今社会发展的热点之一。而在海洋构筑物的施工过程中，海床土体内部的应力状态是复杂多变的。波浪荷载、风荷载，都会使海床土体内部的应力状态发生改变，包括主应力的大小、方向。因此在实际工程中必须考虑主应力大小、方向变化对地基土体稳定性的影响。
　　为了研究主应力方向对海床底部密实砂土剪切特性的影响，利用大连理工大学的“土工静力-动力液压三轴-扭转剪切仪”，在不同初始固结应力、不同主应力方向角条件下，进行了多组应力控制式不排水单调剪切试验。
　　通过试验研究表明:主应力方向角对于密砂的有效应力路径和应力-应变关系均具有十分显著的影响。随着主应力方向角的增大，砂土达到相变点时的孔隙水压力逐渐增大，广义剪应力逐渐减小，最终的有效偏应力比峰值逐渐降低;在剪切过程中，饱和密砂的应力-应变关系始终表现为应变硬化效应，随着主应力方向角的增大，应变硬化效应逐渐减弱，但并未出现松砂对应的应变软化现象;随着初始固结应力的增大，砂土达到相变点所需的广义剪应力随之增大，砂土在相变点时的孔隙水压力也越大;对于主应力方向角相同，初始固结应力大小不同的情况，在有效应力路径曲线上，砂土最终的稳定状态趋向于同一条直线，且主应力方向角越大，直线的斜率越小。
　　通过试验得出的应力比-应变关系曲线，将应力比峰值与主应力方向角相关联，对修正剑桥模型进行改进，建立了一个能够反映主应力方向变化对砂土单调剪切特性影响的本构关系式。再利用Abaqus中的用户自定义子程序功能将改进后的本构关系式嵌入其中，在Abaqus中建立一个单元体模型，对其进行与试验加载路径相同的数值模拟分析。
　　将数值模拟分析结果与试验结果对比得出:改进后的本构模型可以反映出主应力方向对砂土的单调剪切特性的一些影响，但不完全。随着主应力方向角的增大，砂土应变硬化效应逐渐降低，砂土达到破坏面时的广义剪应力逐渐减小，但对于砂土前期剪缩性反映偏大，且不能反映出砂土相变之后的剪胀特性;改进后的本构模型可以较好的反映出主应力方向对砂土有效偏应力比与广义剪应变之间的关系的影响，数值模拟结果与试验结果基本相符。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和研究意义

1．2 国内外研究概况

1．2．1 主应力方向对砂土剪切特性影响的研究概况

1．2．2 本构模型的研究概况

1．3 主要研究内容

2 试验设备与试验条件

2．1 试验设备

2．2 试验土料及成样方法

2．2．1 试验土料

2．2．2 试样的制备及饱和方法

2．3 试样体应力状态分析及参数计算

2．3．1 试样体应力状态分析

2．3．2 试样体的应力应变参数及其计算公式

3 饱和密砂不排水单调剪切特性的研究

3．1 概述

3．2 试验设计方案及剪切应力路径

3．2．1 试验设计方案

3．2．2 试验设计应力路径与实测应力路径

3．3 试验结果及其分析

3．3．1 主应力方向对不排水单调剪切特性的影响

3．3．2 初始固结应力对不排水单调剪切特性的影响

3．3．3 应力加载速率对不排水单调剪切特性的影响

3．3．4 密砂与松砂不排水单调剪切特性的比较

3．4 小结

4 砂土本构模型的研究及数值验证

4．1 概述

4．2 本构模型的研究

4．2．1 剑桥模型

4．2．2 改进的剑桥模型

4．3 有限元数值计算

4．3．1 Abaqus有限元软件介绍

4．3．2 有限元计算模型的建立

4．3．3 采用Abaqus中临界状态本构模型的有限元数值分析

4．3．4 采用改进剑桥本构模型的有限元数值分析

4．4 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