无粘性土亚塑性本构模型研究

摘要

基于亚塑性理论研究了无粘性土的力学特性。在对亚塑性理论最新研究成果及最新进展进行总结评述的基础上，介绍了亚塑性理论的基本原理，同时对两类亚塑性模型——Wu-Bauer 亚塑性模型和 Gudehus-Bauer 亚塑性模型进行了深入研究。重点研究了Gudehus-Bauer 亚塑性模型在复杂应力状况下的模拟情况以及所作的改进工作。具体研究工作如下： (1) 介绍了亚塑性理论的基本概念，探讨了亚塑性模型和传统弹塑性模型的不同点，研究了亚塑性理论的分类，分析了亚塑性本构理论从无粘性土到粘性土演化进程。归纳了亚塑性理论在剪切带、砂土液化、地基承载力确定方面的应用情况，提出了亚塑性理论有待进一步研究的如干问题。 (2) 介绍了 Wu-Bauer 亚塑性模型和 Gudehus-Bauer 亚塑性模型本构参数的实验确定方法。探讨了 Wu-Bauer 亚塑性模型参数确定方法存在的问题。根据单形调优法，对模型参数确定方法进行了改进，并通过三轴固结排水实验、侧限压缩实验和加卸载实验进行了验证。分析表明，该方法可有效确定模型参数。同时分析了 Wu-Bauer 亚塑性模型的优点和不足之处。 (3) 无粘性土的应力．应变关系可以用 Gudehus-Bauer 亚塑性本构模型来模拟，该模型强调应力增量的大小和方向不仅与当前应力状态有关，而且还取决于当前应变增量的大小和方向。为分析其与传统弹塑性理论的不同之处，对 Gudehus-Bauer 理论的线性项和非线性项进行了研究。并对不同初始孔隙比下 Gudehus-Bauer 亚塑性模型的应力-应变关系进行了探讨。结果表明 Gudehus-Bauer 亚塑性模型不用把应变分为弹性和塑性部分就能考虑不可逆变形，并能体现密砂的剪胀特性和应变软化特性以及松砂的剪缩特性和应变硬化特性。Gudehus-Bauer 亚塑性模型还能够考虑一些砂土的应力路径和应变路径的影响。 (4) 借助于 Gudehus 提出的响应包络线理论，对 Gudehus-Bauer 亚塑性模型不能考虑中主应力影响进行了分析。针对不能考虑中主应力这一缺点，提出了三种简单的改进方法，其中前两种是在 Duncan-Zhang 模型考虑中主应力影响的修正方法的基础上提出的，后一种是在模型的非线性项乘以一个考虑中主应力的因子进行改进。这三种改进都增加了土的强度，改变了土的变形。同时将改进后的模型与中主应力参数为常量的真三轴实验进行了比较。结果表明改进后的三种模型可以一定程度的模拟中主应力对砂土强度和变形特性的影响，能够近似预测由于中主应力影响产生的体积应变。 (5) 基于非线性连续介质力学的基本原理，提出了一个考虑主应力轴旋转的改进的 Gudehus-Bauer 亚塑性模型。新改进的 Gudehus-Bauer 亚塑性模型强调应力增量的大小和方向不仅与当前主应力大小有关，而且还取决于主应力旋转增量的方向。同时通过算例把改进后模型数值模拟结果与有关实验资料作了比较，结果表明改进的Gudehus-Bauer 亚塑性模型可以考虑主应力轴旋转对砂土强度和变形特性的影响。 (6) 针对 Gudehus-Bauer 亚塑性模型不能考虑砂土的横观各向同性效应，提出了在模型中引入一个考虑横观各向同性的矩阵进行改进。改进的 Gudehus-Bauer 亚塑性模型以沉积方向角来区分砂的横观各向同性，以当前孔隙比来控制密实度的变化。同时用改进的 Gudehus-Bauer 亚塑性模型模拟计算了三轴固结排水情况下砂土的横观各向同性，并与相关实验进行了比较。结果表明改进的 Gudehus-Bauer 亚塑性模型能够模拟砂土的横观各向同性，能够定量区分初始孔隙比对横观各向同性砂土的强度特性和变形特性的影响。 (7) 对于亚塑性模型在模拟考虑循环荷载作用产生伪造的棘轮效应，引入了考虑颗粒之间接触变形的粒间应变张量的进行改进。相比原亚塑性模型而言，改进的亚塑性模型能够反映循环荷载下砂土的力学特性，包括变形的累积效应，孔隙水压力的累积效应以及有效应力的降低等。

目录

文摘

英文文摘

声明

引言

1绪论

1.1亚塑性本构理论研究概况

1.1.1无粘性土亚塑性理论研究概况

1.1.2粘性土亚塑性本构理论研究概况

1.1.3亚塑性理论的分类

1.2亚塑性理论在岩土工程中应用研究概况

1.2.1亚塑性理论在土的剪切带中的应用

1.2.2亚塑性理论在砂土液化中的应用

1.2.3亚塑性理论在确定地基承载力中的应用

1.3本文的研究内容及主要工作

1.3.1研究内容

1.3.2论文结构安排

2亚塑性基本理论及两类亚塑性模型

2.1亚塑性材料的定义

2.2亚塑性本构方程的限制条件

2.3亚塑性本构方程的通用形式

2.4亚塑性理论与传统弹塑性理论差别

2.5亚塑性方程的破坏面和流动法则

2.6 Wu-Bauer亚塑性模型

2.7Gudehus-Bauer亚塑性模型

2.7.1Gudehus-Bauer亚塑性模型的假设条件

2.7.2Gudehus-Bauer亚塑性模型的分离性

2.7.3Gudehus-Bauer亚塑性模型函数的表示法

2.8小结

3Wu-Bauer亚塑性模型和Gudehus-Bauer亚塑性模型参数的确定

3.1Wu-Bauer亚塑性模型参数的确定以及改进

3.1.1Wu-Bauer亚塑性模型参数的确定

3.1.2Wu-Bauer亚塑性模型参数确定方法存在的问题

3.1.3基于单形调优法Wu-Bauer亚塑性模型参数确定方法的改进

3.1.4基于单形调优法确定的Wu-Bauer亚塑性模型参数

3.1.5用试验验证Wu-Bauer亚塑性模型参数确定改进方法的正确性

3.2Gudehus-Bauer亚塑性模型参数的确定

3.2.1临界摩擦角φC的确定

3.2.2颗粒硬度hs和指数n的确定

3.2.3零压力下下限孔隙比ed0的确定

3.2.4零压力下上限孔隙比ei0的确定

3.2.5零压力下临界孔隙比ec0的确定

3.2.6指数α的确定

3.2.7指数β的确定

3.3小结

4轴对称条件下Gudehus-Bauer亚塑性模型的性能模拟

4.1Gudehus-Bauer亚塑性模型一些概念的说明

4.1.1关于加卸载、不可逆变形的说明

4.1.2关于上升段、峰值段和下降段之间过渡的说明

4.1.3关于不同初始孔隙比是否表示不同种材料的说明

4.2三轴固结排水条件下Gudehus-Bauer亚塑性模型参数敏感性研究

4.2.1颗粒硬度hs敏感性研究

4.2.2指数n敏感性研究

4.2.3临界摩擦角φc敏感性研究

4.2.4指数α敏感性研究

4.2.5指数β敏感性研究

4.2.6零压力下上限孔隙比ei0敏感性研究

4.2.7零压力下临界孔隙比ec0敏感性研究

4.2.8零压力下下限孔隙比ed0敏感性研究

4.3Gudehus-Bauer亚塑性模型应力路径研究

4.3.1Gudehus-Bauer亚塑性模型应力路径的增量模式

4.3.2Gudehus-Bauer亚塑性模型应力路径的验证

4.3.3Gudehus-Bauer亚塑性模型应力路径分析的小结

4.4Gudehus-Bauer亚塑性模型应变路径研究

4.4.1简单加载情况下应变路径研究

4.4.2三轴压缩情况下应变路径研究

4.4.3三轴伸长情况下应变路径研究

4.4.4加卸载情况下应变路径研究

4.5小结

5复杂应力状况下Gudehus-Bauer亚塑性模型的模拟和改进

5.1考虑中主应力影响Gudehus-Baur亚塑性模型的改进

5.1.1Gudehus-Bauer亚塑性模型对真三轴实验模拟情况

5.1.2考虑中主应力Gudehus-Bauer亚塑性模型的改进

5.1.3Gudehus-Bauer亚塑性模型改进后的验证

5.2考虑主应力轴旋转Gudehus-Bauer亚塑性模型的改进

5.2.1Gudehus-Bauer亚塑性模型涉及到的相关应力率

5.2.2考虑主应力轴旋转Gudehus-Bauer亚塑性模型的改进

5.2.3考虑主应力轴旋转Gudehus-Bauer亚塑性模型改进后的模拟和验证

5.3考虑砂土横观各向同性GUDEHUS-BAUER亚塑性模型的改进

5.3.1Gudehus-Bauer亚塑性模型向量形式

5.3.2横观各向同性条件下Gudehus-Bauer亚塑性模型的改进

5.3.3改进的Gudehus-Bauer亚塑性模型对三轴固结排水实验的模拟和验证

5.3.4改进的Gudehus-Bauer亚塑性模型对侧限压缩实验的模拟

5.3.5考虑横观各向同性效应改进的Gudehus-Bauer亚塑性计算结果分析

5.4小结

6循环荷载作用下亚塑性模型的模拟和改进

6.1循环荷载作用下亚塑性模型模拟的缺点

6.2粒间应变张量的引入

6.3循环荷载作用下考虑粒间应变张量Wu-Bauer亚塑性模型的改进

6.3.1循环荷载作用下Wu-Bauer亚塑性模型的改进

6.3.2用模式搜索法确定粒间应变张量涉及到的本构参数

6.3.3改进的Wu-Bauer亚塑性模型对循环侧限压缩实验的模拟

6.4循环荷载作用下考虑粒间应变张量Gudehus-Bauer亚塑性模型的改进

6.4.1循环荷载作用下Gudehus-Bauer亚塑性模型的改进

6.4.2改进的Gudehus-Bauer亚塑性模型对循环侧限压缩实验的模拟

6.4.3改进的Gudehus-Bauer亚塑性模型对循环不排水三轴实验的模拟

6.5小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

创新点摘要

致谢